Anna-Sophia Büscher, Technische Universität Berlin
Beim Entwurf eines Schiffes gilt es, so viele Aspekte wie möglich so gut wie möglich zu optimieren, um einen sicheren und effizienten Schiffsbetrieb zu gewährleisten. Aufgrund ihrer vielfältigen Ladungsmöglichkeiten und unterschiedlichen Betriebsbedingungen stellen Mehrzweckschiffe zusätzliche Herausforderungen an die Rumpfoptimierung.
Diese Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer multiobjektiven Optimierungsstrategie für Schwergut-Mehrzweckschiffe in den frühen Entwurfsphasen, wobei der Schwerpunkt auf Intaktstabilität und Widerstand auf zwei verschiedenen Tiefgängen liegt.
Da eine direkte Bestimmung des Widerstandes mittels CFD-Berechnungen aufgrund des hohen zeitlichen und Rechenaufwands nicht praktikabel ist, wurde auf Surrogatemodelle zurückgegriffen, die auf CFD-Ergebnissen basieren. Im Rahmen der Arbeit wurden neuronale Netze (ANN), Regressionsmodelle und Kriging-Modelle miteinander verglichen und auf ihre Effizienz hin getestet. Ein ANN-basiertes Modell, das auf Basis von 20 Designs mit neun Variablen erstellt wurde, erwies sich als ausreichend, um effizient Designs mit geringerem Widerstand zu finden.
Die Optimierung selbst wird mit einem parametrischen Schiffsrumpf in CAESES durchgeführt. Um den Rechenaufwand der Optimierung zu begrenzen, werden nur einige wenige Parameter mit dem größten Einfluss auf Stabilität und Widerstand als Variablen genutzt. Zusätzlich wurden Variablen für das Ballastwasser berücksichtigt.
Um in der Vorentwurfsphase auf externe Stabilitätssoftware verzichten zu können, sollte auch die Bewertung der Intaktstabilität innerhalb CAESES erfolgen. Dafür wurden CAESES-Features entwickelt, die eine schnelle Berechnung der IMO-Intaktstabilitätskriterien nach IS 2008 Code ermöglichen und deren Ergebnisse für eine initiale Einschätzung der Stabilität ausreichend genau sind.
Für die eigentliche Optimierung wurden die zwei multiobjektiven Optimierungsalgorithmen NSGA-II und MOSA mit jeweils verschiedenen Einstellungen verglichen. Für diesen Anwendungsfall hat sich NSGA-II als deutlich überlegen erwiesen.
Das Ziel der Optimierung ist die gleichzeitige Stabilitätsoptimierung und Widerstandsminimierung für zwei Tiefgänge. Um Ressourcen und Zeit zu sparen, wurde davon ausgegangen, dass eine Variante mit geringem Widerstand im größeren Tiefgang auch bei niedrigem Tiefgang vergleichsweise wenig Widerstand hat. Diese Vermutung wurde ausreichend belegt und für den weiteren Verlauf genutzt. Als Gütekriterium für den kleineren Tiefgang wurde stellvertretend eine den Widerstand repräsentierende Größe verwendet.
In einer ersten Stabilitätsevaluation zeigte sich, dass die verschiedenen Ladungscharakteristika, die zu den unterschiedlichen Tiefgängen führen, auch sehr unterschiedliche Stabilitätsanforderungen und limitierende Kriterien haben. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde das Rumpfmodell mit schrägen Seitenwänden erweitert, die die Schiffsbreite auf den beiden Tiefgängen anpassen. Die Winkel der Schrägen wurden als zusätzliche Variablen in die Optimierung aufgenommen.
In der Case Study wurde ein Schiff untersucht, das für den Transport von Offshore-Windanlagenkomponenten vorgesehen ist. Ein Beladungsfall mit Gondeln und ein Beladungsfall mit Rotorblättern wurde betrachtet. Als Gütekriterien, die es zu minimieren galt, wurden der Widerstand
im Gondelbeladungsfall, die Menge des Ballastwassers im Blätterbeladungsfall und die jeweiligen GMs gewählt. Um die Wirkung der abgeschrägten Seiten zu testen, wurde die Optimierung einmal mit und einmal ohne sie durchgeführt. Bei gleichwertiger Gewichtung aller Gütekriterien waren die besten Designs mit abgeschrägten Seiten um 8-9% besser als das beste Design mit graden Seitenwänden.
Die erarbeitete multiobjektive Optimierungsstrategie bietet einen Ansatz für die Optimierung von Mehrzweckschiffen in der frühen Entwurfsphase, wobei sowohl die Intaktstabilität als auch der Widerstand berücksichtigt werden. Die Verwendung von Surrogatemodellen und die Implementierung von Stabilitätsberechnungen in CAESES tragen zu einer effizienten und praxisnahen Optimierung bei. Die Erweiterung des Rumpfmodells mit schrägen Seitenwänden hat sich als wirksame Maßnahme zur Verbesserung der Stabilität und zur Reduzierung des Widerstands für zwei Beladungsfälle mit unterschiedlichem Tiefgang erwiesen.