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„Maßnahmen zur Schall- und Schwingungs-reduktion in schiffbaulichen Anwendungen“

Fraunhofer Forum »Waterborne«15. Juni 2011 – Hafen-Klub Hamburg

Michael MatthiasFraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFwww.lbf.fraunhofer.de

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Gliederung

Vorstellung Fraunhofer LBF / KCMA

Maßnahmen zur Schwingungsreduktion

Allgemeine Einführung

Projektbeispiel und Anwendungsmöglichkeiten

Aktuelle Projekte

Abschätzung von Schwingungsreduktionsmaßnahmen auf einer RoPax-Fähre NAOS

BMWi-Projekt AKTOS

BMWi-Projekt EPES

Zusammenfassung

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Kennzahlen des Fraunhofer LBF

Fläche:

Bürofläche: > 4.500 m² Laborfläche: > 15.500 m²

Betriebshaushalt (010) 2010: 15,3 Mio €

Ertragsanteil Wirtschaft: 48,1%

Mitarbeiter:

235 (LBF 010) (Stand Dezember 2010)

47 (LBF-AdRIA) (Stand Dezember 2010)

66 (TU Darmstadt – SzM) (Stand Dezember 2010)

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Interdisziplinäre Kompetenzen

Bild ???

„All in One“: Langjährige Erfahrungen in allen relevanten Fachgebieten

Schnelle und flexible Möglichkeiten der

Verifikation

Qualifizierter Einsatz anwendungsoptimierter

Software

Analyse und Optimierung der

Prüfsysteme

Mechatronik undAdaptronik

Experimentelle Prüfung

für

• Systemzuverlässigkeit

• Betriebsfestigkeit

• Adaptronik

Berechnung undSimulation

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Organisationsstruktur

LBF CAx-Technologien

Datenanalyse und radbezogene Komponenten

Betriebslasten-simulation undBewertung

Bauteil-gebundenes Werkstoffverhalten

GESCHÄFTS-BEREICHE

Industrie

Verbände + Industrie

Öffentliche Auftraggeber

K O M P E T E N Z C E N T E RMechatronik/Adaptronik

Universitäre Grund-lagenforschung SzM(TU Darmstadt)

BetriebsfesterLeichtbau

KC AdRIA (imLOEWE-ZentrumAdRIA)

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Leitung: Prof. Dr.-Ing. Tobias MelzStellvertretung: Dipl.-Ing. Michael Matthias

Dr.-Ing. Dirk Mayer

Mitarbeiter: ca. 50 Wissenschaftler / Techniker Doktoranden / Gastwissenschaftlerca. 35 Studien- / Diplomarbeiter

Technologische Kompetenzbereiche:• experimentelle Analyse und Simulation• Modellbildung und numerische Analyse• Design und Prototyping• Regelungstechnik und Systemintegration• Systemzuverlässigkeit

Angebot:• Systemanalyse• Beratung bzgl. schwingungstechnischer und akustischer Strukturoptimierung• Entwicklung und Prototyping von bis zu adaptronischer Systemlösungen

Kompetenzcenter Mechatronik / Adaptronik am LBF

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Schwingungsreduktion - Begriffserklärung

Schwingungsreduktion (Schwingungskontrolle): Vermeidung der Entstehung, Verringerung der Abstrahlung, Beeinflussung der Ausbreitung / Übertragung …

… von Vibrationen und (Körper-) Schall am / möglichst nahe dem Entstehungsort bzw. an exponierter Übertragungsstelle.

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Schwingungsreduktion - Begriffserklärung

Die Technologie der Adaptronik / Mechatronik verfolgt zur Schwingungsreduktion z.B. den Ansatz, an entsprechenden Stellen (Aufstandsorten von Motoren / Kompressoren, Verbindungselementen,Hautfeldern, etc.) eine in Frequenz, Phase und Amplitude angepassteKraft derart einzuleiten, dass sie die störenden Schwingungendestruktiv überlagert und somit eine Schwingungsreduktion erzielt wird.

Die Schwingungsreduktion kann durch unterschiedliche Maßnahmenerreicht werden, die sich durch Eingriffsort, Wirkungsweise undkonstruktive Ausgestaltung unterscheiden können.

