Was ist Ermüdung auf Schiffen?

Jul 17, 2023

Bevor ein Schiff gebaut wird, ist es erforderlich, es aus bautechnischer Sicht unter verschiedenen Gesichtspunkten analytisch zu prüfen.

Dies dient dazu, das Schiffsdesign numerisch zu validieren und auf Unstimmigkeiten oder Mängel zu prüfen, die zu strukturellen Ausfällen, Verlusten, schwachen Verbindungen oder Nichteinhaltungen in unterschiedlichem Ausmaß führen können. Durch unterschiedliche Maßstäbe können all diese Dinge auf eine einzelne kleine Region oder vielleicht auf globaler Ebene lokalisiert werden, was die Schiffsstruktur als Ganzes gefährden oder zu großen Schäden führen kann.

Daher muss für jedes Schiff eine Analyse durchgeführt werden, um die strukturelle Unversehrtheit zu prüfen und die mit der Schiffskonstruktion verbundenen Risiken zu identifizieren und zu bewerten.

Früher wurden die meisten Analysen auf der Grundlage erster Prinzipien und numerischer Techniken durchgeführt. Mit fortschreitender Zeit basieren jedoch alle Formen der Analyse nun auf Finiten Elementen und werden weiter in Berechnungsmethoden integriert, die über Softwareressourcen ausgeführt werden.

Die Arten der Strukturanalyse, die hauptsächlich an Schiffen durchgeführt werden, sind:

Die direkte Festigkeitsanalyse und die ultimative Rumpfträgeranalyse befassen sich hauptsächlich mit der Strukturanalyse des Schiffes und seiner Komponenten auf globaler und lokaler Ebene.

Die Analyse freier und erzwungener Schwingungen befasst sich mit der strukturellen Reaktion in Bezug auf Schwingungsmodi unter gegebenem Leichtgewicht, Eigengewicht, Maschinen- und Anlagenbetrieb und äußerer Belastung auf globaler und lokaler Ebene.

Ebenso wie Lebewesen werden auch unbelebte Lebewesen ab einem gewissen Zeitpunkt müde!

Unter Ermüdung versteht man die strukturellen Auswirkungen auf einen Körper aufgrund wiederholter oder zyklischer Belastung. Mit anderen einfachen Worten: Ermüdungsbelastungen resultieren aus der „Abnutzung“ oder „Müdigkeit“ eines Materials über einen bestimmten Zeitraum.

Physikalisch gesehen beginnen die Auswirkungen von Ermüdungsbelastungen durch Risse oder Verformungen am Körper oder Gegenstand aufgrund der aufgebrachten zyklischen Belastungen.

Wenn die Belastung weiter anhält, verschlimmert sich das Problem weiter und gipfelt schließlich in einem groben Versagen der Struktur oder des Bauteils.

In einem anderen Sinne können Ermüdungsbelastungen also auch als zeitlich veränderliche Langzeitbelastungen definiert werden, die sich über die Zeit summieren und die Festigkeitstragfähigkeit eines Werkstoffs beeinflussen, was sich in Ausfällen niederschlägt.

Im Gegensatz zu anderen Belastungen sind sie nicht kurzfristig und wirken sich nicht unmittelbar auf die Struktur aus. Es handelt sich um die langsamste Form der Belastungswirkung, im Gegensatz zu Stoßbelastungen, die in kürzester Zeit (innerhalb weniger Sekunden) zu Strukturversagen führen.

In der Praxis kann der Einfluss zyklischer oder sich wiederholender Belastungen auf ein Bauwerk in einem Zeitraum von einigen Monaten bis zu einigen Jahren zum Versagen führen.

Als vereinfachtes Beispiel: Wenn Sie ein Maschinenteil betrachten, wie z. B. das Lager eines Motors oder Getriebes in einem Auto oder Fahrrad, ist es im Laufe seiner Nutzungsdauer einer wiederholten Belastung ausgesetzt, auch abhängig von der Intensität.

Irgendwann, nach vielleicht zehn oder fünfzehn Jahren, abhängig von Ihrer Nutzung oder Wartung, werden Sie mit einem Totalausfall Ihres Fahrzeugs konfrontiert sein, der für eine bezahlbare Reparatur nicht mehr geeignet ist.

Auch hier gilt: Wenn Sie an einem regnerischen Ort leben und Ihre Fensterscheibe zerbricht, würde eine provisorische Behelfslösung nur für ein paar Tage oder Monate halten und Sie müssen nach einer stabilen Lösung suchen. All dies sind einfache Beispiele einer Ermüdungsbelastung.

