Seegangswarngerät als instrumentelle entscheidungshilfe für die schiffsführung im seegang

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Schee.psbouwkunck

Technische Hogeschool

Seeganarngerät als instrumentelle

Entscheidungshilfe für die Schiffsführung im Seegang

von Dipl-Ing. Arno Westram und Dr-Ing. Dieter Hachmann, Germanischer Lloyd AG, Hamburg Herrn Dipl-Ing. Karl Hottinger zum 75. Geburtstag gewidmet

Schiffsführungen tendieren zur Überschätzung der durch Seegang entstehenden

Gefähr-dung für Schiff und LaGefähr-dung und reduzieren die Fahrt entsprechend. Das Bestreben nach

Ein-haltung der geplanten Ankunftszeit erfordert, die Einbußen durch anschließende Geschwin-digkeitserhöhung mit überproportionalem Leistungsbedarf auszugleichen. Für die objektive Beurteilung der aus Seegang und Schiffsgeschwindigkeit resultierenden Belastung wurde ein Seegangswarngerät entwickelt, das von Aufnehmern gelieferte Signale mit einer schiffs-spezifischen Software auswertet und ein Fahrtempfehlungsdiagramm ausgibt. Wichtige Bestandteile dieser Seegangswarneinrichtung sind im Schiff angeordnete Beschleunigungs-aufnehmer und lG-Meßverstärker. Die Aufnehmer lassen sich neben den elektronischen Bausteinen in den robusten Gußgehäusen der Verstärker unterbringen. Die Meßeinrichtun-gen sind sehr einfach kalibrierbar. Der Aufsatz beschreibt auch reale Auswertungsergebnis-se für das als Erprobungsträger dienende 162 m lange MS Stuttgart Express".

1. Einleitung

Der Trend zu neuartigen Schiffstypen mit

notwendiger-weise ausgetüftelten Konstruktionen ergibt den

zuneh-menden Bedarf nach einem Gerät, das im Seegang bei

ver-ringertem Schadensrisiko für Schiff und Ladung die

Fahr-leistungen zu steigern hilft. Dazu wurde vom

Germani-schen Lloyd initiativ in Zusammenarbeit mit der AEG das sogenannte ,,Seegangswarngerät" entwickelt. Diese

Ent-wicklung war als Teil des vom BMFT unter dem

Kenn-zeichen MTK 200 B geförderten Forschungs- und Entwick-lungsvorhabens Schiff der Zukunft" gefördert worden. Im Vordergrund der Entwicklung stand die Lösung des Ziel-konflikts der Schiffsführung, der geprägt ist von den For-derungen

Einhalten der geplanten Ankunftszeit Minimierung des Treibstoffverbrauchs

Vermeidung von Schäden an Schiff und Ladung

Auch in Situationen, wo Schäden an Schiff und Ladung praktisch nicht zu erwarten sind, tendieren die

Schiffs-führer dazu, im berechtigten Interesse nach einem sicheren Schiffsbetrieb, die Gefährdungen zu überschätzen und die Fahrt zu reduzieren. Die Einbußen müssen anschließend

durch erhöhte Geschwindigkeit mit überproportionalem Leistungsbedarf wettgemacht werden. Das Seegangs-warngerät liefert dagegen objektive Meßwerte und

ent-spricht einem ,,Radar" für den Seegang zur Wahl der an-gemessenen Schiffsgeschwindigkeit. Die Anpassung des

Schiffsbetriebs beinhaltet u.a. auch die geeignete Wahl der Beballastung. Bei gutem Wetter sind größere

Glatt-wasserbeanspruchungen zulässig, die bei Wetterver-schlechterung durch Ballast gezielt reduziert werden.

Die Auswertung von Statistiken über

Treibölmehrver-bräuche im Seegang und über Seeschäden zeigt, daß die erhöhten Verbräuche kostenmäßig eindeutig überwiegen. Optimale Verbräuche werden insbesondere bei größeren

30

19 MEl 1988

ARCHEF

Schiffen zumeist dann erzielt, wenn die Geschwindigkeit so lange wie möglich beibehalten wird. Dazu wäre die An-triebsleistung mit Zunahme des Seegangs zu erhöhen, bis das erhöhte Risiko für Schiff, Maschine und Ladung ein kräftiges Einlegen erfordert.

