Der Schiffsrumpf ist die auffälligste strukturelle Einheit des Schiffes. Um den Rumpf zu definieren, kann man sagen, dass er die wasserdichte Umhüllung des Schiffes ist, die die Ladung, die Maschinen und die Unterkunftsräume des Schiffes vor Witterungseinflüssen, Überflutung und strukturellen Schäden schützt. Aber das allein reicht nicht aus, um alle Aspekte eines Schiffsrumpfes zu verstehen.
In diesem Artikel werden wir sehen, wie der Rumpf eines Schiffes unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren während der gesamten Lebensdauer des Schiffes konstruiert wird, und wie die Konstruktion eines Schiffsrumpfes die wichtigste Rolle im gesamten Schiffsdesign und Schiffbauprojekt spielt.
Rumpfbezogene Nomenklatur
Abbildung 1: Rumpf-Nomenklatur.
Die obige Abbildung zeigt das schematische Profil eines konventionellen Schiffsrumpfs. Die Bedeutung und Anwendung der damit verbundenen Nomenklaturen zu verstehen, bildet die Grundlage für das Verständnis von Schiffsdesign und Schiffbautechnik.
Bug und Heck: Die vorderste Kontur des Schiffsrumpfes wird als Bug bezeichnet, die hinterste als Heck. Der Vorsteven ist der vorderste Teil des Bugs.
Vorwärtsgerichtete Senkrechte: Wird an dem Punkt, an dem der Bug die Wasserlinie schneidet, ein Lot gezogen, so wird diese gedachte Lotlinie als vorderes Lot bezeichnet. Für die meisten hydrostatischen Berechnungen wird das vordere Lot als vordere Referenz des Rumpfes verwendet.
Achteres Lot: Je nach Konstrukteur kann das Achterlot das Lot sein, das durch die hintere Seite des Ruderpfostens oder durch die Mittellinie der Ruderzapfen gezogen wird. Das Achterlot ist die achtere Bezugslinie für alle hydrostatischen Berechnungen.
Länge zwischen den Loten: Die Länge zwischen dem vorderen und hinteren Lot ist die Länge zwischen den Loten. Der LBP ist ein sehr wichtiger Parameter in allen Stabilitätsberechnungen, daher ist die Berechnung des LBP bei verschiedenen Tiefgängen ein wichtiger Schritt bei der Durchführung von Stabilitätsanalysen.
Sheer: Die Aufwärtskurve, die das Hauptdeck in Bezug auf das Niveau des Decks am Mittschiff bildet, wird als Sheer bezeichnet. Er ist in der Regel gegeben, um den Durchfluss von grünem Wasser vom vorderen und hinteren Ende zum Mittschiff zu ermöglichen und die Entwässerung zu den Bilgen zu erlauben. Der vordere Scher ist in der Regel größer als der hintere Scher, um die vorderen Ankermaschinen vor den Wellen zu schützen.
Sommerlastlinie: Die Sommerladelinie ist die Wasserlinie des Schiffes bei Seewasser, wenn es sein Konstruktionsgewicht und Ballast hat. Sie wird auch als Konstruktionstiefgang bezeichnet; sie bildet die Referenz für alle anderen Lastlinien des Schiffes.
Länge der Wasserlinie: Die Länge des Schiffsrumpfes an der Sommerladelinie ist die Länge der Wasserlinie des Schiffes. Diese Länge spielt eine wichtige Rolle bei der Berechnung der Hydrostatik des Schiffes sowie bei der Berechnung des Propellerentwurfs.
Länge über alles: Die Länge zwischen dem vordersten und dem hintersten Punkt des Schiffsrumpfes ist die Gesamtlänge des Schiffes. Diese Länge spielt eine große Rolle bei der Auslegung der An- und Abdockpläne des Schiffes. In Werften, in denen mehrere Baudocks zur Verfügung stehen, ist die Gesamtlänge, die Breite und die Tiefe des Schiffes ein entscheidender Faktor bei der Auswahl eines geeigneten Baublocks für das Schiff.
