Widerstand und hydrodynamische masse beim längsstapellauf völliger schwimkörper

Sonderdruck aus der Zeitschrift ,,Sehiffbautechnik", H.-4/1962, S. 182-186

Widerstand und hydrodynamische Masse beim Lfingsstapellauf

Schwimmkorper

Aus dem Institut fur Theoris des Schiffes der Universitat Rostock, Direktor: Prof. Dipl.-Ing.

K. Th. Braun

Von Dipl.-Ing. W. Messerschmidt, KDT, Rostock Bei der Funktionserprobung der im VEB

Warnow-werft Wamemiinde in sozialistischer Gemeitschafts-arbeit entwickelten Anlage fiir den Stapellauf auf

Rollen wurden a. Ablaufversuche mit einem

604-Ponton ( Quaderform, 6 = 1,0) durchgefiihrt, dessen Masse durch Wasserballa,st auf 300 t bzw. 230 t erhoht wurde. Per Versuch 4 w-urde am 13. September 1960 um 16.00 Mir vom Ufer neben dem Hellingbett der Hellinge 3 und 4 aus von einem Kollektiv des Institute fiir Theorie des Schiffes (Kamera: Dipl.-Ing. Heyder) mit einer AK 16 geffimt. Der Film solite nicht nur zu Lehrzwecken, sondem auch zur Veranschaulichung

der bereits bei dn vorhergehenden Ablaufen des

Lab. v. Scheepsbouwkunde

Technische Hogeschool

-

Delft

Pontons anfgetretenen enormen Stauwelle fur die Mit-glieder der sozialistischen Arbeitsgemeinschaft und zur Korrektur der empirischen Koeffizienten fi:u. den Widerstand beim Stapellauf in der Berechnungsformel von Benaon fiir den Ablauf von volligen Schwimmkiir-pern dienen. Hierbei kam es hauptsachlich auf eine

mOglichst genaue Erfassung der Wellenkontur am

Pontcinkorper an, dessen Backbordseite zu diesem Zweck

mit Tiefgangsmarken aus Strichen in weifier Farbe

yersehen worden war. Der Film wurde durch

schwenken der AK 16 von Hand ohne Teleobjektiv und mit Zeitmarkenangabe gedreht, so daf3 stets der gesamte Ponton im Bild blieb und nach Erhalt des d3rnamischen

Schaubildes für Versuch Nr.-4, das von der Abt.

Forschung und Eritwicklung der Warnow-vverft nach dem

mit einem UniversahneBgerat von Dr.-Ing.

Geiger

aufgenommenen Zeit-Weg-Schrieb angefertigt wurde, eine zeitliche Zuordnung der Bilder des Films zu allen

d3rnamischen KenngrOBen moglich war. Die Auswertung

des Films erfolgte durch Standbildbetrachtung, wofiir die am besten geeigneten Bilder, namlich die mit den krassesten A.nderungen der Wellenkontur, ausgewahlt wurden (diese entsprachen der Spalte Foto 1 his 9, in Tafel 1 his ,3). Die gegen das ReiBbrett einer Zeichen-maschine projizierten Bilder wurden einschlieBlich Wellenkontur wad Tiefgangsraster abgezeichnet mid

die Perforation des Films zusatzlich markiert, urn

spater erforderlich° Kontrollen zu ermoglichen. Einige charakteristische Phasen des Ablaufs sind in Bild 1 bis 3 ersichtlich, deren Unscharfe sich a-us einer Reproduk-tion der an die Leinwand projizierten Bilder erklort.

Abmessungen mid Anordnung des Pontons auf der Hailing gehen aus Mid 4 hervor. Die Ablaufnaasse

Der AblauT des Pontons war vom Verfasser fiir sine Masse von 300 t, die bei Versuch 1 mid 2 vorlag, be-rechnet worden. Hierbei wurde die Freischwinamge-schwindigkeit zu etwa 2 m/s bestimmt. Die fiir sine Ablaufmasse von 230 t bei Versuch 3 mid 4 durchge-fiihrte Berechnimg ergab die in das dynamische

Schau-bild der Werft (Bild 5) nachtraglich eingetragenen

Werte fiir die Ablaufwege his Eintauchen, Aufdrehen mad Freischwimmen.

