Mehrkörpersimulations-basierte Körperschallprognose für Großmotoren an Bord von Schiffen
Dipl.-Ing. Carsten Rickert, Matthias Donderer M. Sc., Dr.-Ing. Ulf Waldenmaier, Prof. Dr.-Ing. Jochen Neher, MAN Energy Solutions SE, Augsburg; Prof. DSc. (Tech.) Sören Ehlers, TUHH
Die Vorhersage von Unterwasserschall (URN) von Schiffen ist ein herausforderndes Problem, welches die Bewertung verschiedener Lärmquellen, komplexer Lärmübertragungspfade und Abstrahlungsmechanismen umfasst.
Trotz der zur Verfügung stehenden Rechenleistung, z.B. in Bezug auf Hochleistungsrechenumgebungen, und moderner numerischer Methoden ist die Genauigkeit aktueller Prognoseverfahren nicht zufriedenstellend. Dies führt zu einer kostspieligen Validierung mittels Messungen, welche erst in einem späten Projektstadium durchgeführt werden können. Änderungen im Design sind dann kaum noch umsetzbar.
Neben Propellerlärm sind die Antriebsmotoren eine der dominierenden Quellen für URN. In den letzten Jahrzehnten wurden aufgrund der Komplexität des Problems analytische Methoden zur Vorhersage von Körperschall (SBN) und URN entwickelt, die typischerweise Schwingungsmessungen eines Verbrennungsmotors als Anregungsquelle und Schiffsfundament-Impedanzen - gemessen oder berechnet - zur Modellierung des Schwingungsverhaltens der Schiffsstruktur verwenden. Vergleiche zwischen Vorhersagen und Messungen von realen Schiffen zeigen jedoch, dass diese Methoden ungenau sind und mit hohen Unsicherheiten einhergehen, insbesondere für die Vorhersage von niederfrequentem Schall bis 300 Hz.
Um die Genauigkeit der Vorhersage niederfrequenter Geräusche zu verbessern, wurde ein Mehrkörpersimulationsmodell (MKS) für einen Großmotor unter Verwendung elastischer Finite-Element-Modellen (FE) und einem CMS-Algorithmus (Component Mode Synthesis) erstellt. Als Referenz kommt ein MAN 12V48/60CR Motor zum Einsatz. Das Modell wird verwendet um das Schwingungsverhalten des Motors detailliert zu analysieren, wodurch die meisten Annahmen, die in analytischen Methoden getroffen werden, entfallen können. Des Weiteren wurde ein generisches Modell einer Doppelbodenstruktur für ein Schiffsmotorfundament entwickelt. Das Modell ist für eine realistische Darstellung der relevanten strukturellen und dynamischen Eigenschaften ausgelegt.
In einem kombinierten MKS-Modell wird der Motor zusammen mit der Schiffsstruktur und der elastischen Lagerung simuliert und die Ergebnisse hinsichtlich der Körperschall-Prognose bewertet. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf niedrigen Schwingungsfrequenzen (<100Hz). Um den MKS-basierten Ansatz zu evaluieren, werden die Ergebnisse mit analytischen Methoden verglichen und aufgezeigt, an welchen Stellen Abweichungen in der Prognose entstehen. Eine detaillierte Analyse zeigt, wie sich die Annahmen und Restriktionen die in der messbasierten Prognose auftreten auf das Vorhersageergebnis auswirken. Darauf aufbauend kann eingeschätzt werden wie die MKS-Methode zukünftig eingesetzt werden kann, um die Qualität von Körperschallvorhersagen zu verbessern.
Evaluation of Multibody Simulation-based SBN Prognosis for Large-bore Engines aboard Ships
The prediction of underwater-radiated noise (URN) from vessels is a challenging task comprising the assessment of various noise sources, uncertain noise transmission paths and complex radiation mechanisms.
Despite of the available computing power, e.g. in terms of high-performance computing environments, and modern numerical methods the accuracy of current prognosis methods is not satisfying. This leads to a need for costly validation by measurements, which can be carried out at a late project stage only. Changes in the design are then hardly feasible.
Apart from propeller noise, one of the dominant sources of URN are propulsion main engines. During the last decades, due to the complexity of the problem, analytical methods for the prediction of structure-borne noise (SBN) and URN were developed, which typically use vibration measurements from a combustion engine as excitation source and foundation impedance measurements or simulated values for the modeling of the ship structure’s vibration behavior. However, comparisons between predictions and measurements from real ships show that those methods are inaccurate and come along with high uncertainties especially for the prediction of low-frequency radiated noise of up to 300 Hz.
To improve the accuracy of low-frequent noise prediction, a multibody simulation (MBS) model for a large-bore internal combustion engine is build up using elastic finite element (FE) models and a component mode synthesis (CMS) algorithm. As reference, a MAN 12V48/60CR engine is used. The model is used to analyze the engine’s vibration behavior in a detailed way, eliminating the need for most assumptions that are made in analytical methods. Further, a generic model of a double-hull structure for a ship engine foundation is developed. The model is optimized in order to give a realistic representation of relevant structural and dynamic properties.
In a combined MBS model, we simulate the engine together with the ship structure and the resilient mounting and evaluate the results regarding SBN prognosis. Special focus is set on low vibration frequencies (<100Hz) and the effects that take place there. To evaluate the MBS-based approach we compare the results to analytical methods and point out where deviations in the prognosis originate. We present a detailed analysis on how the assumptions and restrictions that occur in measurement-based prognosis affect the prediction outcome. Finally, a conclusion is given how the MBS method can be used to enhance the quality of SBN predictions.
