Die festgelegten Grenzwerte durch die Neuregelung des internationalen Regelwerks ,Code on Noise Levels on Board Ships‘ haben durch die International Maritime Organization (IMO) nicht mehr nur empfehlenden Charakter, sondern gelten für Neubauten mit Fertigungsbeginn ab Juli 2014 rechtsverbindlich. Beispielsweise sind nun im Kabinenbereich Schallpegel-Obergrenzen von 55 dB definiert, was einer Reduktion um 5 dB gegenüber der Empfehlung aus dem Jahre 1984 entspricht. Zudem folgen Eigentümer und Werften dem Trend und setzen niedrige Grenzwerte für Lärm und Vibrationen an, die während des Schiffsbetriebes zu beachteten sind. Gleichzeitig führt der forcierte Leichtbau in Kombination mit den hohen Leistungen der Hauptantriebsmotoren zu Schwingungen mit negativen Auswirkungen auf die Sicherheit und den Komfort an Bord.

Jedes Schiff eine Maß­anfertigung

Für Werften sind ihre schwimmenden Produkte wie etwa Yachten überwiegend Unikate, andere wie Container- und Kreuzfahrtschiffe laufen mitunter auch baugleich in geringen Stückzahlen vom Stapel. Daher fehlt ihnen die Möglichkeit, Planungen anhand von Prototypen zu verfeinern. Darüber hinaus sind die Entwicklungszyklen vergleichsweise kurz. Soll ein geplantes Schiff über möglichst gute akustische Eigenschaften verfügen, das heißt eine Lärmbelästigung durch die Vielzahl infrage kommender Lärmquellen effizient vermieden werden, benötigen die Entwickler möglichst frühzeitig akustische Prognosen. In dieser Situation kann eine effiziente Vorhersage des vibro-akustischen Verhaltens von Schiffen helfen, Auffälligkeiten zu identifizieren, das Schiffsdesign zu optimieren und kostspielige Nacharbeit im Anschluss an Probefahrten zu vermeiden.

Der Weg zum akustisch optimierten Schiff

Ein Konsortium mit dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF hat ein Prog­nosewerkzeug in dem Projekt EPES „Effiziente Prognose der vibro-akustischen Eigenschaften in der Schiffsentwurfsphase“ entwickelt. Im Rahmen des Projektes haben die Forscher die Quellen der Anregung, beispielsweise den Hauptmotor oder Pumpen, numerisch modelliert, um die Übertragung von Geräuschen und Vibrationen in die Schiffsstrukturen zu simulieren.
An Bord eines Schiffes sind Verbrennungsmotoren relevante Quellen des

Körperschalls, die Schwingungen als Folge des Verbrennungsprozesses in den Rumpf einleiten. Die Hauptma­schine leitet Anregungskräfte in das Fundament und Drehmomente in den Antriebsstrang ein. Die daraus resultierenden Drehschwingungen wiederum induzieren Körperschall in Getriebe, Kupplung und anderen Teilen des Antriebsstrangs.

Struktur- und Anregungsmodell

Das modular aufgebaute Gesamt­modell besteht aus Struktur- und An­regungsmodellen und beschreibt die Anregungen durch die Aggregatlager in das Schiffsfundament und die Tor­sionsschwingungen im Antriebsstrang. Dabei wird das Strukturmodell des ­Antriebsstrangs als n-Massen-Torsionsschwinger und die Hauptmaschine als Starrkörper mit sechs Freiheits­graden abgebildet. Die Eigenschaften der Aggregatlager wurden mittels idealer Feder-Dämpfer-Elemente nachgebildet. Zusätzlich zur Strukturdämpfung im Antriebsstrang fand auch die durch den Propeller eingeleitete Dämpfung Berücksichtigung. Das ­Anregungsmodell zur Berechnung der dynamischen Kräfte am Kurbeltrieb basiert auf dem Tangentialdruck­verlauf eines als repräsentativ angenommenen Zylinders.

Der Drehschwingungsversuchsstand: Der Aufbau – bestehend aus Verbrennungs­motor, Rotor und Wirbelstrombremse – dient der Überprüfung der simulierten Werte.

© Fraunhofer LBF

Durch harmonische Analyse werden gemessene Druckverläufe in Sinusschwingungen zerlegt und die Koeffizienten einer Fourierreihe bestimmt. Mithilfe dieser Daten werden Polynome berechnet, welche die aus Messwerten abgeleiteten Koeffizienten interpolieren. Somit lässt sich der tangentiale Zylinderdruck in Abhängigkeit von einer beliebig vorgegebenen Drehzahl oder von einem Drehwinkel berechnen. Durch Vorgabe der Anfangswinkel werden der Zündzeitpunkt und die Zündfolge berücksichtigt. Für die Propelleranregung wurde ein ähnliches Vorgehen gewählt. Die resultierenden Anregungsmomente sind abhängig von der Anzahl der Propellerblätter und vom statischen Antriebsmoment.

