Schiffsmodell (Technik)

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(siehe auch Schiffsmodell)

Schiffsmodelle werden in der Forschung vielseitig eingesetzt.

Inhaltsverzeichnis 1 Simulationsmodell 1.1 Hydrodynamisches Schiffsmodell 2 Andere technische Schiffsmodelle 3 Literatur

[Bearbeiten] Simulationsmodell

[Bearbeiten] Hydrodynamisches Schiffsmodell

Große Bedeutung haben seit etwa 1900 hydrodynamische Schiffsmodelle in den Schiffbau-Versuchsanstalten.

Ein hydrodynamisches Schiffsmodell ist Teil einer Messvorrichtung, um Bewegungen sowie hydrodynamische Kräfte und Momente an einem Schiff im Modellmaßstab zu untersuchen. Entsprechende Messungen werden von Schiffbau-Versuchsanstalten durchgeführt. Die Form des Modells stellt das Unterwasserschiff in verkleinertem Maßstab dar. Je nach Art des Modellversuchs ist das Schiffsmodell mit folgenden Vorrichtungen ausgestattet:

• elektrische Antriebsmotoren mit rechnergesteuerter Drehzahlregelung,
• Dynamometer, um Schub und Drehmoment in der Propellerwelle zu messen,
• Modellpropeller,
• Ruder,
• elektrische Rudermaschine (rechnergesteuert),
• Pod-Antrieb(e),
• genau platzierter Ballast, um Verdrängung, Lage des Schwerpunkts (also metazentrische Höhe) sowie Massenträgheitsmomente einzuregeln,
• ggf. Dreikomponenten-Waage zur Messung von Ruderkräften.

Schiffsmodelle sind typischerweise ca. 5 bis 10 m lang. Sie werden in der Regel vollautomatisch mit einer rechnergesteuerten Fräse hergestellt, die in der Lage ist, Freiformflächen darzustellen. Die Rohlinge hierzu bestehen aus Holz oder Paraffin. Paraffinmodelle sind auf einer stoffbespannten Holzkonstruktion aufgebracht, und das Paraffin ist wiederverwendbar. Vereinzelt sind auch Schiffsmodelle aus GFK im Einsatz.

Modellversuche, denen Schiffsmodelle dienen, sind

• Widerstands- und Propulsionsversuche: Hiermit wird untersucht, welche Maschine(n) das Schiff braucht, um die geforderte Geschwindigkeit zu erreichen. Es wird auch untersucht, um wieviel sich die Axialkraft in der Propellerwelle (Schub) von der Kraft unterscheidet, die das Schiff vorantreibt und entgegengesetzt gleich dem Widerstand ist. Dieser Unterschied basiert darauf, dass das Unterdruckfeld vor dem Propeller das Schiff nach hinten saugt und wird dimensionslos als Sogziffer (engl.: thrust deduction fraction) beschrieben.
• Nachstrommessung: Hiermit wird das Strömungsfeld hinter dem Schiff vermessen, um zu wissen, in welcher Anströmgeschwindigkeit der Propeller arbeiten wird. Diese Geschwindigkeit, mit der ein frei fahrender Modellpropeller ohne Schiffsmodell untersucht wird, unterscheidet sich von der Geschwindigkeit, mit der das Schiff fährt. Dieser Unterschied wird dimensionslos als Nachstromziffer (engl.: wake fraction) beschrieben.
• Farbanstrichversuche: Hiermit wird der Strömungsverlauf auf der Außenhaut sichtbar gemacht, um Schlingerkiele und andere Anhänge auszurichten.
• Seegangsversuche: Sie dienen vielfältigen Zwecken. In irregulärem (natürlichem) Seegang werden die Bewegungen in den einzelnen Freiheitsgraden statistisch analysiert, und es wird dokumentiert, ob und wie häufig das Vor- oder Hinterschiff austaucht und der flache Boden mit voller Wucht aufs Wasser schlägt (Slamming). Auch wieviel Wasser an Deck gelangt ist besonders bei Open-Top-Containerschiffen von Interesse und ebenso, wie empfindlich das Schiff insbesondere bei achterlichem Seegang gegen parametrisches Rollen ist, welches zum Kentern führen kann.
• Manövrierversuche, freifahrend: Hiermit wird in der Regel geprüft, ob die von der IMO vorgeschriebenen Manövriereigenschaften eingehalten werden und ob das Schiff stabil geradeaus fahren kann.
• Manövrierversuche am gefesselten Modell: Sie dienen Sonderzwecken.
• Eisversuche: Sie dienen ähnlichen Zwecken wie Widerstands-, Propulsions- und Manövrierversuche in offenem Wasser. Eine besondere Rolle spielt dabei der Zusammenhang zwischen der Eisdicke und der erforderlichen Leistung je nach Geschwindigkeit sowie die Frage, wie dickes Eis das Schiff überhaupt noch brechen kann.