Beim Germanischen Lloyd wurde ein Verfahren zur

Berech-nung der zusammengesetzten Gefährdung aus verschie-denen Schadenskomponenten entwickelt. Berücksichtigt sind dabei u.a. Stöße auf das Vorschiff, Biegung und

Tor-sion mittschiffs und Beschleunigungen der Ladung. Die

Anzeige der zusammengesetzten Gefährdung wird insbe-sondere durch Hinweise und Anregungen von Nautikern und durch die Erfahrungen, die der GL seit vielen Jahren vor allem auf verschiedenen Schiffen gesammelt hat, zu einem wertvollen Hilfsmittel für die Verbesserung der Wirt-schaftlichkeit Im Seegang. Hier sei nochmals erwähnt, daß jeder unnötige Zeitverlust von einer Stunde einen Mehr-bedarf an Treiböl bedingt, der das Doppelte bis Dreifache des stündlichen Verbrauchs ausmacht.

2. Hauptmerkmale des

Seegangs-warngeräts

21 Monitorinhalt

Auf einem Bildschirm wird das Seeverhalten des Schiffs übersichtlich angezeigt, ein Drucker kann wahlweise zuge-schaltet werden. Dabei können am Bildschirm die in Bild i gezeigten Informationen über die aktuelle Situation und deren Trend, in einer anderen Bildart aber auch ein

spe-zielles Fahrtempfehlungsdiagramm dargestellt werden.

Bild 1 a gibt in schematischer Form die Monitordarstellung der aktuellen Situation wieder, in Bild i b ist ein Foto der Anzeige des auf der Brücke des Schiffs befindlichen Moni-tors gezeigt.

Anhand von Bild i sollen jetzt die vom Bildschirm wieder-gegebenen Informationen über die aktuelle Situation kurz erläutert werden. Die wesentlichen Gefährdungen sind in Balkenform dargestellt. Meßbalken sind vorgesehen für:

Stöße auf das Vorschiff

Vertikale Beschleunigungen im Vorschiff Spannungen im Deck mittschiffs Leistungsmehrbedarf im Seegang

Querbeschleunigung in der oberen Containerlage Rollbewegung

Die Länge der Anzeigebalken entspricht den erwarteten Maximalwerten der Schiffsbewegurtgen oder Belastungs-komponenten, lediglich bei dem Leistungsmehrbedarf wird der Mittelwert angezeigt. Die Farbgebung der Meßbalken -gelb oder rot hängt ab von der Länge. Bei Überschreitung der Hälfte des Auslegungsgrenzwerts wechselt die Fär-bung auf rot. Zusätzlich erscheinen Digitalwerte der in den

letzten 15 Minuten gemessenen Maximalwerte der o.g.

Meßgrößen. Ferner wird die Lage der aktuellen Meßgröße im Balken durch ein Dreiecksymbol markiert. Links unten

im Bild ist der Verlauf der sogenannten

zusammenge-a) b) LI5T MEHpBE:r sw

, M

-Bild 1:

Monitordarstellung der Anzeige der

zusam-mengesetzten Gefährdung durch das

See-gangswarngerät

schematische Wiedergabe Foto der Monitordarstellung

Bild 2: Blick auf den Kommandoplatz der

Schiffsfüh-rungszentrale mit Farbmonitor für die

Über-wachung

setzten Belastung über die jeweils zurückliegenden sechs Stunden dargestellt, so daß der allgemeine Trend der Be-einträchtigung auf einen Blick erkennbar wird. In Verbin-dung mit den Vorhersagen aus den Wetterdiensten kann die Schiffsführung dann durch Extrapolation die noch zu erwartende mögliche Gefährdung abschätzen. In schwe-rem Wetter geht die Kurve der zusammengesetzten

Bela-stung an den oberen Bildrand. Das ist dann das Signal

dafür, die einzelnen Komponenten der Gefährdung gezielt zu betrachten und die Fahrt des Schiffs so einzustellen, daß dessen Belastung erträglich bleibt. Unter Ziffer 5.4 wird auf die zusammengesetzte Belastung" näher eingegan-gen. Unten rechts wird in einer Kompaßrose die Stärke und Richtung des Winds angegeben.