Zur Berechnung der dynamischen Aggregatlagerkräfte ist es notwendig, Werte bezüglich des Fundaments, die Massenträgheitsmomente der Hauptmaschine sowie die Positionen der Lager zu kennen. Diese Werte können, sofern sie Werften oder Motorenherstellern nicht zur Verfügung stellen, auch mit experimentellen Methoden bestimmt werden. Die Anregung des Motorblocks erfolgt über die sogenannten freien Momente um die Längsachse des Motors. Das Berechnungsmodell des Motorblocks ist auf die Starrkörperschwingungen beschränkt. Für Kühlwasserpumpen wurden Anregungskräfte aus Betriebsmessungen bestimmt. Hierzu wurden lokale Beschleunigungen an ­einer Reihe von Messpunkten auf einem Versuchsstand bestimmt und auf Starrkörperbewegungen zurückgeführt. Durch Isolation der Effekte aus Einbausituation und Starrkörpereigenschaften kann hieraus ein Anregungsmodell gewonnen werden, welches auf die Einbausituation im Schiff übertragbar ist.

Um den vorgeschlagenen Simulationsansatz zu überprüfen, nutzten die Wissenschaftler einen Drehschwingungs-Versuchsstand. Hinsichtlich der Quellmodellierung wurden umfangreiche Vergleichsmessungen zur Kalibrierung der Antriebsstrang-Modelle auf diesem skalierten Versuchsstand des Fraunhofer LBF durchgeführt. Daraufhin entwickelten die Projektteilnehmer ein numerisches Modell für einen Zweizylinder-V-Motor und simulierten stationäre Betriebsbedingungen sowie transiente Ereignisse wie beispielsweise Zündaussetzer und Hochläufe des Motors auf Systemebene mit Matlab/Simulink.

Evaluation durch Vergleich

Abschließend evaluieren die Forscher die Genauigkeit des Modells durch den Vergleich numerischer und ex­perimenteller Versuchsdaten. Das Ergebnis zeigt, dass die vorgeschlagenen Methoden verwendet werden können, um die Anregungskräfte und Beschleunigungen in das Motorfundament ­vorherzusagen. In der Zukunft wird sich das entwickelte Modell für ­akustische Optimierungen von Schiffen eignen.

Die Geräuschentwicklung: simulierte und am Prüfstand gemessene Daten des Antriebsstranges.

© Fraunhofer LBF

Das von den Darmstädter Wissenschaftlern vorgestellte numerische Modell ist Teil eines aktuell entwickelten Software-Werkzeugkastens zur effizienten Vorhersage des vibro-akustischen 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 außerdem möglich, einzelne Teilmodelle aus­zutauschen, um dadurch die Wirkung geeigneter Maßnahmen zur Reduktion von Schwingungen und Schall zu bewerten und abzuleiten. Aktuell stehen den Werften die entwickelten Methoden zur Beschreibung der Körperschallquellen in einer proto­typischen Implementierung zur Verfügung. Darüber hinaus werden diese am Fraunhofer LBF weiterentwickelt, wodurch sie sich in Zukunft auf Anwendungen über den Schiffbau hinaus eignen.

Das Projekt EPES ist für das Fraunhofer LBF ein weiterer Schritt zur ganzheitlichen Analyse und Bewertung von mechanischen Systemen. Zum vibro-akustischen Leistungsangebot des Instituts gehören experimentelle und numerische Analysen sowie die Auslegung schwingungstechnischer Maßnahmen. Die Systemanalyse beginnt mit experimentellen strukturdynamischen Methoden vor Ort oder im Labor unter definierten Umgebungsbedingungen. Ergänzend werden ganzheitliche numerische Ansätze zur Modellbildung, Simulation, Analyse und Optimierung passiver und aktiver Strukturen verfolgt. Daraus leiten die Darmstädter Wissenschaftler Maßnahmen für die passive, semiaktive oder aktive Verbesserung bezüglich des vibro-akustischen Strukturverhaltens ab und verifizieren und bewerten diese durch Nachweisversuche.

Autoren: Christoph Tamm ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik des Fraunhofer LBF und Georg Stoll ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik des Fraunhofer LBF.