Untersuchungen der Wellenausrichtung von Schiffen unter veränderlichen Randbedingungen
Jonas Musil, Universität Rostock
Die Belastungen und Dimensionen einer Wellenanlage als Teil der Antriebsanlage von Schiffen machen eine Ausrichtungsberechnung erforderlich, um eine homogene Verteilung der Lasten auf die unterschiedlichen Wellenlager gewährleisten zu können. Zur Aufnahme der hohen Kräfte und Momente des Propellers wird die Propellerwelle durch ein langes Stevenrohrlager gelagert, welches an die Biegelinie der Welle angepasst werden muss. Für Schiffe mit unkonventionellen Rumpfformen und bei einem Einsatzprofil, in dem häufige Manöver mit hohen Zusatzlasten erwartet werden, reicht eine konventionelle Ausrichtungsberechnung, in der das Lager durch einzelne Stützpunkte substituiert wird, nicht aus. In diesem Fall ist eine detaillierte Betrachtung der Kontaktreaktionen in den Stevenrohrlagern erforderlich, welche auch durch Klassifikationsvorschriften verlangt wird.
Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem eine Simulation der Kontaktreaktionen in den Stevenrohrlagern mit Hilfe der Simulationsumgebung Ansys Workbench möglich ist. Dabei wurden die in der Literatur bisher nicht erörterten Aspekte zu erforderlichen Einstellungen und Parametern erarbeitet, sodass nachvollziehbare und reproduzierbare Simulationsergebnisse ermittelt werden können.
Zur Erarbeitung des Simulationsverfahrens wurde eine bestehende Wellenanlage gewählt, für die eine analytische Ausrichtungsberechnung vorliegt. Diese diente zur Verifikation des erstellten FE-Modells. Für die Modellbildung der Wellenanlage wurden primär Balkenelemente verwendet, um die Komplexität gering zu halten und die Rechenzeiten zu verringern. Zur Kontaktmodellierung im Bereich der Propellerwelle kamen Volumenelemente zum Einsatz. Die Stevenrohrlager wurden dreidimensional modelliert. Alle anderen Wellenlager wurden als einfache, starre Lagerpunkte ausgeführt. Zur Lösung der nichtlinearen numerischen Berechnung ist insbesondere die Netzqualität im Kontaktbereich der Stevenrohrlager von hoher Relevanz. Hierbei müssen die Netze von Welle und Lager sowohl im Umfang als auch entlang der Länge des Lagers übereinstimmen. Dies konnte durch eine Teilung der Volumenkörper und die Definition der Parameter zur Elementierung erreicht werden. Der veränderliche Kontakt in den Stevenrohrlagern wurde im Wesentlichen über die Auswahl und Definition der folgenden Parameter modelliert: Der Typ des Kontaktalgorithmus, die Kontaktsteifigkeit, die Durchdringungstoleranz und die Detektion der benötigten Punkte für die Herstellung des Kontakts. Um eine Kräftekonvergenz während der numerischen Berechnung zu erzielen, wurden geeignete Lastschritte ausgewählt, die eine iterative Berechnung ermöglichen. Nach einer Netzkonvergenzanalyse zur Auswahl einer geeigneten Elementgröße im Kontaktbereich wurden verschiedene Betriebszustände mit dem FE-Modell der Wellenanlage simuliert. Anhand dieser konnte die Funktionsfähigkeit des Simulationsverfahrens bewertet werden.
Das erarbeitete Simulationsverfahren ermöglicht eine eingehende Bewertung der Belastungen des Stevenrohrlagers im Schiffsbetrieb. In der Auswertung der Ergebnisse zeigen sich bei der FEM-Simulation nur geringe Abweichungen zu der analytischen Lösung, welche mit den unterschiedlichen Annahmen und Vereinfachungen der verschiedenen Berechnungsmethoden begründet werden können. Durch die Kontaktsimulation in den dreidimensional modellierten Stevenrohrlagern kann im Gegensatz zu der analytischen Wellenausrichtungsberechnung zudem die Lösungsgrößenverteilung in den Lagerschalen detailliert betrachtet werden. Herausforderungen bei der Ergebnisanalyse bestehen aus den auftretenden Singularitäten an den Lagerenden und Übergängen zwischen verschiedenen Lagerneigungen. Weiterhin sind Sprünge in der Ergebnisverteilung an den Teilungskanten der Volumenkörper erkennbar, welche auf eine unzureichende Netzfeinheit und die komplexe Kontaktsituation in diesen Bereichen zurückgeführt werden können. Der Einfluss dieser Unstetigkeiten auf die Lösungsgrößenverteilung lässt sich in zukünftigen Ausrichtungsberechnungen durch eine Reduzierung der Elementgröße im Lagerbereich verringern.