Zusätzliche Angaben im Bildschirm über Propellerdreh-zahl, Brennstoffverbrauch pro Seemeile etc. sind möglich wie rechts unten in Bild i b zu sehen. Die Gestaltung des

Bildschirminhalts wurde gemeinsam mit der

Seefahrt-schule in Hamburg entwickelt. Bild 2 zeigt einen Blick auf

den Kommandoplatz in der Schiffsführungszentrale mit

dem beschriebenen Farbmonitor.

achter! ¡che vor! Ic he ochterliche

See See See

quereinkornrnende See quereinkommeride See

-

'w w

Messtechrrische Briefe 22(1986), Nef t 2 31

90 180 270 360

Begegnuri9swir*eI zwischen Schiff und Seegori

ri Grad

--Bild 3: Schematische Wiedergabe eines vom Monitor angezeigten Fahrtempfehlungsdiagramms 25 t 20 15 E 5 o

2.2 Diagramm für Fahrtempfehlungen

Bild 3 zeigt ein Fahrtempfehlungsdiagramm für ein Con-tainerschiff wie es vom Seegangswarngerät auf dem Moni-tor auf der Brücke des Schiffs ausgegeben wird.Hier ist die empfohlene Schiffsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Begegnungswinkel zwischen Seegangshauptrichtung und Schiff für verschiedene Beaufort-Stärken aufgetragen.Die den Beaufort-Stärken zugeordneten signifikanten Wellen-höhen und Perioden entsprechen hier den Mittelwertenim

Nordatlantik. Probleme bei der Empfehlung treten auf,

wenn im Einzelfall Wind, See und Dünung unterschiedlich gerichtet sind. Deshalb dient das Diagramm vorzugsweise

der generellen Routingplanung.

Die Erstellung detaillierter Diagramme für individuelle Kombinationen zwischen Wind. Wellen und

Beladungs-zustand des Schiffes kann vom Bordrechner entsprechend der unter Ziffer 5 näher erläuterten Zusammenhänge

rela-tiv leicht vorgenommen werden. Zur Zeit werden dem Schiff ausgewählte Diagramme für typische Kombinationen der Bedienungsanleitung des Seegangswarngerätes

beige-fügt.

3. Hardware

3.1 Meßgräßenaufnehmer

Ein wesentliches Ergebnis einer Erprobungsphase auf der MS Stuttgart Express" in den Jahren 1982 bis 1985 be-steht darin, daß die Anzahl der notwendigen Aufnehmer auf neun reduziert werden konnte. Da heute im allgemeinen auf Schiffen mit hohem technischem Standard die Signale

der Windrichtung, Windgeschwindigkeit,

Propetlerdreh-A1,V1 VertkotbeschLeunI9ung A2,V2 (VertkaLbeschIeursgung) A3. V3 (Querbesrthteuniguog) PropeIterdrehzoh Schitfsgeschwindìgkeit Propeiterdrehrnoment Schiffskurs 16230m

Tabelle 1: Übersicht über die für das Seegangswarn-gerät erfaßten Meßgrößen und die Positio-nierung der zugehörigen Aufnehmer

32

moment, Schiffsgeschwindigkeit und Schiffskurs ohnehin vorhanden sind, wird nur die problemlose Installationvon drei zusätzlichen Beschleunigungsaufnehmern erforder-lich, deren Anordnung aus Bild 4 ersichtlich ist. Tabelle i gibt eine Übersicht über die erfaßten Meßgrößen und die Positionierung der Aufnehmer. Kreiselanlagen und DMS-Mef3stellen haben sich wegen der aufwendigen

Betriebs-unterhaltung und den teilweise unsicheren

Signalquali-täten langzeitmäßig nicht bewährt. Durch die verringerte Zahl der Aufnehmer wurde die Zuverlässigkeit erhöht und der Preis deutlich gesenkt.

Die Beschleunigungen werden gemessen durch

Beschleu-nigungsaufnehmer vom Typ B 12/200. Der große Vorteil dieser Aufnehmer liegt in der einfachen statischen Kali-briermöglichkeit durch Drehen in der Vertikalrichtung um 180" oder ± 90°, wodurch der Ausschlag für ± 1 g

(Erdbe-schleunigung) erzeugt wird.

Als Meßverstärker gelangen die in jahrelangen Erpro-bungen vom Germanischen Lloyd getesteten und bewähr-ten IG-Meßverstärker zum Einsatz. DieMel3verstärker des

1G-Systems sind in robusten Gußgehäusen aus Aluminium untergebracht. Die Kabelzuführungen erfolgen über

Pg-Verschraubungen. Die in den Gehäusen befindlichen Ver-stärker sind in Modulbauweise aufgebaut und können in

Anpassung an die Aufgabenstellung ein- oder mehrkanalig

gestaltet sein. Sie stehen als Gleichspannungs- oder

Trägerfrequenzmeßverstärker mit 225 Hz und 5 kHz zur

Verfügung.