Da die Zeit der Hauptfaktor bei der Ermüdungsbelastung einer Struktur ist, ist es aus Ermüdungssicht wichtig zu sehen, „wie lange die Struktur oder der Körper überlebt“. In der Fachsprache wird dies als Ermüdungslebensdauer bezeichnet. Für die obigen Beispiele sind also die 10, 15 oder 20 Jahre für ein Fahrzeug oder die wenigen Monate oder Tage für die provisorische Fensterscheibe nichts anderes als die Ermüdungslebensdauer.

Im Gegensatz zu anderen Formen der Strukturanalyse gibt es keine direkte oder bewährte Möglichkeit, den Versagenspunkt der Struktur genau abzuschätzen.

Im Gegensatz zu einer direkten Festigkeitsanalyse, bei der das genaue Spannungsniveau für einen Strukturversagen oder eine Schwingungsanalyse vorhergesagt werden kann und die genauen Modi für Verformungen und Resonanzwerte auf lokaler und globaler Ebene unter den gegebenen Bedingungen erfasst werden können, ist dies nicht möglich mit Sicherheit, nach welcher Zeitspanne eine Struktur unter Ermüdungsbelastung versagen kann.

Um noch einmal auf das obige Beispiel zurückzukommen: Wenn Sie heute ein Auto kaufen und es regelmäßig nutzen, wird es an einem bestimmten Datum im Jahr 2035 oder 2040 eine irreparable Panne haben. Es kann mehr sein; es kann weniger sein; es kann irgendwo innerhalb Ihrer erwarteten Langlebigkeit liegen.

Ermüdungsversagen einer Gesamtstruktur entsteht aufgrund der Konzentration lokaler Spannungen, die über einen Zeitraum und eine bestimmte Anzahl von Spannungszyklen zu Verformungen/Diskontinuitäten oder Risswachstum und -ausbreitung führen.

Im physikalischen Sinne lassen sich die Methoden für Ermüdungsversagen in den folgenden groben Schritten zusammenfassen:

Daher kann man für die Ermüdungsanalyse die Ermüdungslebensdauer einfach vorhersagen oder annähern. Und dank numerischer Methoden haben wir Möglichkeiten entwickelt, die Ermüdungslebensdauer einer Struktur unter bestimmten Belastungs- und Nutzungsbedingungen zumindest grob vorherzusagen. Für alle praktischen Zwecke kann die Ermüdungslebensdauer eines Materials anhand der folgenden Methoden näherungsweise abgeleitet werden:

Wir gehen nicht auf die komplexen Details des oben Gesagten ein und berühren sie nur kurz. Es ist jedoch fair zu wissen, dass die Spannungs-Lebensdauer- und Dehnungs-Lebensdauer-Methoden die vereinfachten Methoden sind, die klassisch verwendet werden und auf Grundprinzipien basieren.

Spannungs-Lebensdauer-Methoden umfassen numerische und physikalische Techniken, bei denen eine spezifische Wöhlerkurve aus experimentellen Materialtests abgeleitet wird.

Hier steht S für die maximale Belastung des Materials und N für die Gesamtzahl der Zyklen bis zum Versagen. Um die durchschnittliche Lebensdauer oder Anzahl der Zyklen bis zum Versagen zu ermitteln, werden daher die maximal zulässigen Belastungen ermittelt, die auf das Material angewendet werden.

Der entsprechende N-Wert für diese Koordinate liefert das gewünschte Ergebnis. Wie offensichtlich ist, weist die Kurve eine umgekehrte Proportionalität auf (logarithmisch abnehmender Natur); Das heißt, je niedriger der angewendete Spannungsbereich ist, desto höher ist die Ermüdungslebensdauer.

Mathematisch gesehen gibt es eine weitere vereinfachte Beziehung, die die Ermüdungslebensdauer in Form von Zeit oder Ermüdungsjahren ausdrückt. Dies wird als Miner-Formulierung bezeichnet und wird als Anzahl der Zyklen bei einem definierten Spannungsniveau (n) geteilt durch die Gesamtzahl der Zyklen bis zum Ausfall (N) ausgedrückt. Dies basiert auf einer Kombination aus mechanischen und statistischen Formulierungen.

Die Strain-Life-Methode ähnelt der Stress-Life-Methode, verwendet jedoch die Dehnung als quantitativen Parameter anstelle von Stress. Dies wird üblicherweise für Materialien verwendet, die keine elastischen Eigenschaften aufweisen und daher Spannungswerte nicht korrekt messbar oder genau sind.