Rumpflinien und Form
Der erste Schritt bei der Konstruktion eines Schiffsrumpfes ist der Entwurf seiner Form und Gestalt. Die Form des Schiffsrumpfes wird mit Hilfe verschiedener Formkoeffizienten abgeschätzt, die im Folgenden erläutert werden:
Blockkoeffizient: Der Blockkoeffizient ist das Verhältnis des Unterwasservolumens des Schiffes zum Volumen des imaginären Rechtecks, das den Unterwasserteil des Rumpfes umschließt. Da die Länge, Breite und Höhe dieses umschließenden Rechtecks die Länge zwischen den Loten, die maximale Breite und der Tiefgang des Schiffes wären, wird der Blockkoeffizient wie folgt ausgedrückt:
Der Wert des Blockkoeffizienten ist eins für ein Schiff mit rechteckigem Querschnitt. Für eine typische Schiffsrumpfform wäre er demnach kleiner als eins. Je höher der Blockkoeffizient, desto fülliger ist die Rumpfform (z.B. Öltanker, Massengutfrachter). Feinere Rumpfformen haben niedrigere Blockkoeffizienten (z.B. Containerschiffe, Kriegsschiffe).
Mittschiffskoeffizient: Der Mittschiffskoeffizient ist das Verhältnis der untergetauchten Fläche der Mittschiffssektion zum umschließenden Rechteck. Er wird daher wie folgt ausgedrückt:
Es gibt noch eine Reihe anderer Formkoeffizienten, wie z.B. den prismatischen Koeffizienten, den volumetrischen Koeffizienten usw., die im Grunde genommen die Parameter sind, mit denen die volumetrische Verteilung des Schiffsrumpfes über seine Länge definiert wird. Sobald diese Koeffizienten aus statistischen Studien ermittelt sind, werden die Rumpflinien entwickelt.
Der Linienplan eines Schiffsrumpfes besteht aus drei Ansichten. Um den Linienplan zu verstehen, müssen wir zunächst wissen, was Stoß- und Wasserlinien sind.
Wenn man den Rumpf eines Schiffes in mehrere Längsschnitte unterteilt, das heißt, wenn man den Schiffsrumpf alle zwei Meter von Backbord nach Steuerbord schneidet, erhält man alle zwei Meter Längsschnitte. Die Kontur jedes Längsschnitts wird als Stoßlinie bezeichnet, und genau das wird im Profilplan dargestellt, wie unten gezeigt. Die Bezugslinien für die Profilansicht sind die Stationen (vertikale Rasterlinien, die die Längsposition bezeichnen) und die Wasserlinien (horizontale Linien, die vertikale Positionen bezeichnen).
Abbildung 2: Steißlinien.
Wenn der Schiffsrumpf entlang jeder Wasserlinie geschnitten wird, dann ergibt jede Wasserlinie eine eindeutige Kurve. Da ein Schiffsrumpf um die Mittellinie symmetrisch ist, ist es üblich, die Kurve auf beiden Seiten der Mittellinie zu zeichnen, und diese Ansicht wird als Rumpfplan oder Halbbreitenplan des Schiffes bezeichnet.
Abbildung 3: Halbbreitenplan.
Wichtiger Tipp: Die Form der Wasserlinien (im Halbbreitenplan) spielt eine entscheidende Rolle für die Form des Hecks und den Wirkungsgrad des Propellers. In der obigen Abbildung bewegen sich die Wasserlinien mit zunehmender Höhe über der Grundlinie von der Mittellinie des Schiffes weg. Das heißt, die innerste Kurve ist die unterste Wasserlinie. Beachten Sie, wie sich die Wasserlinien am Heck aufrichten, wenn wir uns vom Kiel aus nach oben bewegen. Dies zeigt, dass das Schiff ein Spiegelheck hat. Warum wird also ein Spiegelheck bevorzugt? Die Antwort liegt in der Form der Wasserlinien am Heck. Die Längsrichtung, die von den Wasserlinien am Heck eingenommen wird, sorgt dafür, dass das Wasser am Heck in einer Richtung fließt, die fast senkrecht zur Propellerscheibe steht. Dies sorgt für eine minimale Querströmung am Propeller und damit für einen maximalen Wirkungsgrad des Propellers.