Günstig für den vorgesehenen Anwendungsfall zur Be-schleunígungsmessung wirkte sich die durch die

Geräte-konzeption gegebene Möglichkeit aus, die

Beschleuni-gungsaufnehmer im Verstärkergehäuse mit unterzubrin-gen. Bild 5 zeigt in einem Foto die Anordnung der beiden

für Vertikal- und Querbeschleunigung eingesetzten

Be-schleunigungsaufnehmer B 12 hinter der Platine im Guß-gehäuse eines zweikanaligen 5-kHz-Meßverstärkers.

Die Windmeßanlage, bestehend aus Anemometer und Richtungsanzeiger, sollte möglichst auf dem vorderen Signalmast so hoch angeordnet werden, daß sie wenig

B 12 für Querbeschleunigung

B 12 für Vertikalbeschleunigung

Bild 5: Im Gußgehäuse der IG-Mef3verstärker hinter

der

Verstärkerpiatine untergebrachte

Be-schleunigungsaufnehmer B 12

Messtechnische Briefe 22(19861, Heft 2

Nr. Meßgröße Position der Aufnehmer

Al vertikale Beschleunigung Vorschiff (Back), Spt. 195, CL A2 vertikale Beschleunigung Torsionshauptträger, Bb.-Seite, Spt. 82

A3 Ouerbeachleunigung Torsionshaupttràger, Bb.-Seite, Spt. 82

A4 Windgeschwindigkeit Top vorderer Mast

A5 Windrichtung Top vorderer Mast

A6 Propellerdrehmoment im Schiff bereits vorhanden

A7 Propellerdrehzahl im Schiff bereits vorhanden A8 Schiffsgeschwindigkeit im Schiff bereits vorhanden

A9 Schiffskurs im Schiff bereits vorhanden

Bild 4:

Für das Seegangswarngerät zu erfassende

A4. A5 (Windgeschwnthgkeit. Wäidnchtung)

A Aufnehmer

durch hochgehende Gischt beim Einsetzen des Schiffs in die See beaufschlagt wird. Prinzipiell kann man Störungen und Beschädigungen vor allem an den Anemometerscha-len nicht ausschließen. Die Anordnung der Windmeßan-lage im Bereich der Brücke bringtzu viele Störungen infolge des Einflusses des Deckshauses und örtlicher Gegeben-heiten wie z. B. Turbulenzen infolge Gittermasten. Die Signale der Propellerdrehmomente und der Propeller-drehzahl sind mehr und mehr auf modernen Schiffen vor-handen. Sowohl Anlagen der Fa. Hoppe Bordmeßtechnik (Messen der Verdrehung zweier definierter Wellenquer-schnitte über die Phasenverschiebung von Tachogenera-toren) als auch auf der DMS-Technik basierende Meßan-lagen sind im Einsatz. Die Signale werden dem Seegangs-warngerät zugeführt und dort aufbereitet.

Die Schiffsgeschwindigkeit wird üblicherweise durch so-genannte Log-Systeme gemessen.

Genauigkeitsschwie-rigkeiten entstehen hier je nach Meßprinzip in der Ab-hängigkeit der Aufnehmersignale von der

Anströmge-schwindigkeit, die vom Seegang, Kurs, örtlichen Einflüs-sen, Tiefgang, Trirrim und Außenhautzustand abhängen können. Wünschenswert ist demgegenüber die Messung der Geschwindigkeit relativ zu einer Wasserschicht bei ca. 40 m unter Kiel, wie sie von modernen Doppler-Logs in der Betriebsart water-track" vorgenommen wird. Bei dem

gegenwärtigen Stand der Technik gibt es dennoch keine überzeugende Möglichkeit zur Messung der Geschwindig-keit durch das Wasser. Deshalb wird die Schiffsgeschwin-digkeit auch von der Propellerdrehzahl und dem Propeller-drehmoment abgeleitet. Flachwassereffekte werden bei dem beschriebenen Verfahren nicht berücksichtigt. da es

vorwiegend Atlantiküberquerungen oder vergleichbare

Routen betrifft. Die Doppler-Log-Anzeigen werden hier nur zur Kontrolle und wenn sinnvoll zur Justierung

herange-zogen.

Die Erfassung des Schiffskurses ist für die Schiffsführung zur Dokumentation bei Schlechtwetter und für die Zuord-nung des Windeinfaliwinkels wichtig. Generell gibt es keine

Festlegungen, wie die Winkelsignale im

bereichsüber-schreitenden Augenblick (0°/360°) den Rechnern mitgeteilt und verarbeitet werden sollen. Digitalanzeige und serielle Schnittstellen erscheinen hier am besten geeignet.

