Forschung - Projekte

Dipl.-Ing. Jan Oberhagemann

Risikobasierte Bewertung von seegangserregten dynamischen Lasten auf Schiffsstrukturen

Die hydrodynamischen Lastannahmen in den Bauvorschriften der Klassifikationsgesellschaften beruhen weitgehend auf empirischer Erfahrung und quasistatischen Betrachtungen. Dies ist problematisch bei der Strukturdimensionierung von Entwürfen, die nicht mit bisherigen Erfahrungen abgedeckt werden können. Zudem ist durch den empirischen Charakter der Vorschriften das Sicherheitsniveau verschiedener Teile der Schiffsstruktur oftmals nicht genau quantifizierbar und möglicherweise verschieden.
Es ist heutzutage weithin unbestritten, dass die dynamische Überhöhung von Strukturlasten durch die Wechselwirkung der Schiffsstruktur mit der äußeren Umströmung (beispielsweise Whipping und Springing) nennenswert zu Extrembelastungen beiträgt. Bisher sind strukturdynamische Effekte in Bauvorschriften allerdings lediglich über Sicherheitsfaktoren berücksichtigt.
Sowohl seegangserregte Lasten als auch die dynamischen Strukturantworten sind stochastischer Natur und verhalten sich nichtlinear. Dies erschwert den Einsatz direkter numerischer Verfahren bei der Bestimmung von realistischen Lastkollektiven.
Das Ziel des Projektes ist, eine Berechnungsprozedur vorzuschlagen, die die numerische Berechnung von Entwurfslasten für Schiffsstrukturen unter Verwendung von langzeitstatischen Verfahren erlaubt.
Die Berechnungsprozedur soll alle relevanten Aspekte der Seegangserregung von Strukturantworten erfassen und Möglichkeiten der Abschätzung von Fehlern und Unsicherheiten bieten.
Berechnungsmethoden für die Fluid-Struktur-Kopplung von RANSE-Verfahren mit Finite-Elemente-Verfahren werden weiterentwickelt, um effiziente Methoden bereitzustellen, die für die möglichst genaue Simulation von Extremereignissen geeignet sind. Bestehende statistische Techniken werden angepasst und eingesetzt, um Wellensequenzen zu ermitteln, die Seegangslasten mit einer definierten Überschreitenswahrscheinlichkeit hervorrufen.

Die Anwendung der entwickelten Berechnungsprozedur auf verschiedene Schiffe für ein vorgegebenes Seegangsklima ermöglicht den Vergleich der erreichten Sicherheitslevels. Dies wiederum erleichtert die Angleichung der in den Bauvorschriften implizierten Sicherheitsstandards für verschiedene Strukturbestandteile. Darüber hinaus kann das Projekt dazu beitragen, ein zu forderndes Sicherheitsniveau technisch fundiert zu ermitteln.

B.Sc. Erwin van Heumen

Dynamische Beanspruchung von Propellerflügeln

Im Rahmen des Projektes PROPULSION IN SEAWAYS (PropSeas) wird im Teilvorhaben LastProp die Beanspruchung eines Propellers infolge von Schiffsbewegungen bei Seegang und Manövriervorgängen numerisch ermittelt.

Für die Berechnung der Propellerbeanspruchung teilt sich die Aufgabenstellung in die Berechnung der Lastverteilung und in die des elastischen Verhaltens des Propellers auf.

Die Lastverteilung am Propeller wird auf Basis der Seegangs- und Manövrierbedingungen mittels RANSE-Verfahren bestimmt. Bezüglich des elastischen Verhaltens wird die Steifigkeit des Propellers eines Offshore-Versorgers mittels der Finite-Elemente Methode ermittelt.

Eine Überlagerung von einfachen Komponenten der Lasten wie Schub, Fliehkräfte und Trägheitskräfte als Folge der Schiffsbewegungen wurde im FE-Modell implementiert, um die Verformung der Propellerflügel und die daraus resultierenden Spannungen berechnen zu können. Zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens des Propellers wurde die Berechnung der Eigenfrequenzen und der dazu korrespondierenden Eigenschwingformen der Flügel durchgeführt.

Es wird zurzeit ein Verfahren entwickelt, mit Hilfe dessen die berechneten hydrodynamischen Kräfte auf das FE-Modell übertragen werden können. Sowohl die Einweg- als auch Zweiwege-Fluid-Struktur-Wechselwirkungen sollen berücksichtigt werden. Das Ziel hierbei ist es, die dynamischen Überhöhungen der Lasten zu ermitteln.

