Die programmierung schiffbaulicher berechnungen an der Technischen Hochschule Hannover

(1)

FORSCHEIGSUEFTE Ft R SCHJFFBL [1V SCHIFFSI1SCIIJEB1E

A R

Die Programmierung sdilffbaulither Beredinungen

an der Tedinisdien Hothsthule Hannover

1. Arbeitsweise

lii den letzten Jahren haben eine Beihe ilrutdrr Werften und kont ruktionsbüros eiektrunisdw I)rgitairethner in Be-rurb rnonrrnefl. die kommerziel le und re nisie Au Igalien

h.-n

iitlen l)ie \ erendung der Reiiner fur Schiff-entwurf

i tiri -kr,nt ruktion erfordert dabei komplizierte Programme.

deren AuftrUung und l'rufurig

lei Zeit und Mühe kosten. I )ir Deut.dw For..ehungsgeniein.t+iaft untrrtúrzt dr.haib ein I- lirt+iung'.surhaIlen. das (lie ProgrammirrungarIieitrn er-richtern, tùr .i-hun früher mit Rechnern behandelte kufgalierr }n"..ere l.ö-ung.nietho4en ergehen und den E,n.atz der Retir ni-r fuir fleuc Auf4hen siirlirri-iten '..oll. l)ie Arbeiten werden

Lun in-titut I-'roÍes'.,or \. u-tudel,, ant Lehrstuhl fur Ent-werfen on 's+iiffen und su3ijff'.theorje der Trchnicherr Flodi-'.iJuujle Ilanniuser ausgefuhrt. ue Fuhren teils zur Entwicklung der Prograrriniierunggrundiagrnr, teuiweie aher audi zu prak-t u..d, serwenihareir A Igl)! Prugranimemu.

2. IIvdroitatisthe Berechnungen

mit einem Universalprogramm

i3ishrr w urde ein Algol- l'rugraninu für die erdu uu-iIrnsteu lis dru-ta t -lien Berechnungen fert iggetel It. i )a. I'rugramtuu

I-t -eut Iari.rrr lint erpruibt : dur Ergehnr.e w urden ion nui-lu-ru-ri-ui kla--Itukaluurr-gr--t-ll-t'luultrn ilurrpriuft und anerkannt.

F.- -t geeignet mur kurs.'nitlattreu3rnuurgrrr.

Parituikarutrrnredr-iuurngrni iii .latiwa-sei 1111(1 in V eilen, fur Lrukrechnuangtnr und l.i'uk'4alluIItdi"rrl4inungen. zur He'-trnuniurig dur

I.eu'kpantcu-Larruirn, fuir Haunukursrnlilatt- uniI Tankluu'rru'hruuungrn. fur i''.t'ritiuiit' ru'ile

ilrr

l;.',ru'uilerri-liriuinig und fuir li. lis Ir,--'uiuti-u4ieru 'l'cile riti '.tairlLiufreu-hnuing uuuul le-r

l.aurg-frtig-SllIFFSTEll\IK

lieti tub. 'u.priI l%4 13. Banif

I)ipl.-lng. Heinrich Süding

\eriiflintliihung de., Lrhrstuhls für Enserfrn son diiffen und th,ffstheorie der Tedinisthen llot4ì,diule Hanhlinrr (Prof. Wendel)

lj '4'

TecmfliSc

Leitsredrnung. Die Dateneingabe, die Ergebnisauigahe uniI der Rechenablauf sind bei diesem Programm in weuten ;renz'n ierariule'rliih. wo daß es auch fur manche amideren Aufgaben-stellungen ahnlicher Art entsprechend unugcsteu.'rt werden kanut, t)adurdi konnte es für eine Reihe ion Fuur-u-hurug-auf-galuen eingesetzt werden. bei denen speziell.' Prugrammr fur