Aus dem dynamischen Schaubild der Werft folgt etwa fiir den mittleren Reibungsbeiwert der Bewegung auf trockener Bahn:

0,28

timittei = tan /3

g.

)3 0,05

9,81 0,9988

= 0,0214.

Dieser Wert wird als Mittelwert fi_ir den weiteren Ablauf auf der Unterwasserbahn iibernommen, was beim Stapellauf auf Roller zubissig sein diirfte. Natiir-verliert d.amit die Errechnung des Widerstandes

an Exaktheit, jedoch ist der Reibungsterm in der

Gleichung nach Commentz zahlennaaBig absolut kleiner

als der Ablaufkraftterm. Der fehlerhafte EinfluB

dieser niiherungsweisen Annahme ist dadurch gering.

Bad 3. Abban der Stauweile mach starker Bremsung des Fontons

Ohne vereinzelte Beriicksichtigung der Widerstands-anteile mid der hydrodynamischen Masse bzw. des Be-schleunigungswiderstandes ergeben sich in Tafel 1 die Werte für das Widerstandsverhaltnis

W' = ls2

als KenngroBe fili den hydrodynamischea Gesamtein-fluB beim Ablaufen des Pontons in Abhringigkeit vom Ablaufweg. Die von Commenez [1] abgeleitete filr ebene Ablaufbahn giiltige,Gleichung lautet mit den iiblichen Vereinfachungen:

P

W (tan if.? /4).

Die Beschleunigung b

wurde dem dynamischen

Schaubild entnommen, die Restkraft R nach den fiir den Ponton friiher abgeleiteten Beziehungen errechnet, mid die anderen GrOBen sind bekannt bzw. ale konstant angesetzt worden. -82 -44 -.0 120 700 80 7 mis 6 - 60 all-ev's - 5 44 -I0.2 -v4 oe b 3 2 20 -3 88 -3 SIB L- 20 nt VI Bad 4. Abmessungen des Pm:Anna tmd Anomlnung auf der Bad 5. Dynamisches Ablaufsehaubild

Z 88

--I em

2

L

1 SIB

Errechnet man nur zum Vergleich das

Widerstands-verhaltnis nach der Beziehung W' = 0,005

D2/3, so

ergibt siCla hier der konstante wad fiir ails Ablaufwege viel zu nied.rige Wert 0,187 Mp s2 rII-2. Die angegebene Beziehung darf allerdings nur als grobe Naherung den Ablauf iiblicher Schiffsformen angesehen werden.

Nun wurden die durch Standbildbetrachtung

ab-gezeichneten Bilder hinsichtlich der jeweils vorhandenen benetzten Oberflachen. miter Beriicksichtigung der wirklichen Wellenkontur (dichtes Medium, Gischtzonen natiirlich weggelassen) ausgewertet. Ein Beispiel fiir die abgezeichneten Bilder veranschaulicht Bild 6 (identisch mit Foto 3 der. Tafel 1 bis 3).

Nach Benson gilt') W' = 52,56 (0,63 A, + 0,004 42)

[kp s2 m-2]

') Die in [2] auf 8.317 abgedruckte Dimension liefert um den Faktor 10' rn hohe Welts! treischwimmen 11 ...i.li Versurhhire Aufdrehen Ablaufmasse rum Rollstapellaufverfahren 2301 Messung F. E Berechnung - ta n 0,05

AAlliii

end &meriting: VE8 Warnowwerf von t

AAM.