Schneidet man den Schiffsrumpf an jeder Station zu einem Schnitt, erhält man den Aufbauplan, wie unten dargestellt. Die typische Vorgehensweise beim Zeichnen des Aufbauplans besteht darin, alle Halbschnitte zu bezeichnen (aufgrund der Symmetrie des Rumpfes). Die Abschnitte vor der Mittschiffslinie werden auf der rechten Seite der Mittellinie gezeichnet, und alle Abschnitte von der Mittschiffslinie bis zum Heck werden auf der linken Seite gezeichnet.
Abbildung 4: Aufbauplan.
Der Aufbauplan ist die nützlichste Darstellung der Linien des Schiffsrumpfes. Die Referenzlinien im Aufbauplan sind die Hecklinien (vertikale Gitterlinien) und die Wasserlinien (horizontale Gitterlinien). Der Aufbauplan kann zusammen mit den Referenzlinien ausreichend verwendet werden, um den Profilplan und den Halbbreitenplan des Schiffes zu entwickeln.
Der komplette Linienplan eines Schiffes ist so aufgebaut, dass die Profilansicht oben liegt, der Halbbreitenplan direkt darunter und der Rumpfplan rechts daneben, wie unten gezeigt. Der Linienplan bildet die Grundlage für die Entwicklung nicht nur des dreidimensionalen Rumpfmodells, sondern auch für die Entwicklung der spantenweisen Konstruktionszeichnungen, der allgemeinen Anordnung und der Loftzeichnungen auf der Werft.
Abbildung 5: Linienplan eines Schiffes.
Rumpfstruktur und Festigkeit
Die Konstruktion der Rumpfstruktur eines Schiffes macht etwa 70 Prozent der Gesamtkonstruktion des Schiffes aus. Die Schritte bei der Konstruktion der Rumpfstruktur sind wie folgt:
Schritt 1: Berechnung der Lasten auf den Rumpf: Hier kommen die Regeln der Klassifikationsgesellschaften ins Spiel. Die Regelwerke haben spezielle Formeln zur Berechnung der Wellenlasten auf den Schiffsrumpf. Das Stillwasser-Biegemoment, das Wellen-Biegemoment und die Scherkräfte sind mit diesen Formeln zu berechnen. Diese Lastwerte dienen als Sollwerte im gesamten Konstruktionsprozess.
Schritt 2: Kantholzberechnungen für das Mittschiff: Die Abmessungen aller Strukturelemente des Schiffes (Platten, Versteifungen, Träger, Balken, Säulen usw.) werden zusammen als Kanthölzer bezeichnet. Die in Schritt 1 berechneten Lasten werden verwendet, um zu den Kanthölzern zu gelangen, und dies wird für Strukturelemente an jedem Rahmen berechnet.
Schritt 3: Mittschiffsschnittmodul: Die Konstruktionszeichnung für den Mittschiffsbereich wird gemäß den berechneten Knickwerten erstellt. Anschließend wird die neutrale Achse des Mittschiffsabschnitts bestimmt und der Widerstandsmoment des Mittschiffsabschnitts berechnet. Zwei Kriterien müssen in dieser Phase erfüllt werden:
- Der ermittelte Mittschiffsquerschnitt muss gleich oder größer als der Mindestwert des Widerstandsmomentes sein, der durch die empirische Formel im Regelwerk ermittelt wird.
- Die Biegespannungen am Deck und am Kiel werden berechnet, und es wird geprüft, ob die Spannungswerte innerhalb des erforderlichen Sicherheitsfaktors liegen.
Abbildung 6: Mittschiffsschnittzeichnung eines Passagierschiffes.
In der obigen Mittschiffsschnittzeichnung ist die blaue Linie (NA) die neutrale Achse des Schnittes. Das Biegespannungsdiagramm wird mit der neutralen Achse als Referenz (Ursprung) gezeichnet, und das oberste und unterste Ende des Diagramms würden die Spannungswerte am Deck bzw. am Kiel bezeichnen, wie im Spannungsdiagramm unten gezeigt.
