Numerisches Werkzeug zur Prognose der vibroakustischen Eigenschaften von Schiffen

Effiziente Vorhersage in der Entwurfsphase: Simulation, Akustik, Schwingungstechnik

Die Prognose der vibroakustischen Eigenschaften von Schiffsentwürfen ist ein wichtiger Aspekt zur Sicherung der zunehmenden Anforderung an Arbeitsbedingungen und an Komfort im Schiffbau. Ein neu entwickeltes Simulationswerkzeug unterstützt Werften bei der Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte sowie der Bewertung möglicher Maßnahmen zur Lärmreduktion bereits im Entwicklungsprozess. An Bord entstehen Lärm und Vibrationen aufgrund unterschiedlichster Schallerreger, wobei die Beschreibung der dominanten Körperschallquellen die Prognosegenauigkeit maßgeblich beeinflusst. Wissenschaftler des Fraunhofer LBF entwickelten Verfahren zur Berechnung der Schallerregung durch Komponenten im Antriebsstrang.

Skalierter Antriebsstrangversuchsstand zur Validierung der Simulationsergebnisse
Prinzipskizze einer Hauptantriebsmaschine
Gemessene und simulierte Beschleunigungen an einem Motorlager

Frühzeitige Prognose von Schwingungen auf Schiffen

Werften stellen überwiegend Unikate her, weshalb ihnen die Möglichkeit fehlt, ihre Produkte an physikalischen Prototypen zu verfeinern. Eine frühzeitige und effiziente rechnergestützte Vorhersage des vibroakustischen Verhaltens von Schiffsentwürfen kann daher helfen akustische Auffälligkeiten zu identifizieren, das Schiffsdesign zu optimieren und kostspielige Nacharbeit im Anschluss an Probefahrten zu vermeiden.

Am Fraunhofer LBF wurde ein methodisches Vorgehen basierend auf parametrischer, modularer und hierarchischer Modellbildung entwickelt. Der Fokus lag auf der einfachen Austauschbarkeit sowie einer schnellen und unkomplizierten Initialisierung der einzelnen Teilmodelle. Durch den gewählten Ansatz kann das Gesamtmodell während des vollständigen Entwurfsprozess verwendet werden, da die zunächst sehr einfachen Teilmodelle im Laufe des Entwurfs durch detailliertere Beschreibungen ersetzt oder Machbarkeitsuntersuchung unter Verwendung von unterschiedlicher Komponenten durchgeführt werden können. Weiterhin ist es möglich durch Parametervariationen den Einfluss sensitiver Parameter einer Komponente zu bestimmen.

Parametrische Modelle und effiziente Simulation

Um die Übertragung von Geräuschen und Vibrationen in die Schiffsstrukturen zu simulieren, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF die relevanten Körperschallquellen numerisch modelliert. Als Anwendungsbeispiele wurden Hauptmaschinen und Pumpen untersucht, Modelle aufgebaut und mit Messdaten validiert.

Der vorgeschlagene Simulationsansatz wurde an einen skalierten Drehschwingungsversuchsstand, welcher aus einem Verbrennungsmotor, einem Rotor und einer Wirbelstrombremse aufgebaut ist, überprüft. Es wurden hinsichtlich der Quellmodellierung umfangreiche Vergleichsmessungen zur Kalibrierung der Antriebsstrang-Modelle durchgeführt. Daraufhin wurde ein numerisches Modell für den Verbrennungsmotor entwickelt und stationäre Betriebsbedingungen sowie transiente Ereignisse wie beispielsweise Zündaussetzer und Hochläufe des Motors auf Systemebene mit Matlab/Simulink simuliert.

Einfach Nutzung durch kundenspezifischen Software-Werkzeugkasten

Die vorgestellten numerischen Modelle sind Teil eines aktuell entwickelten Software-Werkzeugkastens zur effizienten Vorhersage des vibroakustischen Verhaltens eines Schiffes. Eines der Ziele dieses Werkzeugkastens ist die Identifikation der akustischen Anregungsmechanismen in einer frühen Entwurfsphase und auch parallel im Entwicklungsprozess. Durch den modularen Aufbau der numerischen Modelle ist es einfach möglich, einzelne Teilmodelle auszutauschen, um die Wirkung geeigneter Maßnahmen zur Reduktion von Schwingungen und Schall zu bewerten und abzuleiten. Darüber hinaus werden die Methoden am Fraunhofer LBF weiterentwickelt, wodurch sie sich in Zukunft auf Anwendungen über den Schiffbau hinaus eignen werden.

Projektpartner und Förderung:

BMWi, Förderkennzeichen 03SX305, Partner: Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik SAM der Technischen Universität Darmstadt, Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG, Fr. Lürssen Werft GmbH & Co., Novicos GmbH, Technische Universität Berlin, Technische Universität Hamburg-Harburg, Howaldtswerke-Deutsche-Werft GmbH und TKMS Blohm + Voss Nordseewerke GmbH