Das Potential der erreichbaren Schwingungsreduktion und der dafürnotwendige Aufwand hängt dabei stark von der jeweiligenZielanwendung ab

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Projektbeispiel: Lagerung eines Kompressors

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Adaptiver Tilger + Kompensator

Reduktion durch Tilgung

Reduktion durch Krafteinleitung / Kompensation

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Adaptiver Tilger + Kompensator: Design

in der ersten Eigenfrequenz: adaptiver Tilger

oberhalb der ersten Eigenfrequenz: Kompensator (Inertialmassenaktor)

* after: P. Konstanzer et al., Euronoise 2006

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Adaptiver Tilger + Kompensator: Umsetzung

Gewicht: 1.7 kg

Antrieb: 4 piezoelektrische Folienaktoren

Variationsmöglichkeit der 1. EF: 38 – 55 Hz

Nutzbarer Frequenzbereich: < 200 Hz

Kompensationskraft: 11 N

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Adaptiver Tilger + Kompensator: Ergebnisse

15 dB10 dB

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Aktive Aggregatlagerung zur Reduktion von Strukturschwingungen und Körperschallübertragung

Ziel:

Entwicklung aktiver Lager auf Basis multifunktionaler, strukturintegrierter Aktor- / Sensorsysteme zur Entkopplung von Antriebsaggregaten im Schiff

Vorgehen:

• Messtechnische Identifikation desIst-Zustandes

• FE-Berechnung der Schiffsstruktur und numerische Simulation der aktiven Lagerung im Schiff

• Prüfstandsaufbau

• Konzeption, Bau und Erprobung der aktiven Lager unter Laborbedingungen

• Implementierung in das Zielboot und Verifizierung des Systems im Feldtest

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Integration der aktiven Lager

Stellweg: frei: 80 μm (Bipolar 105 μm) Länge: 80 mm Durchmesser: 16 mm max. Stellkraft: 12 kN

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Versuchsergebnisse AAL

Hochlaufmessung: 1000.. 3000 min-1 in 30 s, Regelung der 1. und 3. Harmonischen

Regler aus Regler an

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Aktive Maßnahmen zur Isolation einfach-elastisch gelagerter Aggregaten

Adaptiver Tilger Adaptiver Neutralisator

Unwucht-kompensator

Inertialmassen-aktor

Aktives Lager

Schmalbandige Wirkung

Breitbandige Wirkung

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]

Ges

chw

indi

gkei

t [dB

]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]

Ges

chw

indi

gkei

t [dB

]

1.2.

3.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]G

esch

win

digk

eit [

dB]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]

Ges

chw

indi

gkei

t [dB

]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]

Ges

chw

indi

gkei

t [dB

]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]

Ges

chw

indi

gkei

t [dB

]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]

Ges

chw

indi

gkei

t [dB

]0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Drehzahl [U/min]G

esch

win

digk

eit [

dB]

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Umsetzungen (Beispiele)

Passiver Tilger / Neutralisator

Adaptiver Tilger

Adaptiver Neutralisator

Unwucht-Kompensator

Inertial-massenaktor

Aktives Lager

MAN + ERAS

G & O

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Schwingungsminderung am HauptantriebssystemMöglichkeiten zur Applikation

Aggregat mindestens einfach elastisch gelagert

schnelllaufende 4-Takt-Motoren mitschnelllaufende 4-Takt-Motoren

MTU Friedrichshafen

Deutz

MAN MAN Diesel & Turbo

Wärtsila

Caterpillar (MaK)

MAN

CaterpillarUnwuchtkompensator

Aktives Lager

Inertialmassenaktoren

Passive Tilger / NeutralisatorenAdaptive Tilger / Neutralisatoren

Hauptantrieb, ohne Gensets

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Anwendung von Neutralisatoren in RoPax-Fähren

störende Vibrationen im Passagierbereich einer RoPax-Fähre

dominierende Frequenz entspricht der Zündfrequenz der beiden Antriebsmaschinen

zwei Hauptübertragungswege von der Anregung zur unerwünschten Strukturantwort denkbar: über die Schiffstruktur (1) oder das Abgassystem (2)

112

Länge: 186 mLadekapazität 2.2 km (173 Trailer) + 186 PKWHauptantrieb: 2x 10800 kWGeschwindigkeit: 24 kn

Länge: 186 mLadekapazität 2.2 km (173 Trailer) + 186 PKWHauptantrieb: 2x 10800 kWGeschwindigkeit: 24 kn

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Lösungsansatz

Reduktion der Vibrationen soll durchdie Einleitung von Gegenkräften erreicht werden.