Fait

Em/widen _ il-1 bm (3 .-9 .0E--sp 035

gem&

A

Al

111111,

A

401148 aeschwinoVelt

-

_{Sit. 4958}

...II

Beschleunlgung setzte sich zusammen aus:

Ballastwasser in Tank 1 52

t

Ballastwasser in Tank 2 33,8 t Ballastwasser in Tank 3 78 t Ballastwasser insgesamt 163,8 t Pontonmasse 60

t

Schlittenmasse

5t

Ablaufmasse insgesamt 228,8 t 20 %.'P 30 40

W b D

Tafel W' = - =_vi

-al

- - (tan-/L)

_g

112

') Negatives Vorzeichen entsteht durch Differenz zwischen mittlerem und ortllchem Reibungsbelwert A, jeweils eingetauchte Projektionsflache von Schiff

und Schlitten iii Ablaufrichtung [M9

A2 jeweils benetzte Oberfliiche von Schiff und Schlitten [m2] (Schlitten wurde nicht berticksichtigt !)

Die den Fotos zugehorigen Werte fiir W' sind aus Tafel 1 bekannt Da zwei Unbekannte (Koeffizienten von und A2) in der Gleichung von Benson verbleiben, wird der Faktor von A2, namlich 0,004, belassen, well seine GrOftenordnung keinen wesentlichen Einflu13 auf W' bei quaderformigen breiten SchwimmkOrpern be-sitzt. Die Gleichung von Benson wird nun nach einem zu errechnenflen Koeffizienten C1, der den Wert 0,63 zu ersetzen hat, aufgelost

TV'

52,56 - 0,004 A2

Cl -

_A,

In Tafel 2 sind die Zahlenwerte dieses Koeffizienten errechnet und in Bild 7 ale Funktion des Ablaufweges dargestellt worden. Em Vergleich der Spalte 4 und 5 in Tafel 2 zeigt, daft das Glied 0,004 42 von untergeord-neter Bedeutung fur das Ergebnis let, wie oben

behaup-tet

Um die gefun.denen Werte auch fiir die Berechnung

von Ablaufen ahnlicher v011iger Schwimmkorper

(Schwimrakranpontons, Bremspontons usw.) von ebe-ner Bahn verwenden zu konnen, wurde eine Ausweitung auf A2, A2 und C, ftir glatten Wasserspiegel in Tafel 3 durchgefiihrt tmd ebenfa1L3 in Bild 7 dargestellt. Die gefundene Kurve kann mit geniigender Genauigkeit auch für andere Bahnneigungen wad errechnete Ablauf-wege verwendet werden, wobei die Punkte Eintauchen mid Freischwimmen die gleichen Koeffizienten wie in Bild 7 besitzen miiBten (die Abszisse ist entsprechend zu verzerren). Wesentliche Anderungen des Koeffizienten waren nur beim Eintreten von Dumpen zu erwarten, hierbei wiirfle der C1-Wert plotzlich abfallen. Die Vet.,

Roll- Rapellauf Penton - 219 t Versuch Nr 4 nach ais

&lad weg: 7Z.? m, 5,6 m/s, b- misz

BOB. Fonton mit Wellenkontur be! 72,7 m Ablaufweg

Tafel 2

Tafel 31)

1) D e Warts der Tafel 3 gelten be! AuBerachtlassung der Wellenkonturen. Foto 7 bis 9: Ai und A. gleiche Werte wie bei Beachtung der Wellenkontur (s. Tafel 2), also 1st auch Ci gleich.

haltnisse auf fiblichen Groftschiffshellingen sind jedoch meist so, daB beim Ablauf derartiger Schwimmkorper kein Dumpen zu erwarten sein ird. Ausdriicklich soil nochmals darauf hingewiesen werden, dal3 die neuen Koeffizienten bereits ails hydrod.yrtamischen Einflusse enthalten, sofern die far den Ablauf vorgesehene Ref-ling nicht direkt von einer Kaimauer begrenzt wird. Ablaufe viilliger SchwimmkOrper von einer einseitig direkt begreniten. Helling fiihren zu zusatzlichem Brei-teneinfluB auf Widerstand mid hydrodynamische Masse bzw. zu erhohten einseitigen Riickstromgeschwindig-keiten. Die dadurch meist entstehende Drehbewegung des ablaufenden Schwimm.korpers kann iii einer ernsten Gefalardung des Stapellaufs fiihren.

