Inhalt. Schiffsführungssimulation der Revierfahrt

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1 F & E Projekt: SFS-R Ziel: Verfeinerung der fahrdynamischen Modelle in der Schiffsführungssimulation bei Bemessung oder Befahrbarkeitsanalyse von Seeschifffahrtsstraßen Wasserbau Ästuarsysteme I (K2) Dr.-Ing. Carl-Uwe Böttner 21. September 2012 Inhalt Veranlassung und Aufgabe Schiffsführungssimulator für Seeschiffe der BAW Ermittlung der Modellparameter Fahrdynamische Modelle für das begrenzte Fahrwasser Zusammenfassung Seite 2

2 Simulation zur Bemessung Seite 3 Veranlassung F&E-Projekt F&E-Projekt Möglichkeiten Möglichkeiten und und Grenzen Grenzen von von Schiffsführungssimulatoren Schiffsführungssimulatoren für für die die Anwendung Anwendung bei bei Bemessungsaufgaben Bemessungsaufgaben (und (und Befahrbarkeitsanalysen) Befahrbarkeitsanalysen) in in Seeschifffahrtsstraßen Seeschifffahrtsstraßen Seite 4

3 Konzept WSV/BAW - interne Bearbeitung (z.b. fast-time-simulation) WSV/BAW - externe Bearbeitung (incl. human factor = Brücke ) Entwicklung Schnittstellen Simulator Betreiber Hochschule SimSoftware + Simulator Hersteller Simulator Betreiber Hochschule Simulator Betreiber Hochschule Auswahl für Vergabe Simulator Betreiber Hochschule Seite 5 Aufgabenstellung Beratung der WSV und ihrer Ämter zu allen fachlichen Fragen bei Schiffsführungssimulationen Feststellung der Modellgenauigkeit Feststellung der quantitativen und qualitativen Bedeutung der einzelnen Flachwassereffekte für die Bemessung Entwicklung verfeinerter Modelle zu Flachwassereffekten Durchführung von Fast-Time-Simulationen als Voruntersuchung zur Auswahl der in einer Full-Mission -Simulation zu untersuchenden Varianten. Fast-Time-Simulation Wendemanöver Emden Seite 6

4 Seeschiffsführungssimulator der BAW Seite 7 Seeschiffsführungssimulator der BAW Hersteller: RDE Modell: ANS5000 Ausstattung: 1 Sichtsystem 2 Fahrstände 1 NACOS 1 Instruktor Seite 8

5 Modularer Aufbau Schiff Wasserstraße Schiffsdynamik Seite 9 Revierfahrt und Flachwasser Seite 10

6 Fahrdynamische Koeffizienten M.A. Abkowitz, 1964, N.H. Norrbin, 1971 Reihenentwicklung (Taylorreihe) der Funktion für die Kraft in jedem der bis zu 6 betrachteten Freiheitsgrade Schiffsführungssimulation zur Bemessung von Seeschifffahrtsstraßen Wasserbau Referat K2 Carl-Uwe Böttner 12. Januar 2011 Seite 11 Messungen in der Natur Seite 12

7 Messungen in der Natur zum fahrdynamischen Verhalten großer Containerschiffe bei Revierfahrt 2 x GPS-Antennen auf der Nock 2 x GPS-Antennen am Bug Daten vom Voyage-Data-Recorder Ergebnisse für Revierfahrt Elbe Vergleich Ergebnisse Modell / Natur ULICZKA / KONDZIELLA / FLÜGGE 2004, HANSA Jhrg. 141, Nr.1 Seite 13 Messungen zum fahrdynamischen Verhalten großer Containerschiffe bei Revierfahrt - Begegnungen 2 x GPS-Antennen auf der Nock 2 x GPS-Antennen am Bug Daten vom Voyage-Data-Recorder Ergebnisse Revierfahrt Elbe Ergebnisse Modell Summenkurve [%] 100,0 Squatmessungen Unter- und Außenelbe 2003/04 Squat-Zunahme bei Begegnungsverkehr HAPAG-LLOYD und YANG MING 10,0 8 Fahrten der HAMBURG EXPRESS-Klasse (HAPAG LLOYD) 4 Fahrten der 5500-TEU-Klasse (YANG MING LINE) Summe: 125 Begegnungen 1,0 d S am Bug d S am Heck 50 % < 0,16 m 90 % < 0,33 m Max. = 0,44 m 0,1 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 S [m] u.a. BRIGGS / VANTORRE / ULICZKA / DEBAILLON 2010, Handbook of Coastal and Ocean Engineering Seite 14