Die Risswachstumsmethode nutzt eine direkte physikalische Beziehung zwischen dem Material und der entsprechenden Ermüdungslebensdauer, indem sie das Risswachstum oder, anders ausgedrückt, das Ausmaß der Rissbildung und -zunahme eines ausgewählten Bereichs unter dem Einfluss eines Spannungs- oder Lastzyklus analysiert. Einzelheiten dieser Methodik liegen außerhalb unseres Diskussionsbereichs.

Wahrscheinlichkeitsmethoden basieren auf empirischen Beziehungen unter Verwendung von Techniken zur Wahrscheinlichkeitsschätzung und statistischen Daten.

Die Ermüdungsanalyse bei Schiffen wird hauptsächlich mit den oben diskutierten vereinfachten Methoden und manchmal auch mit probabilistischen Methoden durchgeführt, die auf früheren Daten ähnlicher Schiffe basieren.

Alle Klassifizierungsrichtlinien schreiben die Ermüdungsanalyse als entscheidenden Bestandteil von Strukturanalysen vor und legen Richtlinien und empirische Beziehungen als Teil der Problemstellung „Ermüdungsschadensanalyse“ fest. Als Leitprinzip für die Prozesse dient häufig die Wöhlerkurve oder die Minersche Formel.

Hier werden im Wesentlichen, wie es üblich ist, bestimmte Spanten aus dem Schiff ausgewählt und die Ermüdungsanalyse nur unter Verwendung der Längsträger durchgeführt, d. h. tiefer Träger/Primärträger und Sekundärträger wie Versteifungen, die hauptsächlich zum Längsrumpf beitragen Trägerstärke des Schiffes.

Es ist überflüssig, andere Rahmen zu wählen, da einige kritische Rahmen häufig die „Ermüdungstauglichkeit des gesamten Schiffs“ anzeigen.

Da der Mittelbereich eines jeden Schiffes der anfälligste Bereich für Biegemomente ist, wird zwangsläufig der Mittschiffsbereich gewählt. Je nach Bedarf werden im vorderen und hinteren Bereich häufig andere Rahmen gewählt.

Bei längeren Schiffen wird oft die Anzahl der Bilder erhöht, um ein besseres Bild zu analysieren. Für die Dauerfestigkeit eines Schiffes spielen folgende Faktoren eine entscheidende Rolle:

In der Regel wird die Ermüdungslebensdauer aller relevanten Elemente anhand eines Benchmark-Kriteriums überprüft, das vom Schiffstyp, der Größe, den Versorgungseinrichtungen und einer Vielzahl anderer Faktoren abhängen kann.

Aus praktischen Gründen liegt der Richtwert für die Ermüdungslebensdauer einer Schiffsstruktur jedoch bei durchschnittlich 25 bis 30 Jahren. Dieser Wert kann diesen Wert überschreiten und maximal 30+ Jahre betragen, bei großen und teuren Schiffen sogar 35. Auch dieser Wert kann bei kleineren Schiffen oder Flussschiffen sogar etwa 15 bis 20 Jahre betragen.

Häufig wird die Analyse für Worst-Case-Szenarien durchgeführt. Wenn beispielsweise bei einem ausgewählten Rahmen der nächste Rahmen oder die nächste Trennwand vorne weiter entfernt ist als hinten, wird die Spannweite für eine Längsversteifung normalerweise als Abstand zwischen dem gegebenen Rahmen und der vorderen Trennwand oder dem vorderen Rahmen gewählt maximale Entfernung.

Bei Nichteinhaltung der vorgegebenen Kriterien auch für ein Strukturelement sind Nacharbeiten in der Konstruktion erforderlich, wie z. B. eine Änderung der Kanteln oder eine Erhöhung der Versteifungsanordnung. Wenn eine Versteifung beispielsweise eine Ermüdungslebensdauer von 25 Jahren gegenüber einer Benchmark-Anforderung von 30 Jahren aufweist, werden die Kanteln vor dem Bau geändert oder ihre Längsspannweite wird geändert.

Anstelle manueller Berechnungen werden heutzutage häufig spezielle Software und Tools für die Ermüdungsanalyse verwendet, die Eingaben wie Abmessungen, Spannweite, Versteifungsabstände usw. verwenden.

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Subhodeep ist Absolvent der Marinearchitektur und Meerestechnik. Er interessiert sich für die Feinheiten von Meeresstrukturen und zielgerichteten Designaspekten und widmet sich dem Austausch und der Verbreitung gemeinsamen technischen Wissens in diesem Sektor, der gerade in diesem Moment einen Umschwung erfordert, um wieder zu altem Glanz zu erblühen.