Eine weitere Verwendungsmoglichkeit der beim Ab-lauf des Pontons gemessenen dynamischen Werte, des aufgenommenen Films mid der jetzt errechneten Werte let das Feststellen des MaBstabfaktors der Helling der Warnowwerft- fur Modellstapellaufe, die spitter evtl. am Institut fiir Theorie des Schiffes beabsichtigt Bind. Durch einen entsprechenden Stapellauf des

Ponton-modells lieBe sich der MaBstabeinfluB leicht iibeiblicken.

Abschliel3end wurde versucht, die rnittlere hydro-dynamische Masse in Langsrichtung zu bestimmen, die wahrend des Pontonablaufes wirksam war. _Hierzu wnrde die ermittelte Beschleuniving iiber dem Ablauf-weg aufgetragen (Bild 8). Bei konstanter Masse wiihrend

3.

Foto _[m/s]v Ablauf-wag

8[ra] D b. a'

-9,'

- D. b- R [MP] R

-

v' tan # -,U R v1 (tan 13 -14) W' -Di ps' m-19 [s]

--- g bl ' 1 ' 6,02 60,5 ' 74,75 36,24 355,51 . -0,210 229,96 - 6,345 0,0286 0,181 -0,029') 21 . 2 6,05 66,0 - 32,20 36,60 359,05 - 0,089 224,15 6,124 0,0286 0,175 0,264 21,9 3 5,6 72,7 -1 104,85 31,36 307,64 -0,340 203,80 6,498 0,0286 0,186 0,526 23,1 4 4,75 80,2 - 126,50 22,56 221,31- - 0,571 163,70 7,256 0,0288 0,207 0,778 24,6 5 3,78 87,5 - 110,40 14,29 140,18 - 0,787 118,25 8,136 0,0286 0,233 1,020 26,5 6 2,98 93,6 - 88,32 8,88 87,11 -1,013 ' 77,25 8:699 .0,0286 0,249 1,202 28,6 7 1,9 103,5 - 42,32 3,81 35,41 - 1,195 12,25 3,393 0,0286 0,097 1,292 33,4 8 1,3 114,5

- 8,05

1,69 18,58 -0,488 6,86 4,059 0,0286 0,118 - 0.602 40,7 9 0,9 126,5

- 2,30

0,81 7,95 - 0,289 0,98 1,209 0,0286 0,035 0,324 51,7 Foto r,..., 2 22 my s- In--.1 52,56 0,004 A2 _{- 0,004 A.}52,56 Cl 1- - 29 - 0,55 0,013 -0,563 .. 2 264 5,02 0,1814 4,8386 1,063 3 526 10,0 . 0,4196 9,5804 0,669 '4 778 14,8 0.8510. 14,149 1,145 5 1020 19,4 0,7140 18,686 1,691 6 1262 24,01 0,7648 23,245 2,371 7 1292 24,58 0,8184 23,7816 2,811 8 602 11,5 0,8184 10,6816 1,173 9 324 6,2 0,8184 5,3816 0,591 Foto Ai (m']9 A, Im9 W' [1cP m" s'] . W' , ., ,,,,, , 0,004 A, , c, 52,56 - 0,004 Al 52,56 .: 1

-

3,25 29 - 0,55 0,013 - 0,663

-2 1,95 42,75 264 5,02 0,1710 . 4,849 2,48 3 4,13 94,74 526 10,0 0,379 9,821 2,32 4 6,57 156,57 778 14,8 0,6263 14,1737 2,18 5 8,97 ' 176,64 1020 19,4 0,7066 18,6934 2,08 6 9,60 190,80 1262 24,01 0,7632 23,2468 2,42 Foto 1

A, = 0

A2 = 3,25 m2 Foto 2

= 4,55m2; Ag = 45,35 M2

Foto 3 A, = 14,30 m2; A2 = 104,91 1112 Foto 4 A, == 12,35 m2; A2 162,75 M2 Foto 5' = 11,05m2; A2 = 178,49.m2 Foto 6

= 9,80m2;

A2 = 191,2 m2 Foto 7 bis 9

A, = 9,10m2;

A2 = 204,6 m2.

des Ablaufs iniiBte bleichheif. der' Integrale tinter der

positiven und, der: negativen :_B:,eschlenhigung (VerzO-gerung) bestehen,- d,enn, die.langfi des A,blaUfweges von

allen liriiften.:geleistere Arbeit muB bei der

Geschwin-., digkeit ebenfells 0 'siin. Setzt Man die aus der

Zeit-Weg,ifessung' erznittelte Besehleunigung als ge-ringed d genp.11--yofitufi;' so 'gilt. :

8 (V =

A = IC4

.

