Versuchsergebnisse and schiffsmodellen im rundlaufkanal und anwendungen auf die bewegung der schiffe

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Von Gerhard S ehm i t z, Rostock

(Auszug eines Vortrages auf dem Symposium Moderne Untersuchungen der Schiffstechnik" vom 24. bis 26. Mai 1965 in Rostock)

Die Bewegung eines Schiffes infolge Ruderausschlag und das Abklingen einer Störung, die dynamische Gier- oder Kurs-stabilität. ist nach den im Schiffbau herrschenden -'n

empirischen Regeln auf diesem Gebiet erst durch Probefahrten des Schiffes selbst zu beurteilen. Beim Entwurf eines Schiffes

wird im allgemeinen nur Wert auf ausreichende Ruder-wirksamkeit gelegt; über die dynamische Gierstabilität, eine Eigenschaft des Schiffes bei festem Ruder, sind keine

For-derungen aufgestellt und werden keine Untersuchungen

durchgeführt. Fehlt aber diese Stabilität, so ist einem Ruder-ausschlag bei noch so guter Ruderwirkung keine eindeutige Bahn des Schiffes zugeordnet. Ztr. jedem Ruderwinkel gehören drei stationäre Drehkreise, wovon zwei stabil sind und einer instabil ist. Es ist dem Zufall überlassen, welche Bahn das

Schiff tatsächlich fahrt. Abgesehen von den damit verbundenen Gefahren kann clic Fahrt eines solchen Schiffes nicht geregelt werden, es kann nur auf einer ausgeprägten Schlängelfahrt den Kurs halten. Hierbei treten nach japanischen Messungen starke Widerstandserhöhungen auf.

Die gesteuerten Bewegungen und die dynamische Gier-stabilität eines Schiffes können bereits beim Entwurf des

SchifFes berechnet und beurteilt werden, wenn Modellversuche

zur Bestimmung der Kräfte am Schiff im Rundlaufkanal

durchgeführt werden.

Bei gewissen unwesentlichen Vereinfachungen sind die Kräfte neben der Form des Schiffes abhängig vom Gier- oder Schiebewinkel rb', vom Ruderwinkel und von der

momen-tanen Bahnkrümmung Q = -

(L Sthiffslänge, R Krüm-mungsradius der Bahn), die im Rundlaufkanal leicht variiert werden können.

Bei Kenntnis der Beiwerte der Querkraft e1 und des Gier-momentes e,,, in Abhängigkeit von , Q und 6R können aus den dimensionslosen Bewegungsgleichungen

- K1

y'

cos + K Q cos rp = c, (y, Q, ÖR) /.iQ'= Cm(y, Q, R)

p und Q bei vorgegebenen berechnet werden.

K, K1 und u sind dimensionslose Massen und

hydro-dynamische Massen bzw. Trägheitsmomente.

Aus y und Q folgt die Lage des Schiffes und die Bahn des Schwerpunktes.

Bei Linearisierung von c, und Cm nach y und Q gehen die gekoppelten Bewegungsgleichungen in zwei getrennte Sthwingungsgleichungen für y und Q über, aus denen das Vorhalten des Schiffes infolge einer Störung in rp und Q im Ablauf der Zeit errechnet werden kann.

Bei stationären Drehkreisen verschwinden in den

Gleichungen die Glieder mit y' und Q'.

Inn Rundlaufkanal des Institutes für Strömungslehre in

Rostock [5] wurden die Modelle der Frachtschiffe Typ IV der

-

--

r Schiffe

Warnowwerft und der Mariner Klasse untersucht. Gemessen

t'

wurde der Widerstand W, die Querkraft Y senkrecht zur Bahn und das Giemmoment . Das Zeichen A soll sagen, daß die Meßwerte die gesamte vom Wasser ausgeübte Wirkung ein-schließlich der Trägheitskräfte des Wassers bei Bewegung auf der Kreisbahn enthalten. Die Modelle waren fest am Waagen-kopf befestigt, abgesehen von einer Meßreihe mit freier Ein-stellung von Tiefgang und Trimmlage. Variiert wurden neben 'p, Q und in einigen Meßreihen der Tiefgang T, der Trimmwinkel , und der Rollwinkel p. Am Modell Typ IV

wurde der dynamische Auftrieb gemessen. Alle Versuche wur-den ohne Propeller durchgeführt.