Genau genommen handelt es sich bei diesen Versuchen (abgesehen von Eis) um eine experimentelle Lösung der dimensionslosen Navier-Stokes-Gleichung. Eigentlich sollte sowohl die Reynolds-Zahl als auch die Froude-Zahl der Großausführung entsprechen. Weil dies jedoch nicht machbar ist (das Modell müsste riesig groß sein und in Quecksilber fahren) hält man nur die Froude-Zahl ein. Mangels Reynolds-Ähnlichkeit beklebt man das Modell am Bug mit Sandpapier-Streifen, um den Übergang von laminarer in turbulente Strömung den Verhältnissen in der Großausführung anzupassen.

Weil sich diese Modellversuche im Wettbewerb mit entsprechenden numerischen Berechnungen befinden, die man Computational Fluid Dynamics (CFD) nennt, werden sie gelegentlich auch als EFD (Experimental Fluid Dynamics) bezeichnet.

Die meisten Schiffbau-Versuchsanstalten lackieren ihre Modelle gelb, um kontrastreiche Foto- und Videoaufnahmen der Modellversuche zu gewährleisten. Die SSPA lackiert ihre Modelle jedoch blau. Die HSVA lackiert Eismodelle rot und Offenwassermodelle gelb. Die systematische Bezeichnung erfolgt mit einer laufenden Modellnummer und einem Modellindex. Der Modellindex unterscheidet die Veränderungen, die am Modell zwischen den Versuchen vorgenommen wurden.

Das Überwasserschiff wird in der Regel nicht dargestellt, und es ist unerheblich, ob das Modell so aussieht wie die Großausführung. Ausnahme sind aerodynamische Versuche im Windkanal, in denen es darum geht, Windkräfte zu messen sowie Schornsteine von Passagierschiffen so zu gestalten, dass die Abgase von den Passagieren ferngehalten werden.

[Bearbeiten] Andere technische Schiffsmodelle

Schiffsmodelle können auch der Demonstration geplanter Schiffe oder deren Planung dienen (Productionsplanung).

Aus dem Jahr 1525 ist bekannt, dass konkurrierende Schiffsbaumeister dem venezianischen Staat Modelle ihrer eigenen Entwürfe zur Entscheidung über ein Schiffbauprogramm vorlegten, was wohl den Startpunkt einer ganz neuen Entwicklung im Schiffsmodellbau markiert: die Schaffung maßstabsgetreuer und in den Proportionen richtiger Modelle.

Ab 1670 wurden solche Modelle in Dänemark vom ausführenden Schiffbauer sogar per Dekret gefordert. Das älteste erhaltene dieser Werft- oder Dockyard-Modelle in England stammt aus dem Jahr 1655.

Bis ins vorige Jahrhundert wurden Schiffe mittels Halbmodell modelliert und nach diesem Vorbild Spantenverlauf und Abwicklung der Metallplatten festgelegt.

Werftmodelle, die das ganze Schiff darstellen, dienen heute vor allem der Anschauung (Werbung, Dekoration, Museen).

[Bearbeiten] Literatur

• Wolfram zu Mondfeld: Historische Schiffsmodelle, Mosaik Verlag, München 2003, ISBN 3-572-01464-6
• Jürgen Eichardt: Rumpfbaupraxis - Kiel-oben-Bauweise für Schiffsmodellrümpfe. Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 2003, ISBN 3-88180-128-6

www.ship-model-today.de - Webseite des Buchautors Jürgen Eichardt