Marine Leistungstests und Simulationen

Ich komme wirklich gerne an diesen auch als das „italienische Schiffsmodellbecken“ bekannten Ort. Ich mag die riesigen Wassertanks, die großen Prüfstände, die Labore, den See und die Mischung aus ingenieurtechnischer Theorie und praktischen Experimenten und Tests.

Hier, in einem Vorort im Südwesten von Rom, führen Forscher, Ingenieure und Techniker numerische und experimentelle Forschung zur Marinehydrodynamik und Meerestechnik durch, indem sie Tests an neuen Seeschiffen, Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien, Propellern usw. durchführen. All dies dient unter anderem der Gewährleistung eines effizienten und sicheren Seeverkehrs und der Verringerung von Risiken für Schiffe und Besatzungen.

Das Marine Technology Research Institute (formals Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale INSEAN) ist ein Institut des italienischen Nationalen Forschungsrates, (Consiglio Nazionale delle Ricerche, CNR).

Die Arbeit hier beginnt oft mit einem numerischen Modell – und die qualifizierten Mitarbeiter sind in der Lage, mit Hilfe der fortschrittlichen DewesoftX Software zur Erfassung, Aufzeichnung und Analyse von Daten sehr komplexe Modelle zu berechnen.

In einigen Fällen werden sie auch beauftragt, Simulationssoftware zu optimieren, indem sie die korrekte Übereinstimmung zwischen dem Modell und dem Test unter realen Bedingungen überprüfen.

Für diesen Zweck verfügen sie im Institut über interne Kapazitäten für eine sehr komplexe mechanische Fertigung. Sie sind in der Lage, Holz, Metalle und Polymere mit modernsten generativen Fertigungstechnologien zu modellieren und alle Teile zu einem funktionalen System zu verbinden, das dann in ihren Versuchsanlagen getestet wird.

Die Modellstruktur wird in der Regel in unserem Labor mit Hilfe von Modalanalysetechniken geprüft, bevor der Test im Schlepptank stattfindet.

Dann wird das Modell mit allen möglichen hoch entwickelten Messumformern ausgestattet, wie 6-achsigen Kraftsensoren, Beschleunigungssensoren, inertialen Messeinheiten und einem optischen 6-DOF-Rumpfpositions- und Ausrichtungsmesssystem aus dem Metrologielabor.

Der Leiter des Metrologielabors, Roberto Basti, und sein Team sind dafür verantwortlich, die Messqualität in diesen komplexen Szenarien zu gewährleisten:

Jeder einzelne Versuch hat einen anderen Aufbau, und das ist eine Herausforderung, der wir uns immer gerne stellen.

Wir begegneten uns vor etwa zehn Jahren zum ersten Mal. Die meisten der hier damals eingesetzten Messgeräte waren intern von verschiedenen Forschungsgruppen für spezifische Bedürfnisse entwickelt worden.

Die Entwicklung maßgeschneiderter Instrumente kann für Forscher sehr spannend und interessant sein, ist aber für eine langfristige Planung in einem Forschungszentrum für Meerestechnik nicht wirklich geeignet.

Die beteiligten Forscher wechseln möglicherweise den Standort und nehmen das erforderliche Wissen mit, und intern entwickelte Systeme werden auch nicht immer vollständig getestet, sondern bleiben in der Regel in einer Prototypenphase, in der sie kontinuierlich weiterentwickelt und angepasst werden.

Ein einziges Datenerfassungssystem für alle Anwendungen

Der technische Leiter hielt damals Ausschau nach einer neuen Lösung für die Datenerfassung in den meisten Anwendungen des Forschungszentrums.

Er suchte nach einer neuen Industrietechnologie mit hohen Messkapazitäten, die sowohl im Labor als auch im Feld eingesetzt werden kann, auch in rauen Umgebungen zuverlässig funktioniert, sich sowohl für Rumpfdynamik als auch für NVH Anwendungen 

eignet und dabei sehr kompakt und leicht ist, da das Institut normalerweise mit Maßstabsmodellen arbeitet und den Gewichtsausgleich im Wasser berücksichtigen muss.

Wir schlugen damals unser preisgekröntes Datenerfassungssystem DEWE-43  vor, und im Institut war man sofort begeistert. Das DEWE-43 wiegt unter zwei Pfund und ist so klein, dass es in eine Hand passt. Außerdem ist das Gerät nicht nur robust, sondern zur Gewährleistung maximaler Mobilität auch leicht: Jede Einheit ist aus einem massiven Aluminiumblock gefertigt. Das DEWE-43 stellt eine ideale Lösung für verschiedene Anwendungen der dynamischen Datenerfassung und selbst anspruchsvollste Prüf- und Messaufgaben dar und ist gewissermaßen ein Schweizer Offiziersmesser für Prüf- und Messingenieure.
 
Die Datenerfassungshardware kann verschiedene Signale (Analog, CAN, ähler, Encoder, Digital ...) erfassen. Mithilfe der im Lieferumfang enthaltenen, sehr leistungsfähigen Software DewesoftX, liest und kombiniert sie problemlos auch Daten zusätzlicher Schnittstellen wie GPS, lexray, Ethernet, Seriell, PCM telemetry, und vielen anderen. Selbst wenn jede Datenquelle eine unterschiedliche Abtastrate aufweist, werden alle Daten mikrosekundengenau synchronisiert.

Dank der hohen Flexibilität der DewesoftX Software, konnten die Techniker diese Systeme in praktisch allen bei ihnen üblichen Anwendungen einsetzen, ohne ihre Altsysteme zu vermissen.