Einige Versuchsergebnisse seien hier mitgeteilt. Abb. 1 und 2 zeigen die Ergebnisse von zwei Messungen am Typ IV im Abstand eines halben Jahres. Die Meßwerte passen gut zu-sammen. Die ausgezogenen Kurven sind die Werte von Aus-gleithspolynomen nach der Messung vom Juli 1963. Die ge-strichelten Kurven geben die einfache Theorie des schlanken Körpers bei Ersatz des Schiffes durch einen Zylinder [4]. Die starke Abweichung im Moment ist zum Teil auf die

Ver-nachlassigung des quadratischen Gliedes, vor allem aber durch Oberflächenwellen zu erklären. Versuche mit einem ge-spiegelten Doppelmodell sind in Vorbereitung. Versuche mit und ohne Ruder ohne Ruderausschiag zeigen, daß die Ruder-wirkung nach dem Moment des Sthiffskörpers ohne Ruder

nicht bestimmt werden darf (Abb. 13).

Nach Abb. 4 ist der Trïmmwinkel von starkem Einfluß auf Querkraft und Giermoment, was aus der Anderuni des Tief-gangs am Heck des Schiffes zu erklären ist. Der Tiefgang ist auf die Beiwerte (bezogen auf die jeweilige Lateralfläthe) nicht von so großem Einfluß (Abb. 5). Erwartungsgemäß ist der Rollwinkel nur von geringem Einfluß (Abb. 6).

Abb. 7a zeigt die Größe der Vertikalkraft infolge der Be-wegung, den dynamischen Auftrieb. Mit einem Beiwert von 0,07 bezogen auf die Wasserlinienfläthe ergibt sich eine nennenswerte Kraft nach unten, die bei freier Bewegung des Schiffes durch einen größeren Tiefgang ausgeglichen wird.

Das Modell der Mariner Klasse wurde bei festgehaltenem Modell und bei freier Einstellung des Tiefgangs und der Trimmlage gemessen. Die Änderung von Tiefgarng und Trmmmwinkel durch die Bewegung zeigt Abb. Th. Der Tief-gang ändert sich etwa um 5°/o, der Trmmmwinkel im wichtigen Bereich um 0,1g. Querkraft und Momentenbeiwert bei fest-gehaltenem Modell und freier Einstellung sind ebenfalls_in Abb. 7b dargestellt.

A A

Die Polaren c, (c,,,) mach Abb. 8 zeigen ein starkes An-wachsen des Widerstandes mit der Querkraft bzw. dem Sdiebewinkel, so daß bei der Kreisfahrt große Widerstände auftreten. Die Verringerung des Widerstandes bei kleinen negativen Gierwinkein entsteht durch clic Komponente der Sdìiff und Hafen, Heft 8/1965, 17. Jahrgang

649

ARCHIEF

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Scheepsbouwkunde

Heraus g e b e r

Qro. Dr-Ing. Dr-Ing. E. h. G. Schnadel Fernsprecher: Hamburg

3'921ft

367830

ORGAN DR SCHIFFBAUTEC-!MISCHN GESELLSCHAFT

Monotszeitschrift für die Fachwissenschaft und Praxis des Schiffbaues Schlffsmaschlnenbaues der

Strom-und Hafentechnlk Strom-und zugehörigen Industrie . Mitteilungsb!att des Archivs für Schiffbau Strom-und Schiffahrt

D r u c k u n d Ve rI a g C. D. C. Heydorns Bud,druckerei, 2082 Uetersen i

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Fernsprech-AnschIOsse Ueferseri 2236 und 2650

JAHRGANG 17

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Abb. 1: Querkraftzahl c In Abhängigkeit vorn Cierwinkel y für verschiedene Q. Vergleidi mit der Theorie des schlanken

Körpers

Abb. 3: Querkraft- und Gierrnomentenzahl in Abhängigkeit corn Gierwinkel p für versthiedene Größen der Rudcrfiäthe

hei Q = 0,296

0.20

Momenteuzahi Abb. 2: Momentenzahl in Abhängigkeit coin Gierwinkel

für verschiedene Q. Vergleich mit der Theorie des schlanken Abb.. 4: Einfluß des Trinzinwinkels z auf Querkraft- und Körpers

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Abb. 5: Einfluß des Tiefgangs auf Querkraft- und Mo,nentenzahl

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Abb. 6: Einfluß des Rollwinkels p auf Querkraft- und

Momentenzahl .4z T.113rr,n, -qIG 7-. OOrr,e, -012 -J i, -alo > ' -qo8 -qoG -qo'. q02. 0,22 02', 0,28 028 030 O,3

