Festigkeitsberechnung einer Dreimastbark mittels FEM

 

Statische Festigkeitsberechnung in ANSYS

Statische Festigkeitsberechnungen gehören zu den Standartanwendungen für einen Berechnungsingenieur oder Dienstleister. Allerdings gibt es auch für diese Art von Berechnungen einige sehr interessante Fragestellungen. Vor einigen Jahren hatten wir die Anfrage das stehende Gut einer klassischen Dreimastbark statisch zu berechnen.

Festigkeitsberechnung einer Segelbark

Die Bark wurde als Neubauprojekt konstruiert. Sie sollte als Segelschulschiff eingesetzt werden. Neben dem Rumpf ist das Stehende Gut besonders hohen Lasten ausgesetzt. Aus diesem Grund war es unsere Aufgabe die Masten, die Wanten und die Salinge mittels einer FEM Simulation zu untersuchen.

Bei aus Holz in mehreren Sektionen gefertigten Masten bestand der Vorteil, dass sie bei Überlast brachen. Das führte zwar zum Verlust von dem stehen Guts, aber ein Kentern des Schiffs sowie eine starke Beschädigung des Rumpfs wurde verhindert. Die Masten konnten anschließend relativ leicht im Hafen ersetzt werden. Bei aus Stahl gefertigten Masten geschieht dies nicht mehr.  

Belastungen aus Seegang und Wind durch Vorschriften und Versuche im Windkanal

Für die Berechnung haben wir die aus dem Seegang resultierende Beschleunigungen sowie die Kräfte aus dem Wind anhand geltender Vorschriften ermittelt. Anschließend haben wir die Lasten mit Versuchsergebnissen aus dem Windkanal validiert. Dabei erzielten wir eine sehr gute Übereinstimmung beider Quellen.

Die Masten und Salinge wurden durch Schalenelemente modelliert. Das erlaubte die Salinge sowie die genaue Anbindung der Wanten zu berücksichtigen. Die  Stage und Wanten wurden durch Link-Elemente idealisiert. Die Vorspannung auf die Struktur sowie die Einbindung in die Decks wurde berücksichtigt.

Bewertet  wurden die Verformung sowie die Spannung der Struktur. Zu diesem Zweck war die detailgenaue Modellierung der Stahlstruktur notwendig. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Last in den Wanten und Stagen. Zum einen durften diese nicht lose fallen, zum anderen durfte die Tragfähigkeit nicht überschritten werden. Nach mehreren Iterationen der Seildurchmesser und Vorspannungen wurden die Bedingungen eingehalten. Als letzter Schritt wurde die Beulsicherheit der Masten untersucht. Dazu war es notwendig ein Verfahren zu entwickeln in dem die Normal und Biegespannung in einem aus Schalen modellierten Rohr bestimmt und ausgewertet werden konnten.

Verbindung aus ANSYS Workbench und Excel

Damit die gesamte Lastaufbringung, Berechnung sowie Auswertung voll automatisiert erfolgen konnte, wurde das Projekt in der ANSYS Workbench mit Excel gekoppelt. So konnten die relevanten Daten direkt aus der Tabelle in das Berechnungsmodell geladen werden. Die Untersuchung verschiedener Lastkombinationen war so möglich.

Göttsche Verfasst von:

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