Gegenkräfte können durch passive, schwingungsfähige Zusatzsysteme erzeugt werden.

Solche Systeme wirken schmalbandig im Bereich der störenden Frequenz.

Zusatzsysteme können prinzipiell entweder in der Nähe der Störung (Maschinenraum) oder im Passagierbereich (Deck 5) installiert werden.

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Vorbereitende Messungen auf dem SchiffBackbord Maschine, Pos. 1 - Frequenzbereich - Beschleunigung

Sensor Position 1Backbord-Maschinesteuerbordseitigvorne

0 50 100 150-60

-40

-20

0

mag

nitu

de [d

B]

Power Spectrum - Acceleration (1, engine )

zyx

0 50 100 150-60

-40

-20

0

frequency [Hz]

mag

nitu

de [d

B]

Power Spectrum - Acceleration (1, hull )

zyx

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Vorbereitende Messungen auf dem SchiffPassagierbereich - Frequenzbereich - Beschleunigung

0 50 100 150 200 250 300-80

-60

-40

-20

0

20

frequency [Hz]

mag

nitu

de [d

B] -

(ref

m/s

²)

Power Spectrum - Acceleration

zyx

x

yz

Schwebend

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Zusammenfassung der Ergebnisse und Erkenntnisse

zx

f

4.5

4.5

f

4.5

f

4.5

4.5z

x

f

4.5z

x

Motor 2

Motor 1

Maschinen-raum

Deck 5

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„Aktive Kontrolle von Torsionsschwingungen in Kupplungselementen“ – AKTos (01.05.2011 – 30.04.2014)

BMWi Förderprogramm: „Schifffahrt und Meerestechnik fürdas 21. Jahrhundert“

Konsortium: Centa Antriebe Kirschey GmbHFraunhofer LBFREINTJES GmbH (Assoziierter Partner)

Projektziel: Entwicklung einer aktiven Kupplung zur Reduktion der Beanspruchungen im Antriebsstrang eines Schiffs zur Erhöhung der Lebensdauer..

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Effiziente Prognose vibroakustischer Eigenschaften inder Schiffsentwurfsphase – EPES (01.01.2011 – 31.12.2013)

Vorhersage der akustischen Eigenschaften eines Schiffs in jeder Phase des Entwurfs- und Konstruktionsprozesses

Entwicklung von Simulationsverfahren zur Beschreibung der Schallerregung, -übertragung, -ausbreitung, -abstrahlung und der resultierenden Empfangsraumschallpegel

Charakterisierung, Modellierung und Simulation der Quellen und Koppelelemente

Aufbau und Simulation des vibroakustischen Gesamtsystems

BMWi Förderprogramm: „Schifffahrt und Meerestechnikfür das 21. Jahrhundert“

Konsortium:

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Aktive / adaptive Systeme zur Schwingungsminderung

Getriebe Werften Kupplungen

Haupt- und Hilfsaggregate Kompressoren Lager

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Angebotsübersicht

Numerische Simulation zur Schall- und Schwingungsprognose / -optimierung

Experimentelle Analysen strukturdynamischer / -akustischer Eigenschaften

Passiv und aktive Systeme zur Schall- und Schwingungsreduktion

Drehschwingungskompensation im Antriebstrang

Entwicklung von Systemen zur Bauteil- und Strukturüberwachung (SHM)

Lastdatenanalyse und Bewertung

Entwicklung prüftechnischer Verfahren zur dynamischen Bauteilcharakterisierung

Betriebsfestigkeitsnachweise

Experimentelle Untersuchungen zur Systemzuverlässigkeit

Umweltsimulation