Abbildung 7: Biegespannungsdiagramm der Mittschiffssektion eines Schiffes.
Warum ist es Ihrer Meinung nach wichtig, die Struktur der Mittschiffssektion des Schiffes vor allen anderen Sektionen zu entwerfen? Lesen Sie diesen Artikel, um herauszufinden, was das Mittschiff zur strukturell wichtigsten Region des Schiffes macht.
Schritt 4: Spantenweise Knickberechnung: Sobald die Mittschiffskanteln die Kriterien erfüllen, werden die Kanteln für die Strukturteile an jedem Spant berechnet und entsprechende spantweise Strukturzeichnungen erstellt. Für die vorderen und hinteren Abschnitte sowie die Schotten werden spezielle Formeln angewandt und entsprechende Zeichnungen erstellt.
Schritt 5: Berechnung des Stahlgewichts: Die erhaltenen Knicklinge werden verwendet, um das Stahlgewicht des Schiffes zu berechnen. An dieser Stelle beginnt die Iteration. Wenn das berechnete Stahlgewicht außerhalb der empirisch und statistisch ermittelten Werte liegt, muss der Konstrukteur eventuell die Verwendung von leichterem Stahl in geeigneten Bereichen in Betracht ziehen oder andere Entscheidungen treffen, um das Gewicht des Feuerschiffs in Grenzen zu halten.
Schritt 6: Entwicklung des 3D-Strukturmodells und FEA-Analysen: Mit den Strukturzeichnungen an jedem Spant wird ein dreidimensionales Strukturmodell für den gesamten Rumpf erstellt. Dieser Prozess nimmt die meiste Zeit in Anspruch, da sich die Genauigkeit dieses Modells direkt auf die Ergebnisse der anschließenden Finite-Elemente-Analysen auswirkt. An dem 3D-Modell wird eine dreidimensionale Vernetzung durchgeführt, gefolgt von Finite-Elemente-Analysen für verschiedene Bedingungen. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Analysen genehmigen die Klassifikationsgesellschaften heute die Konstruktion eines Schiffes, da sie verlässlichere Daten liefern als lineare Berechnungen.
Kursstabilität des Schiffsrumpfes
Der andere wichtige Aspekt des Schiffsrumpfes ist sein Richtungs- oder Kurshalteverhalten auf See. Mit anderen Worten, seine Manövrierfähigkeit. Um die Manövrierfähigkeit des nackten Rumpfes zu beurteilen, bewerten wir die folgenden Aspekte:
- Geradlinige Stabilität: Wenn ein Schiff, das sich in einer geraden Linie bewegt, einer äußeren Störung ausgesetzt ist und seine Richtung ändert, sich aber weiterhin in einer geraden Linie entlang der neuen Richtung bewegt, ohne die Hilfe des Ruders, dann sagt man, dass der Rumpf Geradlinestabilität hat.
- Richtungsstabilität: Wenn ein Schiff, das sich in einer geraden Linie bewegt, einer äußeren Störung ausgesetzt ist und es sich weiterhin entlang einer neuen Bahn bewegt, die parallel zur ursprünglichen Richtung ist, dann sagt man, dass das Schiff eine Richtungsstabilität besitzt. Richtungsstabilität ist ohne die Hilfe einer Steuerfläche (z.B. Ruder) nicht möglich, aber mit Geradlinigkeit ist es einfach, Richtungsstabilität zu erreichen.
- Bahnstabilität: Wenn ein Schiff, das sich auf einer geraden Linie bewegt, von außen gestört wird und es sich (nach einigen Schwingungen) weiterhin auf dem gleichen Weg bewegt, spricht man von Bahnstabilität. Bahnstabilität kann, wie Richtungsstabilität, nur erreicht werden, wenn Geradlinigkeit erreicht wird.
Abbildung 8: Kursstabilität eines Schiffsrumpfes.