8=

Hierinist im allgemeinSten Fall: (vgl. [3]):

1

.J"

d co

K =

(m m") b F

--9,81 ' 7'.1S C,2 4c4) Bild " Widerstandskoeffizienten

- der Benson-Formel v011ige

. SchwiinnikOrper

;

-Roll - Stapellauf 'Penton - 210 t -Versuch Nr.'4

intauchen Aufdirhen freischwimmen

80 IS2

S '

.fbds

100

Bad 9

Tendenzkurve filr die withrend eines Stapellaufes geleistete Arbeit

B,gd

8-33eStinimung der mittleren ' hydrodirtainischen Masse 12 s, A m. m"

hinge' 'des Ablaufweges geleistete

reililtiefende K.rft (1' Alp

9,81:.trO/62.) 1

.ablaufeiide Schiffes;

:hydrodynninische Me7gse in. -=.1..kingSrichtting

.:.gemessene resulticrende

Besehlou-',Mates: entriigheitsMoment defi SChiffes,

beiogenauf den:pre.hpunkt'beinci

Anfdrehen [t m2]

h3 dredynamisCheiiiA0esentragheits-. .

inontentin derlinfdrehpliaSer his itip

.0!Freischwimmen m9

choldt tier

Anfdrehphase ' - _Es79

h, hip Hiabelarme der Drelikriifte .

. .

Befrachtet, man eirie idealisierte Kdrve zur .Veran-' schaulidinnig der Stapelliiiiiarbeit.anf &Oozier &din 'ins,.

zuin StillStand -des -Schiffes (i3ild 9); So etWeiSt,,sieh-eihe'

Zerlegung'des 'Ginn:dint-600,1s in funf.Teilintegrelly

zweckmai3ig-Irn' Bereibh.nach deni:0i-0AS-eh-whim:I- :en,

-miiBte _die fiir»eine,Moist emtretende_ torelimig des

Schiffes mu die VertikaliiabSe. -alifgeweride-te Arbeit theoretieh .gleichfalls berilelesiChtigt word6n:-:' Beim

Ablanf des Pentens,war eine. iterart_ige -Tirolibewegnng nicht--zif.''.beobChten;;Auch bei Abliidfcii 'normal&

- - - - ;

Scinffsformen diirfte dafiir aufgewendete Arbeit relativ gering..zein; *e±in - die prehhewegung 'niCht

- sehon bei grOBeren AtislaufgeschWindigkeiten durch

Teilintegrale fur die voi1.-del!resizitierenclen g_EC Li/Siete &bell'

s, sz 84 A . 7 - S5 1:

02.0 4YM44,1*.:#,I..*) gi'mjb.#414),Y145 0i14729bds

so s

+ 4.2 -F. .13+

+

-Drebanliei : und Eihnliche. , , - ,--bewuBt -eingeleitet

wurdek' tile in Bild;9 angegebenen. Tellintegralc crgeben nach-Uinstellung:' ' f7-114 49 71: m"b

1"b ds

8. ±- d'

(2-A

hip 7it : 8,

Wenn ffclie' -b-Knrye zwischen' iroind zie,mlich stark

auf 0 abfiillt bzw 8 'und :782 relativ dicht - beibinander liegen, kann .72. vernechliisSikt,-Wefdem 2 Bes

relativ-hinten liegenderniltassemnittelpurikt oder allgerriein bei gerniger "VVinkelbeSchleiinigiing; biaucht auch J5 nicht

-Roll -Stapellauf -...._...

AMPS..