8 Sensitivitätsuntersuchungen Seite 15 Sensitivitätsuntersuchungen Berme ohne Vergleich von Bank-Kraft und Bank-Moment mit und ohne Berme Ermittlung der Bedeutung / des Einflusses der einzelnen fahrdynamischen Größen auf die Bemessung Ableitung der benötigten Genauigkeit der Modelle für die Revierfahrt Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Gewinnung der benötigten Koeffizienten und Bereitstellung der benötigten Modelle Sensitivitätsstudie zum Bank-Effekt im ANS5000, hier Sensitivität auf eine Unterwasserberme. Seite 16

9 Quantitative Ermittlung von Flachwassereffekten Container: L = 280 m B = 32,20 m T = 9,00 m Seite 17 Quantitative Ermittlung von Flachwassereffekten Seite 18

10 Quantitative Ermittlung von Flachwassereffekten Seite 19 Quantitative Ermittlung von Flachwassereffekten Container: L = 360 m B = 55,00 m T = 16,00 m Seite 20

11 Experimentelle Systemidentifikation Becken Halle 1: 110 * 35 m Modelle Maßstab 1:40, alle selbst fahrend mit Ruderkoker Ermittlung des Systemverhaltens aus Messfahrten mit frei manövrierenden Modellen Seite 21 Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Seite 22

12 Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Seite 23 Vergleich mit der Fahrdynamik im Simulator Kurs 14m Ruder 14m Kurs 17m Ruder 17m Kurs 20m Ruder 20m [ ] [ s ] Kurs 14m Ruder 14m Kurs 17m Ruder 17m Kurs 20m Ruder 20m Vergleich mit Messwerten aus dem Versuch: [ ] Zeitschritt [n*20hz] :000 Seite 24

13 Auswertung : Einfluss Geschwindigkeit Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Johannes Sponholz: Optimierung der Flachwasser - Manövriereigenschaften eines Schiffsmodells des Ship Handling Simulators, auf Grundlage einer Serie von Versuchsfahrten mit einem Maßstabsmodell Diplomarbeit, Hochschule Bremen, 2011 Seite 25 Auswertung : Einfluss Geschwindigkeit Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Johannes Sponholz: Optimierung der Flachwasser - Manövriereigenschaften eines Schiffsmodells des Ship Handling Simulators, auf Grundlage einer Serie von Versuchsfahrten mit einem Maßstabsmodell Diplomarbeit, Hochschule Bremen, 2011 Seite 26

14 Auswertung : Einfluss Geschwindigkeit Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Johannes Sponholz: Optimierung der Flachwasser - Manövriereigenschaften eines Schiffsmodells des Ship Handling Simulators, auf Grundlage einer Serie von Versuchsfahrten mit einem Maßstabsmodell Diplomarbeit, Hochschule Bremen, 2011 Seite 27 Auswertung: Einfluss Geschwindigkeit Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Johannes Sponholz: Optimierung der Flachwasser - Manövriereigenschaften eines Schiffsmodells des Ship Handling Simulators, auf Grundlage einer Serie von Versuchsfahrten mit einem Maßstabsmodell Diplomarbeit, Hochschule Bremen, 2011 Seite 28

15 Auswertung: Einfluss Wasserstand Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Johannes Sponholz: Optimierung der Flachwasser - Manövriereigenschaften eines Schiffsmodells des Ship Handling Simulators, auf Grundlage einer Serie von Versuchsfahrten mit einem Maßstabsmodell Diplomarbeit, Hochschule Bremen, 2011 Seite 29 Einfluss der Böschung v S = 10 kn h/t = 1.9 Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg v S = 10 kn h/t = 1.1 Seite 30

16 Fahrdynamisches Modell im Simulator v S = 8 kn h/t = 1.6 Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Johannes Sponholz: Optimierung der Flachwasser - Manövriereigenschaften eines Schiffsmodells des Ship Handling Simulators, auf Grundlage einer Serie von Versuchsfahrten mit einem Maßstabsmodell Diplomarbeit, Hochschule Bremen, 2011 Seite 31 Fahrdynamisches Modell im Simulator v S = 10 kn h/t = 1.1 Freifahrer, Halle 1 BAW Hamburg Johannes Sponholz: Optimierung der Flachwasser - Manövriereigenschaften eines Schiffsmodells des Ship Handling Simulators, auf Grundlage einer Serie von Versuchsfahrten mit einem Maßstabsmodell Diplomarbeit, Hochschule Bremen, 2011 Seite 32

17 PlugIn reversible Anpassung für spezielle Aufgaben Anpassung der Flachwassereffekte mit festen Koeffizienten nur eingeschränkt möglich Abhängigkeit von Umweltfaktoren muss analytisch abgebildet werden Eingriff in die laufende Simulation in Echtzeit nötig Seite 33 PlugIn reversible Anpassung Seite 34

18 PlugIn reversible Anpassung Seite 35 PlugIn reversible Anpassung Seite 36

19 PlugIn reversible Anpassung Seite 37 Zusammenfassung Seite 38

20 Seite 39 Seite 40

21 Vielen Dank! Seite 41