3.2 Computer-Hardware

Das Kernstück der Computer-Hardware ist ein zukunfts-weisender Mikroprozessor 68000 mit VME-Bus und

An-passungsfähigkeit an erweiterte zukünftige Problemstel-lungen. Unter anderem ist vorgesehen, einen Ladungs-rechnerfür statische Lastfälle zu integrieren. Die Speicher-kapazität beträgt z.Z. 512 kbyte RAM.

Das Betriebssystem ist VERSADOS mit Mehrplatzsystem für vier Anwender und sechs gleichzeitigen Programmen.

Im Seegangswarngerät werden vier Programme simultan ausgearbeitet. Es sind dies die Meßdaten-Akquisition, die Fourieranalysen, die Datenauswertung und die Kommuni-kation mit dem Grafikprozessor.

Mit Ausnahme eines TV-Monitors und den Verstärkerein-heiten läßt sich die Hardware in einem genormten 19-Rack

mit Höhe einer Doppel-Europakarte unterbringen. Alle

Komponenten sind vom Germanischen Lloyd dem Typ-test" für elektrisches Equipment unterworfen worden.

4. Signalaufbereitung

Die verstärkten Signale der Beschleunigungsaufnehmer werden für jeden Kanal mit einer 10-Hz-Rate digitalisiert.

Im Frühstadium der Entwicklung betrug die Abtastrate 5Hz, was zu ungenügender Genauigkeit bzw. höherem Rechen-aufwand beim Auftreten von Spitzenwerten der

Vertikal-beschleunigung im Vorschiff führte. Bei einer

Abfrage-frequenz von 10 Hz werden 1024 Meßdaten kontinuierlich

in einer Zeitreihe x(t)

über eine Grundperiode von

Tm = 102,4 Sekunden behandelt. Die Fouriertransformation liefert mit f0 = 1/Tm die Cosinus- und die Sinuskomponen-ten der Fourierreihe

512

x(t) =

(a,cosi2rf0t + b,sini2rf0t).

1U

Die Ableitung nach der Zeit liefert

512

*(t) = 2t fo ¡[b, cos (i 2r tot) - a sin (i 2.t tot)]. (2)

¡=1

Die Ordinaten im Spektrum (Schätzwerte) ergeben sich für die Zeitfunktion x(t) zu

=

(a + b)

2f0

und für die 1. Ableitung k(t) zu

k (i f0)

(2i)2

Für die Berechnung der Spannungen aus den gemessenen Beschleunigungssignalen werden die Kovarianzen Cx(t);

= E x(t) '(t)} benötigt (hierzu auch Abschnitt 5.1).

Die Funktion x(t) beschreibt die Beschleunigung mittschiffs (Aufnehmer 2 in Bild 4) und (T) gibt die zeitliche Abwei-chung der am Bug gemessenen Beschleunigung (Aufneh-mer 1 in Bild 4) an. Die Kovarianz wird bestimmt über den

Realteil der Kreuzspektraldichte:

Re (i

fo)! = ci (a b - b ai).

Die Varianzen und Kovarianzen werden durch Summierung der Ordinaten der Spektren und Kreuzspektren bestimmt

zu

V(xl = fo (if0) (6)

C{x,}/}=fo

S(if0)

wobei ¡, und ¡ die untere bzw. obere Grenze des

zuge-hörigen Frequenzbereichs darstellen. Im Frequenzbereich wurden drei Bereiche unterschieden, die den unterschied-lichen Ursachen der Schiffsbewegungen Rechnung tragen.

Es sind dies das Frequenzband des ,,whipping', dabei schwingt das Schiff in der Eigenfrequenz der 2-Knoten-Biegeschwingung, das Frequenzband der Starrkörper-schwingungen, die etwa mit der Begegnungsfrequenz zwischen Schiff und Wellen schwanken sowie das

Ere-quenzband um die Eigenfrequenz der Rolibewegung. Die hohe Frequenzauflösung durch die Fouriertransforma-tion geht durch die Summenbildung gemäß G). (6) oder G). (7) wieder verloren, umgekehrt ist die statistische Sicher-heit der Ergebnisse entsprechend höher. Die grobe Auf-schlüsselung der Beschleunigungen n die drei Frequenz-bereiche erwies sich als ausreichend.