Iue sierfiuhirduen Rechnungen nicht ausgereidit hát Len

-Fur den Einsatz auf erften unti ri kon-trukuiouisluturo. er ,.u3iint es auf uit-ti ersten BIiu& s iellcuuIit unpraknu-.-Iu. tint

ui-nu--elbeni Progranum die verschiedensten h dro,,tarisdri'ni R,-rrtIr-nungen ulurdizufuhren. Hei einer näheren Lnrrr-uuu3iuitig zeugt -idi aher. daLi ein gules Leckstabilutiitsprogranurni duc' andern

aufgetuhrten Aufgabensteilungen eigrnrtluu-ii S null st'lh-inuit uuuu

faUt- cnn 501ch ein Programnut iuun Beispiel auch moisi

mirini'-trisdir Letkfálic- genau erfassen soll, uuuuß es die Helurlaruuur ulf's lecken Schiffes bei gekringten Sdiwininilagrn beri'uiuu.n kunnrn. setzt man für die hübe des Gesi ¡drt-i'hsic-rpuuuuktc' \ uil i'm. su ergehen sich statt der Hebelarnrue iii. l.l'u&luanutlu-kare-nen. l.áßt nian die I.rrkruiunne fort, so Iurre't+itiet ula- lriu-granum due Panitokarenenu des intakten Schiffes. l,rilit rmuauu

sujiiff fort unii Iuerr(+unl-t nur einue'n l,e-n'krauini, uItru rurali enzt

al- Tank an-ut-ht, so hc'rrdinet dasselbe ruugraniuui lie Si+rsier-1uunk t-a ui-wanderung von Tank unihalte'n lui-r \t'lgunugeui-In abri

-lidien .\ t'i-.' kann c'in L.uk-tuluiiutátsprogranunur für ali due ge-nannrtc-ri Hcu+inrtrtug..artc'n uuuuige»-teurrr wu'r.lu-n, uditi,' ulaU ula-duri-lu lic-i u'rrt-prem+um'nrls'r l'rltgratuuuuiitrunug cli,' Juuhuni zeit grge'ni uil u.' r i-tri cmii s pt-lit' Il fur ei ne Icr-tim mitt e' H u'.i miti ut g auuíge'ste-llte'n I'nuugrauiìnu uurerkiisìu ansteigt. l)tr uhr I lu-leu,.'-rung nuit relatui w ruuigen Anweisung.'tr uuiüglidi i-1, -Ju,art unan

auf (lit-Se \ cisc- _{suri Proiruiuìrruin.urhi-it gcg.'riIilui'r uler} _hi-t

Luutnnilidirn ufstrilung einzelner spc'zia lprogr.0 rtuiic'.

(2)

3. Eingabe und Aufbereitung der Daten

Die Ari. in der die chitT1orm und einzelnen Teile iJe %d1if.

fe- wie l.aderäunie. 'l'ank

und flrrkhäuser brdiriebrn

wer-den. be-,tjriimt weitgehend du- (,enauigkeit der ge.oimten Ri-di-flung. B.i einer l'riifuiig dc-r ver +iu-denrn in der Literatur an-gt.gehen.-ii ertahren ergab .ith. daß die von KniipfTer

ver-w endete l)ar.trl lungver-w eie genau. geflugi-nil anpaungfahig .jn ifie s ir-diiriten-ten _{diiffformen und relativ cinladi war.} Bild ¡ gibt einen ('herbluk daruher. wir KnupfTer die

diiff'-forni durdi die Koordinaten einzelner Aufmaßpunkit- dar-Virili. L)ir- Teilräunir werden bei ihm durch die Koordinaten der ht-go enzenden l)t-.kV und \' anile unii durch Kennzahlen

liirii-ken. lie dir

I age der Räume relativ zur .iiLknhaui angeben l)iee l)ar-tellungwei-e knúptTrr urde im wernt lidien ufiernoninieti. Frganzt w urde vor alleni die Möglii+ikeit.

Trilraure de Sd-iffe eheri

wie daV Schiff Velbi punkiwtie aufzuiiii --en. um VU audi kompliziert geformte Räume _genau zu erfa-.cn. Ilinzugefugt wurden auch Kennzahlen. die Vira kt-niii- ¡.lnien in der Sfiiff-iang.rii9itung definieren und dadurch die F4erei4inung neuer Spaniquerilinitte zwichen den gegehe-n'-ii Aufrriaß-pantrn rrnioglidien. E)as ict bei der .%uíI)rreililng der Teilraume erforderlich.