Dipl.-Ing.       Bastian Röös

Mat-Roll

im Verbundprojekt Best-Rolldämpfung

(Entwicklung von mathematischen Modellen zur Berechnung der Rolldämpfung moderner Schiffsformen)

Das Seeverhalten und insbesondere die Rollbewegung sind für die Bewertung der Schiffssicherheit von großer Bedeutung. Große Rollamplituden und die damit verbundenen hohen Beschleunigungen gefährden sowohl das Personal als auch die Umwelt und führen bis heute zu schweren Beschädigungen des Schiffes und dessen Ladung. Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung mathematischer Modelle zur Bestimmung der Rolldämpfung bereits im frühen Entwurfsstadium eines Schiffes.

Mittels moderner numerischer Verfahren, die auf der Lösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen basieren, werden hydrodynamische Datenbanken von modernen Schiffsformen erstellt, in denen die Dämpfungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Schiffsgeometrie und den Roll- bzw. Bewegungsparametern gesammelt werden.

Die Ergebnisse dieser numerischen Berechnungen werden durch entsprechende Modellversuche validiert. Im Rahmen dieser Validierungsarbeiten werden auch die Maßstabseffekte auf die Rollbewegung untersucht.

Ausgehend von den hydrodynamischen Datenbanken wird zunächst ein mathematisches Modell entwickelt, das die Relevanz der einzelnen Einflussfaktoren auf die Rolldämpfung und deren Kopplung berücksichtigt.

Aufbauend auf diesem Modell werden die gewonnenen Daten zunächst mit den prognostizierten Werten aus den Regressionsmodellen nach Ikeda verglichen und folgend einer weiteren Regressionsanalyse unterzogen. Diese Untersuchungen führen zu neuen modifizierten Regressionsmodellen, die im Fokus moderner Schiffsformen und großer Rollamplituden als zukünftiges Werkzeug zur Abschätzung der wirksamen Rolldämpfung im Entwurfsstadium dienen.

Dipl.-Ing.       Jens Ley

Design for Ship Safety in Extreme Seas

Als mögliche Ursache vergangener Schiffsunglücke mit Totalverlust werden u. a. zu hohe Biegemomente und Querkräfte, resultierend aus extremen Seegängen, vermutet. Bekanntermaßen erfolgt die Strukturantwort eines Schiffes in Wechselwirkung mit der Umströmung des Schiffes. Insbesondere durch Hydroelastizität können hierbei hohe dynamische Schnittlasten auftreten, die während der Lebensdauer eines Schiffes einen erheblichen Anteil liefern können. Resonanz- und Slamming-Effekte spielen dabei eine wesentliche Rolle und treten stochastisch auf. Eine genaue Kenntnis über die dynamischen Überhöhungen der Lasten sowie deren Wahrscheinlichkeit des Auftretens ist daher erforderlich, um diese physikalischen Effekte in den Entwurfslasten im Schiffsentwurf angemessen zu erfassen. Gegenwärtig werden diese Effekte in den Entwurfslasten aus den Bauvorschriften der Klassifikationsgesellschaften durch Sicherheitsfaktoren, basierend auf Erfahrung, berücksichtigt. Bei dem europäischen Projekt "Extreme Seas" handelt es sich daher um ein Vorhaben zur Ermittlung der Bewegung und Lasten von Schiffen in schwerer See unter Berücksichtigung von Hydroelastizität. Das Ziel ist die Entwicklung von Entwurfsmethoden zur Optimierung bzw. Anpassung der Entwurfslastfälle für verschiedene Schiffstypen. Außerdem soll ein besseres Verständnis über das Verhalten extremer Wellen gewonnen werden. Im Vordergrund steht dabei die Steigerung der Schiffsicherheit. 

Es werden Untersuchungen zu den physikalischen Eigenschaften extremer Wellen durchgeführt, um die bisherigen Modelle bzw. Methoden zur Beschreibung und Simulation derartiger Wellen zu verbessern. Anschließend erfolgt die Definition von extremen Wellenzügen, die extreme dynamische Strukturantworten erzeugen. Hierzu dienen Kurz- und Langzeitstatistiken. Durch die Kopplung eines RANSE-Verfahrens mit einem Finite-Elemente Code werden die Schnittlasten berechnet und gezielt globale sowie lokale Strukturanalysen durchgeführt. Die Ergebnisse der Seegangssimulationen werden mit Versuchsdaten validiert und dienen u. a. der Optimierung eines risikobasierten Entwurfs.