Die Darstellungen im Monitor werden im 15-Minutentakt aktualisiert. Hierdurch werden die Varianzen und Kovarian-zen über eine Zeit von neun Grundperioden à 102,4 Sekun-den gemittelt, wodurch eine zufrieSekun-denstellende Glättung in der Monitoranzeige erreicht wird.

5. Auswertung

5.1 Bestimmung der Beanspruchung aus

den Beschleunigungssignalen

Die meßtechnische Bestimmung der Dehnungen oder

Spannungen in Hauptverbänden der Schiffskonstruktion

wurde durch eine geeignete Auswertung der vertikalen

Beschleunigung am Bug und mittschiffs ersetzt. Hierdurch konnten die Zuverlässigkeit des Geräts gesteigert und die Kosten entscheidend gesenkt werden. UmfangreicheTests

mit verschiedenen Algorithmen führten auf eine relativ

einfache Formel für die Abschätzung der Mittschiffsbean-spruchung im oberen Decksbereich von Containerschiffen:

Vjc}

= [(c1+c7F,,)w,+c2+c8F,,+(c3+cgF,,)/w,

+ (c4 + c10 F,,)/w,1 V1 + [C5 + C,1 F,, + (c6 + c12F,,)/w,] C{1,, 1ml.

Die Beanspruchung wird in Form der Varianz ausgedrückt; das ist ihr quadratischer Mittelwert. VV stellt die Varianz der vertikalen Beschleunigung im Vorschiff und C12;, 2,,,I die Kovarianz zwischen den Ableitungen über der Zeit für die Vertikalbeschleunigung am Vorschiff und der Vertikal-beschleunigung mittschiffs dar. Die

Schiffsgeschwindig-keit wird über die Froudesche Zahl F,, berücksichtigt. Wm ist

die signifikante Kreisfrequenz entsprechend

wm_V{l

Die Koeffizienten c bis c12 in G). (8) wurden nach der

Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt, wobei die Differenz zwischen den aktuellen Spannungen und der mit GI. (8) gegebenen Näherung minimiert wurde. In Ermange-lung geeigneter Daten wurden die aktuellen Spannungen rechnerisch simuliert, wobei der Bereich der wesentlichen Wellenperioden und Froudeschen Zahlen 0,07 <F,, <0,22

abgedeckt wurde. Drei Koeffizientensätze wurden in

Zu-ordnung zu den Hauptrichtungen des Schiffskurses zur

34

(8) b)

See (vorliche, quereinkommende und achterliche See)

bestimmt. Die Auswahl des aktuellen Koeffizientensatzes erfolgt im Seegangswarngerät automatisch entsprechend der Schätzung des Schiffskurses nach der Formel

=o+o,,F,,+(u1+z,,,F,,)

Vllm}

cj,

wobei die , schiffsspezifische Konstanten sind.

Das Verfahren wurde durch meßtechnische Großversuche

auf MS Stuttgart Express' im Winter 1983/84 überprüft. MS Stuttgart Express" ist ein Containerschiff, das im

Nordatlantikdienst fährt. Die Schiffslänge betrug seiner-zeit 205 m. 1986 wurde das Schiff um 25 m verlängert. An Bord waren drei Beschleunigungsaulnehmer, drei

DMS-Vollbrücken, eine Kreiselanlage sowie eine

Windmeß-anlage vom Germanischen Lloyd installiert worden. Bild 6 zeigt eine Gegenüberstellung der sich aus der Rechnung über die Beschleunigungssignale ergebenden

kennzeich-nenden Spannungsamplitude im Mittschiffsbereich als

Z

4;

Bild 6: Gegenüberstellung der gemessenen und

be-rechneten signifikanten Spannung im

Mitt-schiffsbereich als Funktion der Zeit

mit DMS direkt gemessener Spannungs-verlauf

aus den mittschiffs und im Vorschiff

ge-messenen Beschleunigungen berechneter Spannungsverlauf

50 60 70

40 50 60 70

Messtechnische Briefe 22(1986). Heft 2

3°

Funktion der Zeit (Bild 6a) und der sich aus der Messung

über die DMS ergebenden Spannungen für die gleiche

Zeitspanne (Bild 6 b). Es wurde hier ein Zeitbereich von drei

Tagen mit vorherrschend vorlicher See betrachtet. Die Übereinstimmung ist als gut zu bezeichnen. Bei

achter-licher See sind Einbrüche der Verläufe festgestellt worden, so daß die Aussage des Seegangswarngerätes bei achter-licher See zur Zeit noch gewisse Einschränkungen erfor-derlich machen.