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der Pube/oge u

Abb. 7h: Änderung des Tiefgangs und des Trimmwinkels durch die Bewegung des Modells und Einfluß auf Querkraft

und Giermoment

,,Zentrifugalkraft" der hydrodynamischen Massen m und m. Zieht man diesen Widerstand bei Bewegung in idealer Flüssig-keit ohne freie Oberfiithe

W1d=(mYmX)

oder für den Beiwert

Sthiff und Hafen, Heft 8/1965, 17. Jahrgang

651

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T-1l8,3,', Abb. 7a: Dnamisther Auftrieb (Sthiebewinkel ', = O)

T.90 ,,-,,,, T-60 ,',-,r,, 42 018 0,16 0,1 w; 0,0 0, 0,2 0,0 f. o f. +10 f 0°

Oben: Abb. 8:

Gemessene Querkraf

t-AA

polaren _,(cn,) und Polaren bei Abzug der Widerstands-zahl c

= (;c,(.r) Q

aus den hydrodynamischen Massen bei idealer Flüssig-keit

Rechts: Abb. 9:

Vergleich der Querkraftzahl

A

c, der Messungen am Modell der Mariner-Klasse im Institut für Strömungslehre und im Daeidson Laboratorium Unten: Abb. 10: Stationäre Drehkreise bei verschiedenen Ruder-winken für Typ IV (nach Modellmessungen ohne Propeller) 0.5 O t0 20'30' QL -- ___-¡

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652 Schiff -und Hafen, Heft 8/1965, 17. Jahrgang

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von den gemessenen Widerständen ab, so ergeben sich

durch-aus Polaren wie bei einem gekrümmten Profil auf gerader

Bahn (Abb. 8).

Das Modell Mariner" wurde im Institut für Strömungs-lehre im Rahmen des' Zusammenarbeit mit dem Manovruer-komitee der I.T.T.C. untersucht. Entsprechende Messungen wurden auch im Davidson Laboratorium (New York) durch-geführt. Wenn auch die Versuchsanlagen, die Meßmethoden und die Art der Versuchsclurchführung in beiden Anstalten sehr verschieden sind, so fügen sich die Ergebnisse doch recht

gut zusammen. Einen Vergleich der Querkraftwerte durch Auftragen der Meßergebnisse über Q zeigt Abb. 9. Auth die Momentenbeiwerte passen gut zusammen.

Eine Anwendung der Bewegungsgleichungen zeigt, daß beide Schiffe dynamische Gierstabilität auf gerader Bahn und folglich auch auf jeder Kreisbahn besitzen. Eine Störung im

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Gierwinkel klingt beim Typ IV nach 4,8 Schiffslängen, beim Mariner nach 2,8 Schiffslängen auf - der Anfangsstörung ab. Aus Abb. 10 ergeben sich für den Typ IV die stationären Drehkreise zu jedem Ruderwinkel und die dynamische

Gier-stabilität. Die Kurven wurden aus den Meßergebnissen

graphisch ermittelt. Die Wertpaare sp, Q von k erfüllen die Kraftgleiehung, die von m die Momentengleithung für den

stationären Drehkreis. Ihre Schnittpunkte geben sp0 und Q0 für dic stationären Kreise beim jeweiligen Ruderwinkel. ist die Neigung von _kgrößer als von m' so ist das Schiff dy-namisch gierstabil, ist sie kleiner, so ist es instabil.

Der gemessene Drehkrcisradius von 14 Meßfahrten des

Schiffes bei einem Ruderwinkel zwischen 83° und 85° stimmt

hervorragend mit dieser Auswertung der Ergebnisse des

Rundlaufkanals überein (Abb. 10). Literaturverzeichnis

[1 J Bräu, R. Ober die Kursrogelung von Schiffen. Vortrag ¡ri Rostock am 21. Mol 1964.

[21 Keizo, Oeno, Some Experiments of Yawing Effect on Ahead Re. sistance of Ships, Memoirs of the Faculty of Engineering, Kyushu

University, Jopos; 22 (1962), S. 37-45. 0,6 -e 0 00? '.t202 -, '12' 003 0 00? "2 .70 0.03 -W-/2' +lß-l0' OU?- 8' -

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Trirnrnloge Ñei) Dav,dson Laboratorium P'r'O,153 Re0,2L'I0 o -' Mariner Q0,292 r

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3) Davidson and Schiff: Turning and Course-Keeping Qualities, SNAME 1946, S. 152.

4J Schmitz, G.: Anwendung der Theorie des. schlanken Körpers auf die

dynamische Gierntabilität und Steuerbarkeit von Schiffen.

Wissenschaftliche Zeitschrift der Universität Rostock, 10. Jahrgan 1961, Moth-Not. Reihe, Heft 2/3 und Schiff und Hofen, Juni 196 S. 479.