Intelligente TEDS-Sensoren

Unsere Arbeit änderte sich, als wir von der TEDS-Technologie erfuhren. Wir waren es gewohnt, den Außendiensttechnikern Kalibrierdaten für die Durchführung von Messungen bereitzustellen, aber jetzt können wir diese Daten einfach direkt in jedem Sensor speichern. So können sich die Techniker auf die Messung konzentrieren, ohne sich um Kalibrierparameter kümmern zu müssen. Diese Funktion gefällt uns so gut, dass wir den TEDS-Chip auf praktisch jedem unserer Sensoren installiert haben.

Die Prüfeinrichtungen

Es gibt einen riesigen Schlepptank, der ca. 500 m lang ist; so lang, dass er nicht gerade gebaut, sondern – wie es ja auch die Wasseroberfläche tut – der Erdkrümmung angepasst wurde, um einen vertikalen Positionsversatz (ca. 18 cm) der getesteten Modelle zu vermeiden. Ein zweiter Schlepptank ist kürzer (ca. 220 m), kann aber künstliche Wellen erzeugen, um das Verhalten des Rumpfes bei unterschiedlichem Seegang zu analysieren.

Kleinere Einrichtungen für die Grundlagenforschung (Turbulenzen, Widerstandsreduktion, Schwappen, Wellenbrechen, interne Wellen) werden von diesen großen Anlagen etwas überschattet, sind aber nicht weniger interessant.

Zu ihnen zählt auch der Wasserkanal für Messungen an freien Oberflächen, eine recht neue Anlage, die 2002 in Betrieb genommen wurde und für strömungstechnische Grundlagenversuche genutzt wird. Der Kanal ist 27 m lang und hat einen Querschnitt von 0,6 m x 0,6 m.

In diesen Einrichtungen werden regelmäßig verschiedene Tests durchgeführt, und das Datenerfassungssystem DEWE-43 ist immer dabei.

Da nicht alle Tests in einem begrenzten Prüfbereich realisierbar sind, nutzt das Prüfzentrum darüber hinaus auch einen südlich von Rom gelegenen sehr ruhigen Kratersee, den Nemisee.

Der See befindet sich in einem erloschenen Vulkankrater und ist daher von Hügeln umgeben. Er bietet beste Voraussetzungen für den Test von Schiffsrümpfen im Originalmaßstab, und zwar nicht nur durch die Abwesenheit von Wind und Wellen, sondern auch, weil die Form des Seegrunds und die Entfernung von städtischen Gebieten eine geräuscharme Umgebung, besonders unter Wasser, gewährleisten.

Wir hatten eine gute Zeit zusammen, während verschiedene anspruchsvolle Projekte zur Messung von Unterwasserlärm und Bootskomfort liefen; Anwendungen, für die das Datenerfassungssystem DEWE-43 nicht mehr ausreicht und das ganze Dewesoft-Potenzial ausgeschöpft werden muss.

CNR-INM hat für solche Zwecke das vielseitige, flexible, modulare, erweiterbare und sichere USB- und EtherCAT-Datenerfassungssystem SIRIUS DAQ erworben. Das Hauptziel bei der Entwicklung von SIRIUS war es, ein einfach zu bedienendes Gerät zu schaffen, mit dem häufige Fehler während des Messvorgangs verhindert werden.

Das modulare SIRIUS-Datenerfassungssystem ist in Slices oder Modulen erhältlich, die als eigenständige Datenerfassungssysteme verwendet oder per einfachem Klickmechanismus gestapelt und zu einem System mit höherer Kanalanzahl durchgeschliffen werden können. SIRIUS Datenerfassungssysteme bieten nahezu unbegrenzte Konfigurationsmöglichkeiten. Die Slices sind in Konfigurationen mit 1 bis 16 analogen Kanälen verfügbar und können zur Erhöhung der Kanalanzahl miteinander verkabelt werden. Eine Reihe unterschiedlicher Analogverstärker ermöglicht den Anschluss nahezu aller Sensoren.

Die DualCoreADC®-Technologie löst einige Probleme, die bei der Signalmessung häufig auftreten: Eingangsüberlastung, Rauschen und störende Frequenzanteile im Signal (Aliasing). Mit ihr erreicht SIRIUS ein Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 130 dB und einen Dynamikbereich über 160 dB.

Die SIRIUS-Datenerfassungshardware ist in der Lage, verschiedene Signale (Spannung, Dehnung, ICP/IEPE, Ladung, CAN, Zähler, Encoder mit SuperCounter®-Technologie, Digital ...) zu lesen. Darüber hinaus können mit der mitgelieferten Software DewesoftX problemlos Daten zusätzlicher Schnittstellen, wie GPS, Flexray, Ethernet, Seriell, PCM-Telemetrie und vielen anderen, erfasst und kombiniert werden. 

Kurz gesagt bietet das SIRIUS-Datenerfassungssystem das beste auf dem Markt anzutreffende Signal-Rausch-Verhältnis und die Möglichkeit zur Integration mit allen möglichen Geräten, einschließlich einer speziell entwickelten Boje, die in der Lage ist, Bewegungen der Wasseroberfläche zu messen, die in Echtzeit mit den an Bord gemessenen Werten abgeglichen werden können.

Durch den Einsatz dieser komplexen Kombination aus selbst entwickelten und von Dewesoft bezogenen Komponenten war CNR-INM in der Lage, Bootsgeräusche und vom Motor erzeugte Vibrationen zum Seegang in Beziehung zu setzen und dabei noch zusätzliche Messungen zur Erfassung des Unterwasserlärms und Untersuchung spezifischer Geräuschdämpfer durchzuführen, um für Wale gefährliche Frequenzen zu eliminieren.

Wir lieben es, wenn Dewesoft einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Umweltqualität leistet, während CNR-INM zugleich neue Möglichkeiten eröffnet werden.