Jakob Rzeszutko, Universität Duisburg Essen
Unter Slamming wird ein Einschlag eines beliebigen Körpers auf das Wasser verstanden. Lasten, die durch das Slamming induziert werden, treten unter anderem bei Schiffen, beispielsweise infolge einer Stampfbewegung auf, und stellen ein wichtiges Kriterium zur Strukturauslegung dar.
Im Bereich der Schiffs- und Meerestechnik ist das Phänomen „Slamming“ noch nicht vollständig erforscht. Insbesondere Slamming-Lasten auf Körper mit kleinen Aufkimmwinkeln sind Gegenstand aktueller Forschungen. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden durch die Untersuchungen von von Kármán (1929) und Wagner (1932) erstmals analytische Abschätzungen für Slamming-Lasten entwickelt.
Mit einfachen geometrischen Annahmen sind mit den heutigen Methoden bereits numerische Berechnungen mittels numerischer Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD)
möglich. Im Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme (ISMT) der Universität Duisburg-Essen steht eine Versuchsanlage, die experimentelle Untersuchungen von Slamming-Lasten ermöglicht. Im Gegensatz zu numerischen Berechnungen, treten bei experimentellen Untersuchungen häufig Abweichungen zwischen einzelnen Versuchen auf.
Meine Arbeit handelt von der Untersuchung der Wiederholbarkeit von Slamming-Lasten auf Versuchskörper mit kleinem Aufkimmwinkeln.
Dafür wurden zwei achsensymmetrische starre Körper mit kleinen Aufkimmwinkeln β von 0°und 5° (Neigung eines Körpers zur ebenen Wasseroberfläche) verwendet und vollautomatisiert mehrere Versuchsreihen mit unterschiedlichen Parametern gefahren. Damit Versuche gut wiederholbar sind, ist es notwendig, möglichst gleiche Randbedingungen zu schaffen.
Dazu gehört eine trockene, zumindest tropfenfreie, Oberfläche des Versuchskörpers sowie eine ruhige (ebene) Wasseroberfläche vor Beginn einer Wiederholung. Für die Trocknung der Versuchskörperoberfläche wurde eine automatisierte Trocknungsanlage entwickelt und installiert.
Parallel zum Trocknungsprozess stellte sich eine ruhige Wasseroberfläche ein, dies heißt, die Wellen im Versuchsbecken sind abgeklungen. Dafür wurden Versuchsreihen mit bis zu 150 Wiederholungen bei gleicher Messdauer, Einschlagsgeschwindigkeit, Beschleunigung, und gleichem Verfahrweg des Versuchskörpers gefahren. Während einer Wiederholung wurden der Verfahrweg, die Beschleunigung, die Gesamtkraft auf den Versuchskörper sowie Drücke an mehreren Stellen der Versuchskörperunterseite gemessen.
Die Versuche sind, wie bereits erwähnt, mit einer hohen Wiederholungsanzahl pro Versuchsreihe durchgeführt worden, um eine ausreichende Datenmenge, zur Untersuchung der Wiederholbarkeit, zu generieren. In der Literatur hat eine derartige Versuchsreihe in dieser Form bisher nicht stattgefunden. Bekannt ist, dass Druckpeaks bei zu geringen Abtastraten nicht vollständig erfasst werden, weshalb für die Versuche eine hohe Abtastrate von 192 kHz gewählt wurde.
Mit statischen Methoden, wie der Mittelwertanalyse, Standardabweichung, dem Variationskoeffizienten sowie einer ANOVA (Analysis of variance), wurde die Wiederholbarkeit der Slamming-Lasten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Messwerte vom Versuchsaufbau eine Streuung aufweisen, diese aber so klein ist, dass auf eine gute Gesamtwiederholbarkeit geschlossen werden kann.
Weitere Auswertungen der Daten, z.B. mit einer künstlichen Reduzierung der Messfrequenz und der Wiederholungsanzahl, zeigten, dass mit hohen Abtastraten und einer höheren Anzahl an Wiederholungen die Lasten präziser ermittelt werden können, während bei niedrigen Abtastraten (32,4 kHz, 96 kHz) und niedriger Wiederholungsanzahl (30, 50, 100) die Druck-Peaks unterschätzt werden.
Des Weiteren wurde die Art der statistischen Verteilung der gemessenen Lasten analysiert. Aus vorherigen Versuchsreihen für verschiedene Körper mit jeweils 30 Wiederholungen, die im Rahmen von Abschlussarbeiten durchgeführt wurden, zeigte sich, dass die zuvor angenommene Gaußsche Normalverteilung nicht vorliegt. Dies wurde mit den genannten statischen Methoden einem Verteilungstest quantifiziert.
Die Arbeit hat gezeigt, dass die Versuchs- und Messanlage am ISMT mit der automatisierten Trocknung sehr gute Ergebnisse in Hinblick auf die Wiederholbarkeit für Slamming-Versuche von Körpern mit kleinen Aufkimmwinkeln liefert.