[5] Schmitz, G.: Der Rundlaufkonol des Institutes fi.ir Strömungslehre der Universität Rostock.

Wissenschaftliche Zeitschrift der Universität Rostock, Math.-Not. Reihe, 1963, Heft 2, Schiffbautechnik 14, 1964, Heft 1, 5. 20. f6J Schmitz, G.: Erprobung des Rundlaufkonols des Institutes für

St römungs lehre.

111e Lnsesllkeils- und Tthmnrechnunj

mît einem ehachen eekrsden Anilogiemode11*)

Von Dipl.-Ing. Christoph Reißmann, Rostock

Die Berechnung der Längsfestigkeit eines schlanken Schiffes auf üblichem Wege (numerische oder graphische Methode) erfordert einen relativ hohen Zeitaufwand [1]. Aus diesem Crunch' ist diese Reclintsng in jüngster Zeit für elektronische Digitalredienautomaten aufbereitet worden. Hierbei muß aber dem Digitairedmer ein umfangreiches Datenmaterial (z. B. Aufmaßtabelle) zur Verfügung gestellt werden, so daß sidi die Längsfestigkeitsrechnung mittels eines Automaten praktisch nur zusammen mit anderen schiffstheoretischen Be-rechnungen rentabel gestaltet. Aber auch dann ergeben sich noch ziemlich hohe Kosten [2].

Der projektierende Ingenieur möchte aber schon in einem frühen Stadium des Entwurfes einen Überblick über die

Eigenschaften des geplanten Schiffes hinsichtlich seiner Längs-festigkeit und des Trirnms bei verschiedenen Ladezuständen und verschiedenen Wellenlagen und Formen haben, wobei er sichdann meist der üblidien Handrechenmethoden bedienen muß.

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Abb. 1: Arbeitsablaufdiagramm bei der Längst estígkeitsrechnung

Kurzfassung des Vortrages Die Berechnung der Längsfestigkeif eines Schiffes mit Hilfe eines elektrischen Anologiemodelles', den der Ver-fasser auf dem Symposium _{über Moderne Untersuchungsmethoden}

der Schiffstchnik' am 24. 5. 1965 iii Rostock hielt. Die vollständige

Fassung wird in der Zeitschrift .Schiffbouforschung" 4 (1965), _{Heft 34,}

erscheinen.

Wissenschaftliche Zeitschrift der Universität Rostock, Math-Nat.

Reihe, 1964, Heft 1.

[71 Suorez, A., Breslin, J.: The Davidson Loborotoiy Rotating-Arm

Facility, DL. Note No. 597, Ninth Intern. Towing Tank Conference

Paris, September 1960.

[.3] Vossers, G.: Some Applications of the Slender Body Theory in Ship Hydrodynamics, Publication No. 214, Netherlands Ship Model Basin, Wageningen.

[91 Schmitz, G.: Kräfte und Momente infolge der Bewegung eines

Schiffes osf gerader und gekrümmter Bahn. Schiffboutechnik 1956, S. 10.

[10] Suorez, A.: Rotating Arm Experimental Study of o Mariner Class

Vessel, Davidson Laboratory, Note No. 696, Juni 1963.

a)

Q

Abb. 2: Analogie zwischen querbelastetem Balken und einer Widerstandskette

In Abb. i ist ein Arbeitsablaufdiagramm der traditionellen Rechenmethode in Form eines Flußdiagramms dargestellt.

Es bedeuten:

K (x) = EI (x) Steifìgkeitsverlauf

g Cx) _{Cewichtsverteilung längs des Schiffes}

a (x) Auftriebsverteilung längs des Schiffes p (x) Streckenbelastung des Schiffes

Q (x) Querkraftverlauf

M (x) Momentenverlauf

\X)

fiktive Streckenbelastung

K (x)

w' (x) Neigung der Biegelinie w (z) Durchbiegung des Schiffes

z laufende Koordinate

L Schiffsliinge

Neben den zahlreichen Integrationen nehmen die Korrek-turen zur Erfüllung der Randhc'dingungen (Verschwinden der Auflagerreaktionen an den Schifisenden) durch Tauchungs-änderungen und Auftriebsverschiebung viel Zeit in Anspruch. Alle in Abb. i durch ein (X) gekennzeichneten Operationen werden von dem im folgenden beschriebenen Analogiemodell schnell und mit genügender Cenauigkeit ausgeführt.

Sdsif f und Hafen, Heft 8/1965, 17. Jahrgang 653 [ß:t,ie as

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