Die Hs-dienmadiinr pruft

die eingegeh.-rieiì l)aien

zu-nai3oi auf F'rhler. l)azu werden im wesentlichen die -.dion snn

Knuplier itngegelien,n Kriterien verw endet. Fehlerfreie Daten berritet die

ladune o auf. daLi (lie

páteren Rechnungen nioglicht -dint-Il und nach i-meni einheuilmi4ien i+wnia

ali-laufen kronen: Au-. iii-ri \t anden. l)edA-. und AuLtenhuiitiemlen. tue die rrilrauriie fit-grenzen. bero-dinri da-. Priigranini Auf maßpunktt-. die die..- Raume wie da diiff -.pantweit- lit -.dmremhen. \ath einem V iir-dilag Sdi vs t-*fiheintier- vs erden fur

jeden _{i niipVondiip.-l-.trt-ifen. dt-im die A u fmaLlpunktr iii-r flihe}

nach liii It-n. die Kiit Ibzirim ten de P. ils nom-. zw cite n ( ra iii

-ht-rei3in.-o. da-. dii rdi die drei Punk le leV fliippel-treifrn

er-lauft. di hut iiir-.rn Koeltizir-riten dit- -.palere F4ert.3mnung o-in-fauler vs rd. F ur die hauten _{pdntrri werden audi die f hi-lie.} die lII.-,i- und dir Breitrruniinneiite iii-. zu den F:nilpui,iki.'i

lUid i _{Anordnung der Punkie, duretu deren Koordinaten die Setilifstorm bechrleben} trd

jede- t)oppcl-ireileii. im stirau- lu--tiniriit

i - I. a h-.t an urn. (lt-il Smi ¡)V(unu k ut- fi izien i eni u nil event ut- Il barkeiten der Ratirom.- werden Integrat ioii-.kiiti-.tantenm I

die die Integration tiler

uit- i4uiuT.laiigi erhtIilii Jachen. Die -.o aufbert-iteten. mit \lall-tal-.faktiirun zierten und durch du- l)ei-hui3it ergänzten Daten I

und Tt-ilraume peii+mert (lie M a-.diine fu r lie

weitu-ru-nungen auf Magnetband. Zur kiintriille der F.iitguhui--. ie die [)aten (ltV vu4iiffickör1,er-.. der 1iui,Li vsei-r at

ni-n Tejiraunie (Bild 2 tinti do-r niau+i k nitipfTur- M .i+oriebenen Tejlräuriit- iBilil 3 auf tieni f

1. I o O _V _1*2 ₇ t t I S ..0V 1.07 o 1.00i 4.110 3.404 0 0.008 !1.*1

e.u.

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VOLNI8FLV

_{i.1. III}

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LVI Z 00.020. Z , A7 Z .210 I .400 0 .200 7.302 2.102 0.001 0 1.003 47p4

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Iliid _{¡Ile Eingabevserte zur IlestureibuTiK einer Vurpie k gitil doe} Masi-híni- OUt Kontrolle wieder au

t i 02.610. YOiI0012L!hlI U, O 21.020. V

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0.005 2.20? 0 '.040 '1.,I 3.'13 0 01.070 2.100 12.048 0 01.010. 50 00!

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AIJ, Z o 00.020. Z V O t I,? Z '.074 .200 3.001

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0 630e - 641 0.06! 1.201 11.017

III?

II

10.035 1 .223 i 0.

(3)

1. Berechnung hydro.tatisther Kennwerte

zu einer gegebenen Schwimmiage

li glri'hzeii g gek langten und 'erIriniautrn und hei un

-'. lilinri ril+I leken diiffrn wird die fehlerfreie Beredin ung

uni Anwendung (frl

ublidien -dntlhauiidmn Begriffe wie

nieta,sntri..n1ut iiòhr. nheitsirimmumcni, rrpunktslagc. \. a-.rrluiuienfla+ie uw. ziemlich kompliziert und unúbersidii-idi I }'rtngramni ermittelt de.lialb

tialls diese (,röOn

u lui haupt geb raunhi s erden) außer 1cm Auftrieb A und sei

rien 1umrnten B und t in l.angs- und Querriebtung zunan+lsI d 1iartielkri Ableitungen on A, H und I. na+I dem liefgang

i'. ricin Trirnm inLet i' und tieni krängung..s inkel u

l).i. ge.a3uieht in folgender Wei.e 'Au.. Fiefgang. 'rrimm turd kr.trigun

und eentueIl 'ellenhöhe.