FAIII

21

laisung ,der

Wellen-nuhibei dliii/ :ehin '

pe'lloufen)-WStaenhontik

k

.

Er.

. f intauchen --_. _ jzis(cr A, 4,004 A 2)' 1 - Aps2ni-2.1 Aufdrehen r . Ifreischwimmen 1 ,4 ' 80 100 ' m 120 Ablaufweg

beriicksichtigt zu werd.en.. Da im allgemeinen kein Aus-lauf bis v = 0 mis erfolgt, 1ä13t sich die Integration von J, und J, nur bis zu einem zwischen 84 und 85 (v = 0) liegenden Ablaufweg 79, durchfiihren. Der hierdurch entstandene Fehler wird teilweise durch Vernachlassi-gung- von J, ausgeglichen, das entgegengesetztes

Vor-zeichen besitzt. Im vorliegenden Fall geht die Veit

zOgerung bereits gegen 0, so daB der restliche schmale

Flachenstreifen unberucksichtigt bleiben kann. Fur

these Auswertung un.d für Stapellauffalle, auf die die eben angegebenen Bedingungen zutreffen, kann man mit geniigender Genauigkeit scluviben:

8, ite

m (fbd8fbc1,8) =- fm"bc18.

Da die gesuchte mittlere hydrodynamische Masse konstant iiber den Ablaufweg 1st, ergibt sie sich zu:

M"Mittel In 8°35

bds . bc18

8,

Entsprechend dieser Gleichung erhalt man durch Planimetrieren aus Bild 8 em mittleres Verhaltnis von hydrodynamischer Masse zur Gesamtmasse von 18,4%. Aus diesem Wert folgt, daB sich beim Bestimmen der hydrodynamischen Masse bis zum Freischwimmen nach dem Schaubild in[2] S. 317 zu kleine Werte ergeben, da hierfiir unbeschranktes Fahrwasser als Grundlage diente.

AbschlieBend mochte der Verfasser der Abt. Forschung

und Entwicklung des VEB Warnowwerft, besonders ihrem Leiter, Ing. Hoffmann, fiir Mithille, beim Film und rberlassen des MeBschriebes, dem Filmkollektiv des Institutes

fur Theorie des

Schiffes und cand. ing. Zetzsche fur seine Mitarbeit bei der Auswertung danken.

Zusammenfassung

Die Auswertung des Films vom Stapellauf eines

Pontons auf Bonen ergibt unter Verwendung der Er-gebnisse der Zeit-Weg-Messung geniigend genaue Ko-effizienten in der Benson- Gleichung fur Stapellaufe von

Schwimmkranpontons, Bremspontons oder ahnlichen

volligen

Schwimmktirpern, deren Werte auch auf

andere (seitlich nicht direkt begrenzte) Hellinge iiber-tragen werclen kOnnen, sofern kein Dumpen auftritt.

Die mittlere hydrodynamische Masse beim

Langs-ablauf wurde mit geniigender Naherung bestimmt,

wobei sich em n hoherer Wert als nach dem bekannten Schaubild ergibt.

Die gefundenen numerischen Werte sind wertvolles Vergleichsmaterial zur Klarung des MaBstabeinfluSses

bei Stapellaufmodellversuchen; deren DurchfUhrung spater am Institut fiir Theorie des Schiffes beabsichtigt

let. Literatur

Continents, C.:Stapellaufuntersuchungen mid Messungen DSD Bahia Blanca". Schiffbau 13 (1912) Nr. 11, S. 429 bis 434.

Henschke, W.: Schiffbautechnisches Handbuch, Bd. 10 2. AWL Berlin: VEB Verlag Technik 1957.

Bifrner, W.:Naherungsmeithode zur Analyse der Ablaufvorgiinge von ebenen Bahnen. Schiff und Hafen 11 (1959) Nr. 3, S. 189 bis 182 mid

Nr. 4, S:277 bis 285. SbA 3850

Satz und Druck: Gutenberg i3uchdruckerei tind Veriagsimstait VOB Aufwarts" Weimar V-19-3,.Lizenz-Nr. 5184

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