Konstruktion und Belastungsanalyse des Prototyps eines Leichtbau-Lukendeckels
Frances Preisinger, Universität Rostock
Die Leichtbauweise wird im Schiffbau und der maritimen Branche, durch Minimieren des Materialaufwandes oder Einsetzen neuer Materialien, seit mehreren Jahren immer mehr integriert. Nicht nur Ein- und Ausrüstungskomponenten, sondern auch tragende Strukturen werden mittlerweile aus Verbundmaterialien konstruiert. Diese Verbundwerkstoffe sind Materialkombinationen, bei denen günstige Eigenschaften so kombiniert werden, dass hohe Festigkeitswerte bei geringem Gewicht entstehen. Durch den Einsatz von Verbundmaterialien, also auch durch den Austausch von Stahlkomponenten durch Composite-Leichtbauelemente, können beachtliche Gewichtsreduzierungen erreicht werden, die wiederum den relativen Schadstoffausstoß durch Schiffsabgase minimieren. Das geringere Gewicht führt zu einem geringeren Brennstoffverbrauch bei gleicher Beladung, oder zu einem gleichen Verbrauch bei höherer Beladung des Schiffes. Im Allgemein sinken die Transportkosten in Bezug auf die Ladungsmenge.
Um den Einsatz von Leichtbauweisen im Schiffbau voran zu treiben wurde in der Studienarbeit (Entwicklung eines First-Initial-Designs zur Anwendung von Leichtbauweisen im Bereich maritimer Konstruktionen – Frances Preisinger, Studienarbeit, Universität Rostock, Sep. 2018), die dieser Arbeit zu Grunde liegt, ein Konzeptdesign eines Leichtbau-Lukendeckels für Bulker entwickelt. Dieser modulare Leichtbau-Lukendeckel ist eine Hybridkonstruktion aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, Balsaholz und Stahl. Er setzt sich aus einzelnen wiederkehrenden Faserverbund-Bauteilen zusammen, die durch Bolzen miteinander verbunden und von einem Stahlrahmen umrandet werden. Die vorläufige Auslegung basiert auf den Richtlinien des DNVGL. So wurde der Leichtbau-Lukendeckel zunächst nur auf eine festgelegte Drucklast über numerische Berechnungen ausgelegt.
Fehlende Richtlinien für Verbundmaterialien in tragenden Strukturen gestalten eine rechnerische Auslegung der Lukendeckel jedoch schwierig. Da sich alternativ zur numerischen Berechnung die experimentelle Spannungs- und Verformungsanalyse anbietet, führt dies oft zu experimentellen Genehmigungsverfahren, um die Sicherheit der Materialien zu verifizieren. So müssen auch für den Lukendeckel aus Composite-Werkstoff Modellversuche zur Verhaltensanalyse durchgeführt werden, da die Finite-Elemente-Berechnung besonders bei nichtlinearen Zusammenhängen ungenaue Ergebnisse für die Belastungs- und Verformungsuntersuchung liefert.
Das Ziel der Arbeit ist die Schaffung der Grundlagen für eine Belastungs- und Verformungsuntersuchung an einem Prüfmodell des Leichtbau-Lukendeckels. In einem experimentellen Versuch wird dann der Lukendeckel auf unterschiedliche Belastungen analysiert. Da bei Bauteilen mit unterschiedlichen Größen und komplizierten Geometrien die Belastungen stark variieren, muss diesem Experiment eine Finite-Elemente-Berechnung zu Grunde liegen, um den Versuchsaufbau (Position der Messsensoren) entsprechend anzupassen. Die Ergebnisse aus dem Modellversuch können so wiederum zur Validierung des Finite-Elemente-Modells verwendet werden und um die Belastungswerte auf die Hauptausführung zurückzuführen. Durch die einfache Umsetzung, den geringeren Aufwand und Kosten ist der Modellversuch eine gute Alternative zu der Untersuchung am Original-Lukendeckel. In dieser Arbeit werden die für den Versuch benötigten Komponenten, wie z.B. der Lukendeckel in Modellgröße, die Lagerung und Krafteinleitungskonstruktionen entwickelt und eine Finite-Elemente-Berechnung des Lukendeckels in Modellgröße durchgeführt. Mit dieser Arbeit entstehen nur die Grundlagen zur Durchführung numerischer und experimentellere Belastungsanalysen und deren Vergleich, der eigentliche Modellversuch ist nicht Teil dieser Arbeit.
Zum Erreichen des Ziels wird zunächst mit dem Prinzip der physikalischen Ähnlichkeit das 3D-Modell des Leichtbau-Lukendeckels auf eine angebrachte Modellgröße skaliert, wobei das Originalmodell bereits in der oben genannten Studienarbeit ausgearbeitet wurde. Anschließend wird für die numerische Belastungsanalyse ein Finite-Elemente-Modell des skalierten verkleinerten Modell-Lukendeckels erstellt und mit unterschiedlichen Belastungsarten, wie mit konstanter Flächenlast, Biegung und Torsion, berechnet. Diese Berechnungen dienen der Auslegung der Komponenten für den Modellversuch, also für die Lager und die Krafteinleitungskonstruktionen bei der Druck-, Biege- und Torsionsbelastungen.
Structural Design and Analysis of a Prototype Light Weight Hatch Cover
Frances Preisinger, Universität Rostock