Dipl.-Ing.       Jens Neugebauer

Schleppkräfte

Vorhersage der wirkenden aero- und hydrodynamischen Kräfte auf Schiffe im Elberevier zur Ermittlung der erforderlichen Schlepperleistung 

Aufgrund des in den letzten Jahren gestiegenen Transportaufkommens ist ein Trend zu immer größeren Schiffen festzustellen. Durch die Zunahme der Schiffsgrößen steigt folglich deren Angriffsfläche für Wind- und Wasserlasten an. Für Revierfahrt unter Zuhilfenahme von Schleppern gestaltet sich somit die Ermittlung der erforderlichen Schlepperleistung zunehmend schwieriger. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden numerische Simulationen der viskosen Strömung durchgeführt, die bei der Wahl der Schlepperleistung herangezogen werden können.

Die wirkenden Kräfte auf die Schiffe infolge Wind und Wasser werden für die unterschiedlichen Schiffstypen bei mehreren Anströmrichtungen systematisch berechnet. Die Strömungsberechnungen werden für Über- und Unterwasserschiff separat durchgeführt, um später eine Auswertung für beliebige Kombinationen von Wind- und Strömungsrichtung sowie -geschwindigkeit zu ermöglichen.

Ziel dieses Projekts ist die Ermittlung dimensionsloser Beiwerte für die wirkenden Kräfte in Schiffslängs- und Schiffsquerrichtung sowie das Giermoment für ausgewählte Schiffe bei verschiedenen Anströmrichtungen. Die Ergebnisse wurden in ein am ISMT entwickeltes Programmmodul eingespeist, welches die Ergebnisse für andere Schiffe und Umgebungsbedingungen interpoliert.

Dipl.-Ing.       Jens Neugebauer

SQUAT

Im Rahmen des Projektes SQUAT befasst sich das Institut mit der Vorhersage der Absenkung und Vertrimmung (Squat) von Schiffen infolge extremer Flachwasserbedingungen auf der Elbe. Die Berechnungen werden mit einem RANSE-Löser durchgeführt. Hierbei wird der Einfluss der Gittergröße, der Berücksichtigung von Reibung und der Zeitschrittgröße auf den Squat untersucht. Die Berechnungsergebnisse werden mit Messdaten der BAW verglichen.

Dipl.-Ing.       Jens Neugebauer

Das Sloshinglabor des ISMT

Beschreibung

Das ISMT betreibt ein Labor zur Untersuchung von Sloshing. Sloshing (engl. „Schwappen") bezeichnet die resonante Bewegung von Flüssigkeiten in teilgefüllten Tanks und Behältern. Durch Sloshing sind insbesondere die Flüssigladetanks von Öl-Tankern, LNG-Tankern und Bulkcarriern sowie Chemikalien- und Produktentankern sehr hohen lokalen und globalen Belastungen ausgesetzt. Das Bedürfnis der Industrie, auch mit teilgefüllten Tanks zu fahren, deren Belastungen durch niedrige Füllstände kritischer werden, bedingt gezielte numerische, in erster Linie aber experimentelle Untersuchungen des Verhaltens von Zwei-Phasen-Systemen innerhalb entsprechender Tanks.

Das Kernstück des Sloshinglabors ist eine Stewart-Plattform, oft auch als Hexapod bezeichnet, auf der entsprechende Versuchsbehälter montiert und in sechs Freiheitsgraden bewegt werden. Zur Messung von Drücken steht eine Vielzahl an Drucksensoren zur Verfügung, deren Messwerte simultan und mit hoher Abtastrate erfasst werden. Zur berührungslosen Messung von Größen innerhalb eines Behältnisses steht ein zeitlich auflösendes Particle-Image-Velocimetry-System (PIV-System) zur Verfügung.

Technische Daten 

Dipl.-Ing.     Sven-Brian Müller

Manövrierverhalten von Binnenschiffen;
Entwicklung von Berechnungsansätzen zur Bestimmung von Haupt- und Querstrahlruderkräften bei Vorausfahrt

Steigender Güterverkehr auf den Binnenwasserstraßen, eingebettet in komplexe logistische Transportlösungen, sowie wachsende Schiffsgrößen stellen große Herausforderungen an die heutige Binnenschifffahrt.

