Entwicklung vereinfachter Methoden zur Vorhersage des Versagensquerschnitts beri Propellerflügeln unter Einzellast

Kurzfassung Aufgrund eines Lastfalls, der in den aktuellen Bauvorschriften für Schiffe mit Eisverstärkung definiert ist, werden die Propeller größer dimensioniert als in der Vergangenheit und als sich aus Erfahrungswerten ergeben würde, die von Herstellern auf Basis von erfolgreich betriebenen Schiffen resultieren. Beobachtungen in aktuellen Traglastversuchen zeigen, dass die größere Dimensionierung nicht zwingend notwendig und einem zu sehr vereinfachten Ansatz in den Bauvorschriften hinsichtlich des Torsionsmoments um die Flügeldrehachse geschuldet ist. Propellerflügel sind komplexe dreidimensionale Körper mit stark variierenden Querschnitten. Deren Traglastverhalten hängt von der Art und der Position der Belastung ab und wurde bisher wenig systematisch untersucht, weil die größeren Unsicherheiten auf der Lastseite wegen der nicht-linearen Eigenschaften von Eis liegen. Die maximal vom Flügel ertragbaren Belastungen können zwar mittels numerischer elastisch-plastischer Simulationen abgeschätzt werden, aber dieser Ansatz ist für den frühen Entwurfsprozess ungeeignet, weil er sehr zeitaufwändig ist und u.a. die Werkstoffeigenschaften unbekannt sind. Deshalb sind vereinfachte Methoden, die das Traglastverhalten sowie das Torsionsmoment realitätsnaher abschätzen, für eine wirtschaftliche und effiziente Dimensionierung von Interesse. Der vorliegende Bericht beschreibt durchgeführte Voruntersuchungen und zwei daraus entwickelten Methoden. Zunächst werden mögliche vereinfachte Werkstoffkurven, die für den Entwurfsprozess geeignet und allgemeingültig erscheinen, diskutiert und vereinfachte numerische Berechnungen über das Traglastverhalten von Propellerflügeln vorgestellt. Hierbei zeigte sich, dass sich der Grenzzustand eines vollplastischen Querschnitts wie erwartet ausbildet, allerdings die Tragfähigkeit dicker gedrungener Körper nicht durch überlagerte Belastungen reduziert wird – im Gegensatz zu typischen Tragwerken im Bauwesen. Für die erste entwickelte Methode wurden Traglastdiagramme in Abhängigkeit der Lage der angreifenden Belastung numerisch erstellt. Die zweite Methode erfordert lediglich elastische numerische Berechnungen, in denen ebenfalls der Kraftangriffspunkt variiert wird, und die analytische elastisch-plastische Spannungsverteilung über den versagenden Querschnitt zu erhalten. Dieser Querschnitt deutet sich in den Simulationen durch das lokale Auftreten von hohen Spannungen an und wird durch den Vergleich von individuellen Tragfähigkeiten verschiedener möglicher Querschnitte auf Grundlage der Spannungsverteilung und des relevanten Hebelarms identifiziert. Beide Methoden bilden das Traglastverhalten von Propellerflügeln inklusive lokal versagender Querschnitte realitätsnaher ab, sodass das maximal aufnehmbare Torsionsmoment gegenüber den aktuellen Bauvorschriften deutlich reduziert wird.