5.2 Leistungsmehrbedarf und

Widerstand-erhöhung

Schiffsbewegungen im Wasser verursachen zusätzlichen

Widerstand. Das bedingt eine Reduzierung der

Schiffs-geschwindigkeit und ein Absinken der Drehzahl oder bei unveränderter Geschwindigkeit eine Erhöhung der Lei-stung, d.h. des Propellerdrehmoments. Deshalb können Drehzahl und Drehmoment hinsichtlich der Schiffsbewe-gungen und der Gefährdung durch überkommendes Was-ser ausgewertet werden.

Moderne Schiffe sind mit Leistungsmeßanlagen

ausge-rüstet, in die eine Überwachung der Hauptmaschine be-züglich Drehmoment und Drehzahl integriert ist, so daß für das ,,Seegangswarngerät" dadurch wertvolle

Informatio-nen für eiInformatio-nen geringen Preis (Anpassung, Signalaufberei-tung) verfügbar sind.

12 1: 6 4 e 2 00

/

Bild 7: Zeitverlauf des Leistungsmehrbedarfs für die in Bild 6 dargestellte Zeitspanne

Die Torsionsmomente und die Propellerdrehzahlen

wur-den detailliert nach Leistungsmehrbedarf und

Wider-standserhöhung ausgewertet. In Bild 7 ist der Leistungs-mehrbedarf für den selben Zeitbereich dargestellt, für den Bild 6 die Spannungen wiedergibt. Dabei wird der Kosten-faktor Seegang deutlich, denn der Leistungsmehrbedarf

ist in der Spitze größer als die erforderliche Antriebs-leistung bei ruhiger See. Zur Ermittlung des Leistungs-mehrbedarfs wurden umfassende Algor)thmen für die

Berechnung der Glattwasserleistung vorgesehen, die den Einfluß von Außenhaut- und Propellerrauhigkeit erfassen.

So liefert das Gerät auch im normalen Betrieb einen Beitrag

zur Wirtschaftlichkeit, indem die Erhöhung der

Außenhaut-rauhigkeit festgestellt und Dockzeiten für Sandstrahlen

und Beschichtung optimal eingeplant werden können.

5.3 Seegangsstöße aufs Vorsch 1ff

Stöße durch Seegang auf das Vorschiff (bow impact)

ver-ursachen plötzliches Schwingen des Schiffs (whipping)

in der Eigenfrequenz der 2-Knoten-Biegeschwingungen. So wie Drehzahl und Drehmoment an der Propellerwelle

der Erfassung der Schiffsbewegung dienen, so wird die Grundbiegeschwingung des Schiffs zur Erfassung der

Stöße aufs Vorschiff verwendet. Aus Bild 8 erkennt man, daß der Starrkörperbewegung des Schiffs mit einer kenn-zeichnenden Periode von 9 s eine Biegeschwingung mit ca. 1 Hz überlagert ist. Mit Hilfe der Fourier-Analyse lassen sich die jeweiligen Komponenten leicht trennen.

1f

Bild 8:

Zeitverläufe der Bewegungen eines

Die Lastgröße des whipping' wird durch die

Summen-bildung gemäß GI. (6) berechnet, wobei die unteren und oberen Grenzen des Frequenzbandes ca. ± 30%

unter-bzw. oberhalb des Mittelwerts der 2-Knoten-Biegeschwin-gungsresonanz eingesetzt sind. Durch die Bandbreite wer-den die durch die Beladungsveränderung bedingten Eigen-frequenzverlagerungen ebenfalls abgedeckt. Der Rausch-anteil im Signal, vorwiegend durch höherfrequente Schwin-gungen durch die Hauptmaschine erregt, wird ebenfalls berücksichtigt, um eine verläßliche Erfassung der Stoß-belastung zu ermöglichen.