Neben den weitgehend gut ausgebauten Hauptwasserstraßen, wie Rhein und Elbe, gewinnen auch kleinere und weniger gut ausgebaute Nebenarme mit individuellen und flexiblen logistischen Lösungen an Bedeutung für die Binnenschifffahrt.
Um die Sicherheit bei gleichzeitiger optimaler wirtschaftlicher Ausnutzung auf den Gewässerabschnitten zu gewährleisten, bedarf es einer Vorhersage des Manövrierverhaltens von Binnenschiffen.

Zur Bestimmung der Bahnverläufe von manövrierenden Schiffen sollen folgende Kräfte erfasst werden: Schiffswiderstand, Propellerschub, Haupt- und Bugstrahlruderkräfte. Die Quer- und Längskräfte des Hauptruders werden in Abhängigkeit vom Ruderwinkel bestimmt. Hierbei sind sowohl die Eigenschaften des Schiffes als auch die des Propellers zu berücksichtigen. Neben dem Hauptruder dient das Querstrahlruder als aktives Manövrierorgan. Es erzeugt quer zur Schiffslängsachse eine Kraft, die bei Vorausfahrt gegenüber dem Stand abnimmt. Zur Bestimmung der Querstrahlruderkraft ist die Entwicklung eines auf Messungen beruhenden Ansatzes für die in der Binnenschifffahrt gebräuchlichen Bugformen nötig.

Dipl.-Ing.     Sven-Brian Müller

HyProCon – Einfluss der Maßstabseffekte auf die hydrodynamischen Eigenschaften von Propellern großer Containerschiffe (gefördert durch das BMWi)

Die Auswahl des Antriebskonzepts spielt beim Entwurf eines Schiffes eine große Rolle. Aus einer genauen Abstimmung des Schiffskörpers mit dem Antriebssystem resultieren nicht nur ein hoher Wirkungsgrad und eine Verringerung der Betriebskosten, sondern sie führt auch zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit zur Entlastung der Umwelt.

Aufgrund der Zunahme der Schiffsgrößen, speziell bei Containerschiffen, vergrößert sich der Durchmesser des entsprechenden Propellers. Da die Abmessungen der Versuchsanlagen in den Schiffbauversuchsanstalten nicht für solche Schiffsgrößen ausgelegt sind, erhöht sich der zu verwendende Maßstabsfaktor. Mit der Zunahme des Maßstabsfaktors wächst die Bedeutung des Umrechnungsverfahrens der Modellmessergebnisse auf die Großausführung. Dies gilt besonders, weil die verwendeten Umrechnungsverfahren in einem Maßstabsbereich Anwendung finden, in dem bisher nur unzureichende Erfahrungen vorhanden sind.

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines Verfahrens zur genaueren Ermittlung des Einflusses der Maßstabseffekte auf die Schub- und Drehmomentenbeiwerte von Propellern, basierend auf numerischen Berechnungen der viskosen Propellerumströmung.

Für die Untersuchung wurden zusammen mit dem Projektpartner Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG) Propeller ausgewählt, die die in der Praxis eingesetzten Propeller repräsentieren.

Zur Bestimmung der Maßstabseffekte wurde die Umströmung dieser Propeller in Modell- und Großausführung numerisch berechnet. Der Vergleich der berechneten Verläufe des Drucks und der Wandschubspannung bildete die Grundlage für die Entwicklung der Formeln zur Umrechnung der angreifenden Kräfte vom Modell auf die Großausführung.

Dipl.-Ing. Klemens Hitzbleck

Ermittlung von Entwurfslasten zur Strukturauslegung von Propellern

Der Einfluss der Schiffsbewegung infolge Seegang auf Propeller und die Belastungen aus Manövriervorgängen werden bisher weder rechnerisch noch messtechnisch so erfasst, dass Lastkollektive zur Berwertung der Struktur der Propeller ermittelt werden. In den letzten Jahren haben sich die Propellerentwürfe stark gewandelt. Ebenso finden POD-Antriebe vermehrt Einzug in den Schiffsentwurf auch größter Schiffe. Für diese neuen Entwicklungen fehlen Erfahrungswerte bisher.