rIle-nIánge und ltha_r wird an ru1rm spant die (;Ieithung tfrr '.. a..erlinie

Uil

i berechnet hie pnintkontur S wird jeweil- uher drei uhnaUpunktr' als Stunk einer Parabel Zweiten ,radrs ange-eti.i. nun alleni thnitipunktcrn P z i..chen S und \ berechnet

rias l'rugraninu die z

unii de

-Knut rdinaten. Außerdem be-si

st immt r.. dir

l-'lhr

nlz und die %lomente cdz unni tu

¡iii

fuir u-den 'u'hnittpunkt. wieder unter nier Auinahme

clati .ini- l'ai t heist iiu'ka zu-amnnengrsrtzten rpantkontur. .kls

cute- wird Irr Faktor it

berechnet: Fr st I. wenn die V. asserlinje iii der Richtung de. Pfeil- aus dem spant austritt. I. wenn ..i- duri eintritt. Aus diesen Werten können dir I- ludie und I r' \lunun'nte des gt'tauu+iten Spantstiicks sois ic die ltIuuiungrnit,-sn'r (.rulien nudi Anderungen der Su3iw imm-1.ign he-titunni werden, I)ie eingetauchte Spantliathe laßt sidi

íum Heispirl lir,,tinumrn aus den

integralen j idz und der

latir.' der s4rraftuert gezeh+inelen Dreiecke. die nin dcii Kururniunat urli' r whnittpunkte. on der MiitsnhifT-trbenr unii

nri .ini as-erl mie gebildet w erden. Es ergibt sull

tj

F

.t

sdz +tanq

st dabei mir lie auf Backbord liegenden Spanneule

llega-iii

vjiizuseuieui.

I)ie "untrue erstreckt silt auf alle

'.nhnitt-punkte zw ist-hrn " unti V. Integriert utaH F uber «lie nhifl-lange. so rrgiht sich din' \rrdrängung und damit audi der Auf-trieb A de'.. n'hiffes. In ent.prn'r+uender V. rise werden auch die \l.,nirnte B untI ( und die genannten Ableitungen in einem ari nier V. asser Inne orientierten kutrdinatrn..'. stern berechnet E)ie

ifti i

'.t'ris nuncien Formeln gehen au- niCOl A lgnul-Tct dr-I'rtngrarnhti Iueror sir erfassen «'kaLt den Einfluß kombiniert

,tuft retend«-r ' ertrmmni ungen uni k rángungen unni bleiben

auth richtig, wenn dit' V. a»seriunie rinzrine 'pdnIrii in nuehr

al- zwei Puaktn ..dineinlet.

lia. h'rniraiitni sulntrahiu'rt dann '.un den Auftriri,sgnrßen .

B und C nias hiIY..gewidit und -eine Momente. Snu ergehen u.li die uu Auftrieb und (mew tltt rr..ultirrennie Kram %., hr

l.anu-gntnnuonwnt B und ihr Brruierurnument t. F.ntpren'henui er-geben sich aus den partiellen Ableitungen mu , 13 und C auth dir ainleilungeni inn A. H und C. worau. danni w eder die

hr-ui w+ittt aun'rru gelauhgrrrn ( ;ß s it' rrd rauiInntg-- unni U, u-trIm '- ru-n ii w erpunk t. Iln-hs'Iarnue unii \letazefltrn'n folgen.

dA 3A dT 3A _dV

:

di4

=

-

+

-dq 31 d 3'i' nii 3 dq dB 3H dT 3H dV 3H dq

=

.

+_

'

+

dq aT dq .,, iq ai dq ut ufer (;ieidiung d(: 3 dT 3 dV 3(ii dq

=

'

+

.

+

dq 31 dq 3'i' dq 3q di!

ergibt sidi larus ein lineares GIei.'hungssmsmt-m von drei

(.i.-mt+iungen, bei dem statt der dritten .t nbekanntrn nIq dq I die redite Seite gesucht ist. Be-zeu+unct rilan die Deterni imante dr's (;ieichungss%sterns mit

I)

s

Bild u Berec-tinung dru' getauthten SpaiflAc-br

Al- Beispiel sei hier die Berechnung der breiienmetazn'ntri -tIten hohe M ( angeführt. Aus nier Definition dr- Metazen trums ergibt sich, daß dun Produkt au- nier metazentrischeui Hohn' Mc und denn Auftrieb A gleich nier Ableitung dn'i auf rinhitentien Momente C nunl dem Krängung.winkel ist:

M; - A

d('

dq

Die Ahuleinung d dq ini dabei unter den Nebetihedingungu-ur zu beredu,ien, daß die AuftrirbiresultierendeA und das rnuI tierende Langennioment B konstant bleiben, liai bedeutet Mit der Kràngung Indern sidi gleichzeitig uier l'icfgang und nier Triruim in einer solchen V. rise, niahi

- A

uuiii nuit l) nbc I, ntn'rdricmminanten irin I), nue nluru'h

"Irri-dirti tier u tenu /.i-iie unii der I-ten Spalte entstehen, -n ist die

L0-'ring fur 1je niritte .1 nhuekunnne"

1 - 29 -

Stht8rd'iTirk Bd 13 -- 19415 Hefi uIt

s

(u unii

(4)

5. Iteration

Lu r I.rri ihn ung von Gleichgewichtsschwimmlagen

min -'t. l

iiul (. dur.Ii lineare Iunktionen an.

.rril.rii -.h ihi.

\\ trir hei riIi.'r \ iranderung tier

it3, imiti

ltg. urn \i

. 'tt. \q urn die (roUen

\ B

'I

I in i r- I .l.-t.hgts i lri-I.gr zu tiereclirten. he, tier ja die

re--.lti.,,-rl-n kiaft, unti \1.riiente.A

R (4 -intl. eIzt

Idilli

I .irliit

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i. ih. -t- tri,- er.ir,ti.-rien '.ti

iiiiriiIa,r -intl wir

Kirr.-I.iur.-,i ¡u lt.tdiiien. li-

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's unti \q

.1 h 4j,ir..i- iii-

rriidweliIit-

orrg.henrn t,enauig

h'IldTi t. I. tutti I. er.irn.

I (i. -.i- titter,, tiriraren rr-atz fur -. B Und 4- eniwiekelte h. rit- -ri ¡jniI j.-.itaJi tÌit-rgi,rrn. ..i'A.hI t-trie (.Iritllg.-'A utIrt&..

Uil

'i

..r r F ri B.t-j.i.'l tiafur i-t itt-r Full. daLi tillitfi eilten

¡ii ir .ii he rati,ru--fu,-tlt in T .la lht3. Je, _.t4ijfTr.. utIl-.tan-'li.: i r

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ti tieni rrsrttnrieii (.Ieiitiiuiig--s -tetti 3' ieri Hn ich ti ngrni t 2, f,ii gern le Ii-u rig

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I)er cr-te 'utiiniiaiid die-.er (,I.ttltuttg.n i-1 .1-- ,iii. linearen Ansatz tterednete % nran.ierung ti,-r

der ¡'Apile die Korrektur. die -i-ti du tieni .jtrui -atz ergibt. i)iee Kurrrk Iii r ii jedtit-it ruutJil t.ii

herej,rrrni, da der f ak tor N ti ir i, r. tUt-ri \F. - in'

enthält, Statt uiire, ivatirnritt.- i,leittutiiig-- -i'

-Itt-u.n. artzI ita- Priigriirrini fit r

N in

ti in nn.lr t (,('4. iii die zweite tt4' (,. unii eri tlt. tinti.-tun Das bedeutet. daU nur ein tet iniirriter ,'.

ihr beru.&sidiitgt 'Amtl. Koniergirrt die IT

F r.ihrii'grad mie. 'dufTe. 'n p,.eritlidu Iang'.air.

.lerl uuridernu tia- ist der Hegel tali - .o w u i I,ttre i¼urrek luir i ni d e-rin F reihe, tg ri i fa -

-iierukt+ut+utigt. 'nahend in de-n htur.r'r k,uis-heitsgi-aden beinahe linear iteriert wirt]. t)ie

dicint o durikiau bulilui oil Au. ihr ergibt - i

-quadraii.+rr (.l.-t.+iunig mit der Liiurig

F triitrt.ehrntie i.r tetri gehn fur

'ti'

tirni

''i

zen-lien, titi \ turzu-I r-t hier mm gewaitli. ,iaU dir ¡u -taltileti ttumit zu haItilen (,Iritrgr'n iI i.iru nrguuiiser Heutiikaii,i zeigt arr. thai3

-I .lt'ittgi-'n uttitr.lage linden kann. rt'Aa t,t.'tnt-.-i,eru IA-Ikfahi ire krangrn,ie'ui

'tlainiiai'n rît tie'. autrll+tlrn.iril \I.

