Entwicklung eines mehrstufigen mathematischen Modells zur Berechnung der Bewegung eines Schiffes in sechs Freiheitsgraden
Beteiligte Wissenschaftler
- Universität Duisburg-Essen (ISMT) Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme
Prof. Dr.-Ing. Bettar Ould el Moctar
Dr.-Ing. Jens Neugebauer
M. Sc. Jakob Rzeszutko - Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)
Dr.-Ing. Michael Schröder
M. Sc. Lahbib Zentari
Projektbeschreibung
Die Vorhersage und Bewertung der Manövrierbarkeit von Binnenschiffen nimmt heutzutage immer weiter an Bedeutung zu. Äußere Einflüsse wie Klima, Wirtschaft, Umbau von den Wasserstraßen und steigende Verkehrsaufkommen fordern neue Methoden und Sicherheitsstandards, um darauf reagieren zu können.
In der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) sind bereits ein Fahrdynamisches Routenanalyse und -optimierungsmodell sowie ein Binnenschiffsführungssimulator (Abbildung 1) vorhanden mit dem es möglich ist die Trajektorien und Bewegungen eines Binnenschiffes zu simulieren. Die hinterlegten mathematischen Modelle bilden die Bewegungen gekoppelt in 3 Freiheitsgraden und entkoppelt in 6 Freiheitsgraden ab.
Ein Ziel dieses Vorhabens ist die Weiterentwicklung eines mathematischen Modells zur Simulation der Bewegung von Binnenschiffen bei Manövriervorgängen gekoppelt in allen sechs Freiheitsgraden unter Berücksichtigung von Sloshing, Gewässerströmung, Maschinendynamik und Flachwassereinflüssen. Das zu entwickelnde Manövriermodell soll auf einer direkten Systemidentifikation (Modell nach Abkowitz mit Taylorreihenentwicklung (1964)) basieren. Außerdem soll es mehrstufig sein um unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen bedienen zu können. Die erste Stufe des Modells erfordert beispielsweise lediglich die Ermittlung der statischen hydrodynamischen Koeffizienten (lediglich abhängig von Driftwinkel und Drehrate). Effekte von Sloshing bei Tankern, Gewässerströmung und Maschinendynamik werden mittels vereinfachter Modelle (Regression) berücksichtigt. Gemischte Terme und Terme höherer Ordnung werden nicht berücksichtigt. Die höchste Stufe des mathematischen Modells berücksichtigt Terme (einzeln und gemischt) bis zur fünften Ordnung. Die o. g. physikalischen Effekte (Sloshing, Gewässerströmung, etc.) werden durch zusätzliche Terme auf der rechten Seite der Bewegungsgleichungen modelliert, die direkt berechnet (CFD) und gemessen werden. Durch das mehrstufige Modell kann der Aufwand für die Ermittlung der hydrodynamischen Koeffizienten an die geforderte Genauigkeit angepasst werden.
Abbildung 1 - Binnenschiffsführungssimulator ANS 6000
Veröffentlichungen
- Abkowitz, M. A. (1964).
Lectures on Ship Hydrodynamics – Steering and Manoeuvrability.
Hydroog Aerodynamisk Laboratorium Report No. Hy-5. Lyngby. Danemark - Bundesanstalt für Wasserbau. (2021). Binnenschiffsführungssimulator ANS6000.