Im Rahmen des Europäischen Verbundprojektes „Propulsion in Seaways“ sollen Prozeduren und Methoden entwickelt werden, um Lastkollektive für Propeller auf Basis des Fahrtprofils, der Seegangsbedingungen im befahrenen Revier und der typischen Manövrierbedingungen zu erstellen. Dazu werden am Propeller eines Bohrinselversorgers Dehnungsmessstreifen installiert. Die Belastungen am Propeller werden zusammen mit der Motorleistung und den Schiffsbewegungen aufgezeichnet. Auf Basis dieser Daten kann ein Lastkollektiv für das untersuchte Schiff erstellt werden. Die Belastungen am Propeller werden auf Basis der Seegangsbedingungen und der Geometrie des Schiffes ebenfalls mit numerischen Methoden bestimmt. Die Ergebnisse aus den Berechnungen werden anhand der Messergebnisse und von Modellversuchen validiert. Aus den Ergebnissen aus Messung, Modellversuch und Simulation können letztendlich Regeln und Empfehlungen abgeleitet werden, anhand derer Propeller für verschiedene Belastungssituationen sicher dimensioniert werden können.

Die Projektpartner für diese Projekt sind in Deutschland die Universität Hamburg, die Develogic GmbH so wie die Germanische Lloyd AG und in Norwegen das Forschungsinstitut MARINTEK, Norwegens Technisch-Naturwissenschaftliche Universität, die Rolls-Royce Marine AS sowie die Reederei Farstad Shipping ASA.

Dipl. Math.     Julia Dohmen

Validierung eines CFD-Programms zur Simulation der Feuerausbreitung auf Containerschiffen

Im Dezember 2008 wurden im Auftrag eines Industriepartners Brandversuche in einem geschlossenen und teilweise geöffneten Containern durchgeführt. Anhand der Ergebnisse konnten Kenntnisse über die Feuerausbreitung, die Temperaturentwicklung und die Gaszusammensetzung während eines Containerbrandes gewonnen werden. Im Laufe dieser Arbeit wurden die Brandversuche mit dem Programm FDS (Fire Dynamics Simulator) numerisch simuliert. Das Ziel dabei war das numerische Verfahren zu validieren.

Weiterhin wird die Möglichkeiten des CFD-Verfahrens hinsichtlich der Simulation des Wärmetransportes und Rauchausbreitung im geschlossenen Laderaum eines Containerschiffes untersucht.

Dipl. Math.     Julia Dohmen

Simulationen unter OpenFOAM

OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) ist ein frei erhältliches numerisches Simulationspaket für kontinuumsmechanische Probleme. Es enthält einige Standardlöser für verschiedene physikalische Problemstellungen, weitere Löser können in der OpenFOAM-eigenen Syntax hinzugefügt werden.

Frau Dohmen befasst sich mit Entwicklungen und Anwendungen numerischer Verfahren zur Lösung von schiffstechnischen Strömungsproblemen (z.B. Mehrphasenströmungen wie freie Oberfläche und Kavitation) mit OpenFOAM. Dazu werden die Navier-Stokes-Gleichungen sowie Transportgleichungen von skalaren Größen mit den Bewegungsgleichungen starrer Körper gekoppelt und numerisch gelöst. Die in den Simulationen erhaltenen Ergebnisse sollen mit Hilfe von Modellversuchen validiert werden.

Dipl.-Ing. Alexander von Graefe

Projekt GLRankine  

Das Projekt GLRankine ist eine Kooperation zwischen dem Germanischen Lloyd und dem Institut für Schifftechnik, Meerestechnik und Transportsysteme. Im Rahmen dieses Projekts soll ein auf Potentialmethoden basierender Seegangsprogramm weiterentwickelt werden. Damit kann die stationäre Umströmung um ein Schiff mit oder ohne Verformung der Wasseroberfläche berechnet werden, sowie die periodische Umströmung infolge einer einfallenden Welle und die daraus resultierenden Schiffsbewegungen und -lasten. Das Wasser wird als ideale Flüssigkeit (nicht viskos, inkompressibel, rotationsfrei) angenommen. In beiden Fällen muss für das Geschwindigkeitspotential die Laplace-Gleichung mit entsprechenden Randbedingungen mithilfe einer Randelementmethode (Rankine-Verfahren) gelöst werden. Bei der stationären Berechnung werden die Randbedingungen an der freien Wasseroberfläche nichtlinear durch ein Iterationsverfahren behandelt. Aufbauend auf der stationären Lösung wird ein Perturbationsansatz für die periodische Lösung gemacht. Hier werden die Randbedingungen linearisiert, um die Berechnungen effizient im Frequenzbereich durchführen zu können. Auf Grundlage des bestehenden Codes soll die Methode vor allem unter numerischen und algorithmischen Gesichtspunkten weiter untersucht und weiterentwickelt werden.