FEM in Yacht Design
Integration der FEM in die Designspirale
Das Thema kennen die Meisten, hier geben wir einen Einblick wie wir mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), auch bekannt als Finite-Elemente-Analyse (FEA), arbeiten:
Diese leistungsstarke Methode ermöglicht es uns, das strukturelle Verhalten einer Yacht unter verschiedenen Lastbedingungen zu untersuchen und die maximalen Belastungsgrenzen zu ermitteln, die die Struktur der Yacht oder ihre Komponenten tragen können.
Die FEM ist ein entscheidendes Werkzeug während der strukturellen Entwurfsphase. Sie ermöglicht uns, Komponenten vor ihrer Fertigung zu bewerten und zu optimieren. Mögliche Anpassungen umfassen die Verstärkung bestimmter Bereiche, die Anpassung der Dicken oder, im Fall von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, die Optimierung der Laminatschichten und die Änderung der Faserorientierung.
Wie bereits bei der CFD führte uns Christoph Braun, leitender Schiffbauingenieur bei iYacht, hinter die Kulissen und erklärt die von iYacht angewandte Methodik. Eines der Software-Pakete ist Scan & Solve, ein Rhino-Plugin. Als Studio, das eine umfassende Palette an Dienstleistungen anbietet, ist die nahtlose Integration mit der 3D-Modellierungssoftware entscheidend, um den gesamten Prozess zu optimieren.
Integration der FEM in die Designspirale
Wie wird diese Methode in die Designspirale integriert und wann ist es sinnvoll, diese Berechnungen durchzuführen?
FEM wird am Ende der strukturellen Entwurfsphase durchgeführt. Bevor das strukturelle Layout und Design finalisiert werden, werden einige Komponenten bewertet und, falls erforderlich, dann angepasst und optimiert. FEM ist auch wertvoll, um Gewicht zu sparen und die Dicken in Bereichen zu optimieren, in denen die Spannungen, Dehnungen und Lasten nicht so hoch sind, wodurch eine Überdimensionierung von Komponenten vermieden wird.
Eine weitere wichtige Anwendung der FEM besteht darin, die Machbarkeit eines Konstruktionsansatzes zu bewerten. In solchen Fällen wird FEM früh in der Entwurfsphase angewendet. Zum Beispiel haben wir bei der Konstruktion eines neuen Segelbootes FEM verwendet, um zu bestimmen, ob unsere Idee eines Bugsprits ohne Bugsprietstag eine machbare Lösung sein kann. FEM-Modelle werden genutzt, um das Verhalten des Bootes unter den verschiedenen Kräften und Belastungen vorherzusagen, die bei typischen Segelbedingungen auftreten.
Durch diese Berechnungen können Designer die Machbarkeit ihres gewählten Ansatzes bewerten oder feststellen, ob sie zum Zeichenbrett zurückkehren und Alternativen in Betracht ziehen müssen.
FEM überschneidet sich auch in verschiedenen Anwendungen mit CFD (Computational Fluid Dynamics). Durch das Studium der Strömung können wir eine genauere Analyse der Lasten auf bestimmten Komponenten durchführen. Diese Lastbedingungen dienen dann als Eingaben für die FEM.
Zum Beispiel profitierte kürzlich eine umfangreiche Analyse von asymmetrischen Schwertern für einen Performance-Katamaran bei iYacht von den kombinierten Erkenntnissen aus FEM und CFD.
Welche Komponenten werden typischerweise einer FEM-Analyse unterzogen?
Im Yachtbau wird FEM häufig auf Komponenten und Schlüsselstrukturen angewendet, die komplex geformt oder erheblichen Belastungen ausgesetzt sind. Typische Komponenten, die analysiert werden, umfassen Bugspriete, Tenderkrandavits und die Kernstrukturen von Segelbooten, wie Kiel und Mast, bei denen die Belastungen besonders hoch sind.
Zum Beispiel erfährt die Struktur eines Hubkiels eines Segelbootes normalerweise hohe Biegemomente, und zur Analyse dieses Bauteils wird FEM am Mittschiffs-Querschnitt durchgeführt.
Eine weitere komplexe Analyse, die kürzlich von iYacht durchgeführt wurde, betraf die gesamte Struktur eines GFK-Katamarans. Für dieses Projekt wurde eine globale Rumpf-Torsionsanalyse durchgeführt, um die Klassenvorgaben von DNV zu erfüllen.
Welche Materialien lassen sich leichter simulieren?
Bei der Materialsimulation sind isotrope Materialien wie Aluminium und Stahl aufgrund ihrer einheitlichen Eigenschaften in alle Richtungen leichter zu handhaben. Verbundwerkstoffe, die anisotrop sind, fügen der FE-Berechnung jedoch eine gewisse Komplexität hinzu.
Die Bedeutung von menschlicher Sensibilität und Fachwissen
Menschliche Sensibilität ist entscheidend, um sicherzustellen, dass FEM-Werkzeuge korrekt verwendet werden. Anstatt den Ergebnissen blind zu vertrauen, ist es notwendig, zu verstehen, wie die Ergebnisse interpretiert und validiert werden, bevor sie zur Iteration des Designs verwendet werden.
Das Prinzip „Fehler rein / Fehler raus“ gilt auch hier. Das bedeutet, dass ein Setup-Fehler zu ungenauen Eingaben führt, die wiederum falsche Ergebnisse liefern. Um dies zu vermeiden, werden die Ergebnisse der FEM oft mit analytischen Bewertungen verglichen. Vereinfachte analytische Berechnungen werden von den Ingenieuren und Schiffsarchitekten von iYacht durchgeführt, um zu beurteilen, ob die FEM-Ergebnisse im erwarteten Bereich liegen und so die Zuverlässigkeit der Berechnung sicherzustellen.
Letztendlich schafft die Kombination aus fortschrittlichen Werkzeugen und menschlichem Fachwissen einen robusten Rahmen für effektive Lösungen. Die korrekte Anwendung dieser Werkzeuge und die kritische Bewertung der Ergebnisse führen zu optimalen Design-Ergebnissen.
Um das gesamte Leistungsspektrum von iYacht zu entdecken, besuchen Sie den entsprechenden Bereich auf der Website.