Das Konstruktionsziel bei der Entwicklung eines Schiffsrumpfes ist also die Erreichung der Geradlinigkeit. Dazu werden Versuche an Modellbecken durchgeführt und die hydrodynamischen Koeffizienten für den nackten Rumpf gemessen. Diese hydrodynamischen Koeffizienten sind die charakteristischen Eigenschaften für die Kurshaltefähigkeit des Rumpfes, und bei unerwünschten Ergebnissen wird über Änderungen der Rumpfform oder -geometrie entschieden. Zum Beispiel wird dem Rumpf in späteren Konstruktionsphasen oft ein Skeg hinzugefügt, um die Stabilität auf der geraden Linie zu verbessern, nachdem die Ergebnisse des Modellbeckentests vorliegen.
Wechselwirkung zwischen Rumpf und Aufbauten
Es wurde beobachtet, dass das Vorhandensein eines Aufbaus auf dem Hauptdeck die Biegespannung am Deck gegenüber dem von der Balkenbiegetheorie vorhergesagten Spannungswert reduziert. Dies liegt an der Interaktion der Scherspannungen mit der Biegespannung an den Enden der Aufbauten. Dies führt jedoch zu Verformungen an den Überbauenden. Mit anderen Worten: Ein leistungsfähiger Überbau muss in der Lage sein, einen bestimmten Anteil der Biegespannung am Deck aufzunehmen. Das Ausmaß, in dem sie die Biegespannung aufnimmt, bestimmt ihre Effizienz, die von den Konstrukteuren gerne als Suprastruktureffizienz bezeichnet wird. Sie kann ausgedrückt werden als:
Es hängt vom Konstrukteur ab, ob er einen Aufbau entwirft, der die Biegespannung vom Rumpf aufnimmt, oder ob er einen entwirft, der frei von jeglicher Wechselwirkung mit dem Rumpf ist. Die Konstruktion eines 100-prozentig effizienten Aufbaus wäre möglich, würde aber den Preis schwerer, tiefer Schotten an den Enden des Aufbaus mit sich bringen, um starke Verformungen durch Scherung zu verhindern. Um den Wirkungsgrad der Aufbauten zu erhöhen, haben die meisten Schiffe Aufbauten, die mit dem Rumpf durch Schotten verbunden sind, Querschotten unter dem Deck und Stege, die durchgehend vom Rumpf zu den Aufbauten am vorderen und hinteren Ende verlaufen.
Weitere Aspekte der Konstruktion eines Schiffsrumpfes
Es gibt weitere Aspekte eines Schiffsrumpfes, die eine große Rolle für die Leistung des Schiffes auf See spielen. Die Berechnung des reinen Rumpfwiderstands ist ein wichtiger Schritt bei der Bestimmung der Energieeffizienz des Rumpfes. Methoden zur Berechnung des Rohbauwiderstands wurden in diesem Artikel ausführlich besprochen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des Schiffsrumpfs ist seine Wasserdichtigkeit. Um dies zu gewährleisten, muss der Konstrukteur die Unversehrtheit und Stabilität des Schiffes sicherstellen. Um die Stabilitätsaspekte eines Schiffsrumpfes zu kennen, lesen Sie am besten die Artikel über die intakte Stabilität und die beschädigte Stabilität eines Schiffes. Der Artikel über die Unterteilung eines Schiffsrumpfes beschreibt, wie die Anzahl und Position der wasserdichten Schotten während der Konstruktion eines Schiffsrumpfes entschieden wird.
Die Schwingungen und das dynamische Verhalten des Schiffsrumpfes sind ein Faktor, der nicht nur die Leistung des Schiffes, sondern auch seine Langlebigkeit auf See bestimmt. Von all den verschiedenen Schwingungen auf einem Schiff sind die Vibrationen des Schiffskörpers von größter Bedeutung. Ein Schiff mit unerwünschten Vibrationswerten könnte möglicherweise schon in den ersten Jahren ein ausrangiertes Projekt sein. Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die Arten von Schwingungen an einem Schiffsrumpf, die Erregungsquellen und Konstruktionsmaßnahmen zur Minimierung des Niveaus von Rumpfschwingungen an Bord zu erfahren.
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