Schwingung und Schiff, Bild: Fraunhofer LBF

Auf Schiffen entstehen enorme Schwingungen. Auslöser sind die leistungsstarken Dieselmotoren. Bild: Fraunhofer LBF

Langsam legt das große Containerschiff vom Kai ab. Im Innern des Schiffrumpfs wummern die Diesel-Zweitakt-Motoren. 60.000 Kilowatt Leistung bringen alles zum Schwingen: Die Anschlüsse am Motor, die Hochdruckleitungen für Treibstoff und Schmieröl, den Antriebsstrang, Treppen, Stufen, Boden und Decken aus Stahl – einfach alles. Die Schwingungen übertragen sich auf den gesamten Schiffkörper. "Ein massives Problem: Die Vibrationen stören nicht nur, sie schädigen auch wichtige Bauteile des Schiffs", sagt Heiko Atzrodt, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.

Keine unnötigen Prototypen

Adaptronische Systeme helfen, die Schwingungen zu reduzieren. Das LBF hat eine Simulationssoftware programmiert, mit deren Hilfe diese Systeme effizient entwickelt werden können. Die Mechanical Simulation Toolbox stellen die Wissenschaftler auf der Schifffahrtsmesse SMM von 6. bis 9. September 2016 in Hamburg vor. "Erstmals ist eine Simulationssoftware für adaptronische Systeme verfügbar. Bislang existiert für derartige Systeme kein durchgängiger Entwicklungsprozess. Entsprechende Software gibt es bislang nur als Insellösunge"«, berichtet der studierte Mechaniker.

Mit der Toolbox können Schiffbauer adaptronische Systeme Schritt für Schritt einfach am Rechner entwerfen. "Das spart Zeit und Kosten für teure Prototypen. Systeme können gleich von Anfang an optimal ausgelegt werden", nennt Atzrodt als Vorteile.

Das LBF implementiert die Software und ist Servicedienstleister. Die Toolbox ist im hessischen Forschungsförderprogramm LOEWE entstanden (Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz). Partner des LBF im Adaptronik-Projekt LOEWE-Zentrum AdRIA (Adaptronik – Research, Innovation, Application) in Darmstadt sind die Technische Universität sowie die Hochschule Darmstadt. Die virtuelle Simulationsumgebung ist nicht auf die Schifffahrt beschränkt. "Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo Schwingungen entstehen – und sie ist ab sofort zu haben", sagt Atzrodt.

Passive und aktive Systeme

Mit Hilfe der Software lassen sich passive und adaptronische Systeme zur Schwingungsminderung am Computer simulieren. Bei passiven Systemen wird keine zusätzliche elektrische Energie eingeleitet. Sie wirken alleine durch ihren Aufbau. Federn und zusätzliche Massen beispielsweise reduzieren die Schwingungen von Brücken, Motoren- oder Getriebelagern, indem sie die Übertragungspfade modifizieren.

"Diesen Systemen sind jedoch gerade für mobile Anwendungen Grenzen gesetzt, da sie hier nicht beliebig groß und schwer werden dürfen", erklärt Atzrodt. Dann kommen adaptronische Systeme ins Spiel. Diese Bauteile wandeln zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie um und wirken so aktiv den Schwingungen entgegen. Dadurch sind sie trotz geringerem Gewicht und geringerer Größe leistungsfähiger. Die Toolbox des LBF simuliert das schwingende sowie das benötigte adaptronische System. Das virtuelle System kann angefangen beim einfachen Modell später komplex aufgebaut werden.

Ein Tag bei der Meyer-Werft: Zu Besuch bei Ozeanriesen

  • Übergbe der Ovation of the Seas, Bild: Meyer Werft

    Im April 2016 lieferte die Meyer Werft das 168.660 Bruttoregistertonnen (BRZ) große Kreuzfahrtschiff Ovation of the Seas in Bremerhaven an die amerikanische Reederei Royal Caribbean Cruises Ltd. mit Sitz in Miami ab. Bild: Meyer Werft

  • Ovation of the Seas, Bild: Meyer Werft

    Die Schiffe der Quantum-Klasse, zu denen die Ovation of the Seas gehört, sind mit einer Abgasreinigungsanlagen, dem sogenannten Hybridscrubbern ausgestattet. Energieeffiziente technische Systeme, eine optimierte Hydrodynamik, Wärmerückgewinnung sowie ein äußerst effektiver Unterwasser-Anstrich oder ein energiesparendes Beleuchtungssystem mit LED-Beleuchtung führen zu erheblichen Energieeinsparungen. Bild: Meyer Werft

  • Ovation of the Seas, Bild: Meyer Werft

    Das Kreuzfahrtschiff, hat insgesamt 18 Decks und eine Vermessung von 168.660 BRZ. Mit 2090 Kabinen, die die bislang größten und vielseitigsten Kabinen auf den Schiffen der Reederei sind, bietet es bei Doppelbelegung Platz für 4180 Gäste. Bild: Meyer Werft

  • Schiffsbrücke, Bild: Meyer Werft

    Brücken sind heutzutage riesige Schaltzentralen. Aber bereits beim Bau eines Schiffes schlägt die Komplexität zu: Im Vergleich zu anderen Industrien ist der Bau von Kreuzfahrtschiffen eine besonders komplexe Aufgabe. Weit mehr als 10 Millionen Einzelteile und Bauteilgruppen sind für ein Kreuzfahrtschiff von einer Werft zu verarbeiten. Im Vergleich dazu: Bei einem Airbus A380 sind es circa eine Millionen Teile und bei einem PKW etwa 10.000 Bauteile. Bild: Meyer Werft

  • Das Innere eines Kreuzfahrtschiffs, Bild: Meyer Werft

    Das Innere eines Kreuzfahrtschiffs ist nicht selten luxuriös. Bild: Meyer Werft

  • Norwegian Joy, Bild: Meyer Werft

    Der Bau des ersten Bauabschnitts des neusten Flottenmitglieds von Norwegian Cruise Line, der Norwegian Joy, hat im Frühjahr 2016 begonnen - Kiellegung war am 5. April 2016. Während der Feier wurde der Block 45 des 168.800 BRZ großen Schiffs in das überdachte Baudock II der Werft gehoben.Nach ihrer Fertigstellung tritt die Norwegian Joy im Sommer 2017 ihre erste Reise in China an. Als ein speziell für den asiatischen Markt entwickeltes Schiff wird sie ausschließlich für chinesische Reisende eingesetzt werden. Bild: Meyer Werft

Atzrodt, gleichzeitig Geschäftsführer der Fraunhofer-Allianz Adaptronik, in der insgesamt sechs Fraunhofer-Institute organisiert sind: "Am LBF beschäftigen wir uns seit über 15 Jahren mit adaptronischen Systemen und deren Simulation. Wir arbeiten dabei sehr eng mit der Industrie zusammen. Die Adaptronik wird stets bedeutender und die Nachfrage nach einer allgemein erhältlichen Simulationssoftware nahm in den letzten Jahren stetig zu. Wir haben in der Vergangenheit unsere Expertise deshalb verstärkt dafür eingesetzt, das benötigte Produkt zu entwickeln. Nun ist es am Markt zu haben." hei