-F

li .rt.tit

it- l'rograrrirri _{Irrt K rar4gutrg'n r}

t-i it-rut .ji.- l)ttl,-irriz der krarig.trmirri r,

\ttrrti-rrIt itir k titi-1,-n 'n inI.

_{hlitit irrt}

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-".uirumlenfdlfe

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'nerin da- I ;h.-i.+rgr'n it-fri \lttrri,-iirr tilt-tir Iii ,ullnju f rriiirui-gratieit t

,,.Ier wm'riri it,'-tinrtrritr _ku-irui3,t ge-riau -,rt,I _{written riterifall.. tiurti, ..pe-LlrIlr Reti}

ihr i,er.uìtrieltrrie itinattitri rrr.ug ,t.,i,Iuti kt.riilmliz.ierti.:r

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Bild I Leckrethnung bei gegebenem Kranjungswlnket

Liegt die Höhe des (,ewidit diwerpunkies nodi nidit genau fest. so It eine andere Leredinungsart zwekmäßiger. bei der der Krängungswinkel gleich dent nach den Vorschriften hödi steni zulassigen Kringungswinkel gesetzt wird. Das Programm

t'redinei (lanfl die für die Einhaltung der Vorschriften zulai-sige Maxirnaihoihe des Sdiwerpunkt

(Bild 9), Für das lede

Schiff wrden dabei im Ssiem ..wegíalknder Auftrieb" auch die Wasserlinienfladie. ihr Schwerpunkt und dic làngen-inetazentrisdie Höhe angegeben. Mit diesen Werten kann man

den EinthiL kleiner Ànderungen der Ausgangssdosimmlage und des l.edbereidos allí die Endsdiwimmlage abschätzen. Da-zu dient auch die Berechnung der LeiwasserxoIumen und der Leokwassersdiwerpun te einzelner Teil raume des Sdiiffrs (Bild 1i). Die aufrichtenden Ilebelarme lreker Schiffe werden ähnlich wie die Pantokarenen unEerletzter "diiffe bestimnit

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Bild 10 Volumen und Sthwerpunkte det In einzelne raume eingedrungenen Was.rs

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Bild il Berelitnung der HebeIarmkurv eines lecken SchlOTe.

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Bild 12 Bereolonung deN Auldiehens beim Stapellauf

Nach deio beschriebenen Beispielen ird der I.e-t-r beinahe selbst in der Lage sein, sido eine zlNrdmaßigr _{tetlerung des} Programmi fur die verschiedeioen Arten der Laderaum- und Tankhereehnungen und fur

die hdrostatischrn Teile der

Lingfestigkeits- und Stapellaufred-onung zu uherlegen. Al einziges Beispiel all dieser Re'dinungsart-n wird hier le'-halI der Ergehnissdirieb für die dritte Phase einer Stape'llauíredi' nung (während des Aufdrehens des Schiffes) gezeigt _{Bild 12;.} Gegeben ist hier der Tielgang do's Schiffes bei îkante' -hlii-ten, das Ablaulgewidit und die l.age des (;ewithtssdierpionk-tes. Da ['rogranim berechnet ilazol den -idi ejnste-1 lf'It,it'rl

Trimm und Auftrieb.

7. Fortsetzung der Arbeiten

Die }lauptarbeit bei elektroni-dirn 'e'1iiffsIu-re,-Ji,iii:i'-ein großer Teil der Kosten entLIeht durch 'la'. niuli'..-lii- \uf messen des Sehiffikörpers aus ele'no l.inieiiril.l l'. o' rol le-shah an einem anderen Aufmaßsvsto'm gearbeitet. ola» diese rbeit wesentlidi e'rleic+otern würde. Gls'idizeitig wird t'inc 't r'rír'oroertieog der maschinellen Fehlersuche ange'.treht.uni audi kleine 'tul mal3fehler zu entdetken. Schließlich wird an \ trh,r'-'.r i uinirn der huber Veròffentlidtten Verfahren für die- lang'.festigkrit--rechnung und fur die Belang'.festigkrit--rechnung un -'tiiíonaßbiö+oern ge arbeitet.