Andreas Junglewitz, DNV-GL, Hamburg; Claas Fischer, Wolfgang Fricke, Institut für Festigkeit und Konstruktion von Schiffen, TU Hamburg-Harburg
Die Vorschriften der IACS über den Schiffsbetrieb in den polaren Regionen definieren für die Auslegung der Propulsionsanlage verschiedene Lastfälle aufgrund von Eiskontakt. Bei Verstellpropellern wird in einem Lastfall die Traglast eines Flügels zur Auslegung der Befestigungsschrauben sowie des gesamten Verstellmechanismus genutzt. Die Traglast wird als äußerste, einmalig im Betrieb auftretende Kontaktkraft angesehen, die außerhalb der Drehachse wirkt und dabei ein zusätzliches Spindelmoment um die Flügelachse erzeugt. Die Hersteller von Verstellpropellern kritisierten, dass der Lastfall zu größeren Bauteilabmessungen als in der Vergangenheit führt. Deshalb wurde ein Joint Industry Project, aus Herstellern und Klassifikationsgesellschaften bestehend, durchgeführt, um die Annahmen und Lastverteilungen experimentell zu überprüfen. Es wurden zwei reale Flügel von Verstellpropellern mit verschiedenen Geometrien, Materialien und Kraftangriffspunkten sowohl im elastischen Bereich als auch bis hin zum totalen Versagen getestet. Da das Versagen anders als erwartet auftrat, wurden numerische elastisch-plastische Simulationen der Traglastversuche durchgeführt, um diese virtuell zu beenden und die tatsächlichen Traglasten zu ermitteln. Der Beitrag beschreibt die Traglastversuche sowie die numerischen Simulationen und stellt die erzielten Ergebnisse vor. Der Vergleich der in den Vorschriften angesetzten Traglast mit den Experimenten zeigt eine gute Übereinstimmung. Allerdings fällt das ertragbare Spindelmoment deutlich geringer aus, weil die Flügelspitze lokal versagt, wenn die Kraft gemäß den Vorschriften angreift. Die berechneten Kräfte sind bei vorliegenden plastischen Verformungen etwas zu groß und hängen von dem verwendeten Werkstoffgesetz ab. Das Verformungsverhalten sowie der Bereich hoher Dehnung werden jedoch zufriedenstellend wiedergegeben. Abschließend wird ein Ausblick auf einen neuen möglichen Ansatz zur Auslegung von Verstellpropellern gegeben.
Andreas Junglewitz, DNV-GL, Hamburg; Claas Fischer, Wolfgang Fricke, Institut für Festigkeit und Konstruktion von Schiffen, TU Hamburg-Harburg
The IACS rules for ship operations in Polar Regions define different load cases for the consideration of ice contact during the design of the propulsion plant. In case of controllable pitch (CP) propellers, one load case uses the ultimate load of a blade to determine the necessary strength of the bolts and the whole pitch control mechanism. The ultimate load is considered as the highest contact force occurring once during the operation time, acting with an offset to the blade axis, thus creating an additional spindle moment about this axis. The producers of CP propellers claim that this load case results in larger scantlings compared to previous designs. Therefore, a Joint Industry Project, consisting of producers and classification societies, was established in order to verify experimentally the assumptions and load combinations. Two real blades of CP propellers with different geometry, material as well as load application points were tested in the elastic range and up to the total failure. As unexpected failure modes occurred, numerical elastic-plastic simulations of the ultimate load tests were performed in order to complete them virtually and to determine the real ultimate load of the blades. The paper describes the ultimate load tests as well as the numerical simulations and presents the achieved results. The comparison between the ultimate load assumed in the rules and the experiments shows good agreement. However, the endurable spindle moment is much smaller because the blade tip fails locally if the load acts according to the rules. The computed forces for the prevailing plastic deformations are somewhat larger and depend on the material law assumed. The deformation behaviour as well as highly strained areas are reproduced satisfactorily. Finally an outlook on a new possible approach for the design of CP propellers is given.