Messtechnische Briefe 22(1986), Heft 2 35

760 770 780 790 800 810 820

Zeit in s

5.4 Zusammengesetzte Belastung

,,Com-bined Load"

Für die realistische Bewertung des momentanen Seever-haltens st es erforderlich, die verschiedenen

Komponen-ten der Beeinträchtigung bzw. Gefährdung auf eine

ge-meinsame Bewertungsbasis zu bringen. Erst dann ist es möglich, die verschiedenen Auswirkungen von Kurs- und Geschwindigkeitsänderungen gegeneinander abzuwägen und die Komponenten zu der im Gerätsogenannten Com-bined Load" zusammenzufassen. Die Zusammenfassung der Gefährdungskomponenten zu einer einfachen MeS-zahl wurde gewählt, um der Schiffsführung die Gefährdung auf einen Blick deutlich zu machen, und zwar unabhängig davon, ob z.B. die Beanspruchungen im Hauptdeck oder die Querbeschleunigungen in der oberen Containerlage oder die Kombination dieser Komponenten maßgebend ist. Die Zusammenfassung der einzelnen Komponenten der Beeinträchtigung bzw. Gefährdung zur zusammengesetz-ten Belastung erfolgt nach der Formel

C=cP

{

V Vi{uf

+

Vjexp

cT

In dieser Formel sind cp der Preis pro Leistungseinheit,

Pder Leistungsbedarf im Seegang, c, die erwarteten Kosten

bei Überschreiten der ertragbaren Belastung, VUd} die

Varianz der aktuellen Mittschiffsbeanspruchung,V,{a die

Varianz der tatsächlichen Ertragbarkeit

(Widerstands-fähigkeit von Schiff und Ladung gegen die Belastungseirl-flüsse), a die vorhandene Ertragbarkeit und T00 die kenn-zeichnende Periode der Belastung.

Für die während der Erprobungsphase 1983/84 auf der MS Stuttgart Express" erfaßten Einzelkomponenten wurden

36 120 loo o lO 20 30 Ze,t ir, h

Bild 9: Zeitverlauf der ,,Zusammengesetzten Bean-spruchung" für die in den Bildern 6 und 7 dar-gestellte Zeitspanne

1.0 SO 60 70

zusammengesetzte Belastungen errechnet. Bild 9 zeigt beispielhaft die zusammengesetzte Belastung für den

selben Zeitbereich, für den Bild 6 die signifikanten Span-nungen und Bild 7 den Leistungsmehrbedarf wiedergibt.

6. Fahrtempfehlungsdiagramm für

die bei Seegang zu wählende

Ge-schwindigkeit

Die Schiffsgeschwindigkeit ist der wesentliche Parameter für die Beeinflussung des Seeverhaltens. Das Kriterium für die optimale Schiffsgeschwindigkeit im Seegang basiert auf der im Abschnitt 5.4 definierten Zusammengesetzten

Beanspruchung'. Der Erstellung des Diagramms in Bild 3 liegt folgende Gleichung zugrunde:

dC

dv V - C = const. (12)

Hierbei ist dC/dy die Ableitung der mit G. (11) ermittelten Kennzahl C nach der Geschwindigkeit y. im einzelnen wer-den folgende Schritte bei der Berechnung der empfohlenen Geschwindigkeit ausgeführt:

Wahl der Konstanten auf der rechten Seite von GI. (12) entsprechend dem Wert auf der linken Seite für ruhiges Wasser und eine Schiffsgeschwindigkeit, die 10% über der erforderlichen Dienstgeschwindigkeit liegt. Berechnung derSchiffsgeschwindigkeitvgemäßGl.(12)

für den betrachteten Seegang und den Kurs zur See. Bestimmung der maximalen Geschwindigkeit Vmax ent-sprechend der maximal verfügbaren Antriebsleistung.

Verwendung des kleineren Werts y oder vm8,.

Bild 3 zeigt das Ergebnis für den Erprobungsträger MS Stuttgart Express".

7. Zusammenfassung

Die instrumentelle Entscheidungshilfe soll die Handhabung der Schiffe im Seegang erleichtern ähnlich einem

Radar-gerät, das den Schiffsverkehr bei unsichtigem Wetter

sicherer und schneller gemacht hat. Die Gefährdung des

Schiffs wird in dem Trenddiagramm der

Zusammenge-setzten Belastung" kompakt angezeigt. Nach Bedarf kann die Schiffsführung einzelne Belastungskomponenten ge-zielt in einem Trenddiagramm anzeigen lassen.

Besondere Bedeutung kommt dem erhöhten Kraftstoffver-brauch aus dem Leistungsmehrbedarf im Seegang zu. Zu-sätzlich sind auch gezielte Angaben für erhöhte Leistung infolge Außenhautbewuchs und Propellerrauhigkeit mög-lich, wodurch auch für Fahrt des Schiffs im ruhigen Wasser

sich wirtschaftliche und terminhiche Vorteile ergeben

können.

Mestechr,iche Briefe 22(1986), Heft 2

C r, So E C