Vibrationen schädigen Schiffe
Technik

Dieselmotoren in Schiffen

Alle Vibrationen von Bord!

Motorvibrationen stören nicht nur, sie können auch wichtige Bauteile schädigen. Adaptronische Systeme sollen diese unerwünschten Schwingungen wirksam reduzieren.

11. Januar 2017

Wenn das Fährschiff „Color Magic“ die Kieler Förde Richtung Oslo verlässt, wummern im Maschinenraum vier Dieselmotoren mit einer Gesamtleistung von knapp 32 Megawatt oder rund 43 000 PS. Die gewaltigen Antriebskräfte bringen jetzt alles an Bord zum Schwingen: vom Antriebsstrang über die Treppen und Stufen, bis hinauf zum Sonnendeck. Dort zittert dann kaum spürbar eine hölzerne Sonnenliege. Andere wichtigere Bauteile des Schiffes können unter dieser Dauerlast langfristig Schaden nehmen.

„Das ist ein massives Problem“, erklärt Heiko Atzrodt, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Denn die Vibrationen stören nicht nur den Reisekomfort, sondern sie schädigen auch wichtige Bauteile des Schiffes. Abhilfe schaffen hier so genannte adaptronische Systeme: Sie können die unerwünschten Schwingungen spürbar reduzieren. Adaptronik ist ein Kunstwort zusammengesetzt aus adaptiv und Elektronik; eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau selbstanpassender (adaptiver) und aktiv reagierender mechanischer Struktursysteme beschäftigt.

Virtuelle Prototypen ohne Stapellauf

Um das komplexe Schwingungsverhalten der Schiffsaufbauten schon während der Konstruktionsphase am Rechner zu erkennen, hat das LBF nun eine Simulationssoftware zur Auslegung und Analyse von adaptronischen Maßnahmen zur Schwingungsminderung entwickelt. „Bislang existierte für derartige Systeme kein durchgängiger Entwicklungsprozess, sondern nur Insellösungen für einzelne Problemfälle“, konstatiert LBF-Forscher Atzrodt.

Mithilfe der neuen Fraunhofer-Software lassen sich sowohl passive wie auch aktive adaptronische Systeme zur Schwingungsminderung am Computer simulieren. Mit der neuen Toolbox sparen die Schiffbauer Zeit und Kosten für den Bau teurer Prototypen. Die Systeme können gleich von Anfang an optimal ausgelegt werden. Die virtuelle Simulationsumgebung ist nicht nur auf die Schifffahrt beschränkt, sondern sie kann überall dort eingesetzt werden, wo Schwingungen entstehen und stören.

Das Fraunhofer Simulationswerkzeug „AdaptroSim“ verarbeitet für seine Berechnungen die Informationen aus den Daten der so genannten Finite-Elemente-Methode (FEM), einer weitverbreiteten numerischen Lösungsmethode im Bereich wissenschaftlich technischer Aufgabenstellungen. Mit der FEM können physikalische Vorgänge – beispielsweise Kraftwirkungen auf deformierbare Festkörper – simuliert werden, deren Verlauf sich nicht oder nur sehr aufwendig mit anderen Mitteln bestimmen lässt.

Passive Schwingungsreduzierung

Eine Hauptquelle aller Bordschwingungen sind die Motoren im Maschinenraum mit ihren wuchtigen Antriebssträngen. Dort sind große Massen im Schwingungsspiel. Dagegen setzt man häufig so genannte passive Maßnahmen ein. Sie sind deutlich preisgünstiger als aktive Maßnahmen und nicht so aufwendig in der Entwicklung und Umsetzung. Dies können Lagerelemente oder zusätzliche Strukturen sein, die durch ihr Verhalten die Schwingungen an Bord reduzieren, indem sie die Übertragungspfade modifizieren. Dämpfungselemente aus Gummi zum Beispiel, nehmen die Schwingungsenergie auf, deformieren sich unter der Krafteinwirkung und wandeln diese Energieanteile auch in Wärme um.

Durch Tilger-Elemente, werden der schwingenden Struktur, ein zusätzliches schwingfähiges System hinzugefügt, welches auf die ursprünglichen Schwingungen dämpfend wirkt. Problematisch ist es immer nur dann, wenn die Drehzahl oder die Schwingungsfrequenz sich ändert. Dann sind solche passiven Systeme nicht mehr in der Lage, sich wieder optimal auf die neuen Gegebenheiten einzustellen. „Passiven Maßnahmen sind gerade für mobile Anwendungen Grenzen gesetzt, da sie hier nicht beliebig groß und schwer werden dürfen“, erklärt Atzrodt.

Aktive Schwingungsreduzierung

Dann kommen adaptronische Systeme ins Spiel. Diese Systeme wandeln zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie um und wirken so aktiv den Schwingungen entgegen. Dadurch sind sie trotz zum Teil geringerem Gewicht oder geringerer Größe leistungsfähiger als die passiven Maßnahmen. Mit möglichst wenig Energie und geringem Materialeinsatz passen sich die adaptronischen Systeme dem Betrieb an und verringern Störungen aus der Umgebung. Eine aktive Struktur kann sich selbständig regulieren und sich so optimal den aktuellen Schwingungsverhältnissen anpassen. Das Prinzip ist einfach: Am Bauteil angebrachte Sensoren messen, aus welchen Tönen oder Frequenzen sich ein Geräusch zusammensetzt. Verformbare Bauelemente, so genannte Aktoren, wandeln mit Hilfe des Reglers das Messsignal der Sensoren in Gegenschwingungen um. Schwingung und Gegenschwingung werden so überlagert, dass sie sich im Idealfall gegenseitig fast auslöschen. Völlig ohne Schwingungen kreuzt eine Ostseefähre aber nie nach Norwegen.

Zukunftsweisende Adaptronik

Aber nicht nur im Schiffbau ist die Adaptronik von Nutzen. In vielen Bereichen, in denen leistungsfähige Leichtbaustrukturen gefragt sind, ist die neue Ingenieurskunst bedeutsam – gerade dort, wo Schwingung und Lärm (Vibroakustik) gekoppelt sind. Adaptronische Systeme werden in Zukunft an vielen Orten verbaut sein: beispielsweise in der Glasfassade eines Bauwerks, in Autoblechen oder in Trennwänden in Großraumbüros.

Autor

Rüdiger Voßberg,

Bernd Seidel &Friends