AutoMeT – Autonome und ferngesteuerte Meerestechnik

ProjektleiterProf. Dr.-Ing. Holger Korte
MitarbeiterOliver Köckritz, Sven Stuppe
Projektvolumen300.000 €
FördermittelgeberJade Hochschule, Promotionsförderprogramm Jade2Pro
Projektlaufzeit03/2014 – 12/2017
KooperationspartnerUniversität Rostock, Universität Oldenburg

Projektziele

Ziel des durch das Promotionsprogramm Jade2Pro geförderten Forschungsprojektes AutoMeT ist die Entwicklung von Verfahren zur Berechnung des Bewegungsverhaltens mechanisch gekoppelter Mehrkörpersysteme im Seegang sowie deren Beherrschung durch Regler-unterstützte Steuerungen. Es wird ein Programm entwickelt, mit dem die Wiederaufnahme einer Person über Bord oder eines Fast-Rescue-Bootes auf offener See sowie die Verladung von Schwergut von einem Offshore-Versorger simuliert werden kann.

Die Meerestechnik ist ein überaus interdisziplinärer und dabei hoch spezialisierter Wissenschaftsbereich, der unter anderem Fachbereiche wie Nautik, Schiffs- und Anlagenbau, Automatisierungstechnik und Robotik, Meeres- und Wetterkunde sowie Logistik miteinander vereint. Durch die stetig fortschreitende Erforschung und Erschließung von Energiequellen und Rohstoffen auf offener See werden aufgrund der vorherrschenden Umweltbedingungen sowie durch die komplexen Offshore-Operationen immer größere Anforderungen an Mensch und Technik gestellt. Mit dem Ausbau der Windenergie vor den deutschen Küsten entstehen gerade in diesem Bereich neue Herausforderungen, Offshore-Windanlagen sicher und wirtschaftlich zu installieren und während der Betriebsdauer zu warten. Dazu gehören das Anheben der Gründungsstruktur einer Windkraftanlage von einer Transportbarge sowie das Aufsetzen der Struktur auf dem Meeresboden. Eine andere Operation, die sehr viele Gefahren in sich birgt, ist das Übersetzen von Wartungspersonal von einem Tenderboot auf eine Windkraftanlage. Dabei sind Wind und Seegang die limitierenden Faktoren. Schon geringe Überschreitungen von Grenzkriterien führen aus Sicherheitsgründen zur Unterbrechung der Arbeiten. Eine weitere Offshore-Operation, die See-Personal immer wieder vor große Probleme stellt, ist das Absetzen und Aufnehmen von schwimmenden Objekten wie Rettungs- und Tenderbooten oder Forschungsrobotern bei vorhandenem Seegang. Durch die Relativbewegungen zwischen Mutterschiff und schwimmendem Objekt ist es schwierig, eine sichere Bergung durchzuführen.

Um bereits in der Planungs- und Entwurfsphase detaillierte Kenntnisse über das Systemverhalten im Seegang zu bekommen, müssen umfangreiche Untersuchungen des gekoppelten Verhaltens unter den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen durchgeführt werden. Aufgrund der Entwicklung schneller Rechentechnik kommen für solche Anwendungen immer mehr Computersimulationen zum Einsatz.

Ziel des Forschungsvorhabens AutoMeT ist die Entwicklung einer Prozedur zur Berechnung des Bewegungsverhaltens mechanisch gekoppelter Mehrkörpersysteme im Seegang.

Szenario

Wiederaufnahmeeinrichtung
Abbildung 1: Konzept einer Wiederaufnahmeeinrichtung für Personen und Rettungsboote (Quelle: B. Zerhusen, SOOP)

Das konkrete Szenario, das im Forschungsvorhaben AutoMeT untersucht und verifiziert werden soll, entspricht der Bewegung einer an einer Seite frei schwimmenden Wiederaufnahmeeinrichtung für Personen und schwimmende Strukturen, die an der anderen Seite drehbar am Mutterschiff angebracht ist. Abbildung 1 zeigt das Konzept der Konstruktion. Es soll analysiert werden, wie sich das Mutterschiff und die Wiederaufnahmeeinrichtung im Seegang relativ zueinander bewegen und welche Wechselwirkungskräfte dabei entstehen. Dies ist ein notwendiger Entwicklungsschritt zur angemessenen konstruktiven Dimensionierung der Einrichtung. Schließlich sollen auch die Rahmenbedingungen ermittelt werden, unter denen eine sichere Bergung der schwimmenden Objekte möglich sein wird.

Ermittelte Schiffsbewegungen
Abbildung 2: Ermittelte Schiffsbewegungen für Tauchen, Rollen und Stampfen. Vergleich der Faltung der Impulsantwort des Schiffes und irregulärem Seegang (WAMIT, rot) mit den Bewegungen aus den eigenen Simulationen (zum Vergrößern anklicken; Quelle: J. Richter, SOOP)

Das Vorhaben schließt an die Ergebnisse des an der Jade Hochschule erfolgreich durchgeführten Forschungsvorhabens SOOP – Sichere Offshore Operationen an. In SOOP wurde mit Matlab/Simulink bereits ein Programm entwickelt, mit dem unter Berücksichtigung der hydrodynamischen Masse die Bewegungen eines Schiffes in sechs Freiheitsgraden im Seegang simuliert werden können.

Um das entwickelte Programm zu verifizieren, wurden die registrierten freien Bewegungen mit Ergebnissen, die mit dem Programm WAMIT berechnet wurden, verglichen. Abbildung 2 zeigt exemplarisch für Tauchen, Rollen und Stampfen die sehr gute Übereinstimmung der in der Simulation registrierten Schiffsbewegungen (grün) mit den Ergebnissen von WAMIT (rot).

Simulation des Offshore Versorgers „WindForce1“
Abbildung 3: Darstellung der Simulation des Offshore Versorgers „WindForce1“ der Reederei Frisia-Offshore im Seegang, gefesselt an OWEA (zum Vergrößern anklicken; Quelle: H. Korte, SOOP)

Abbildung 3 zeigt einen Snapshot einer gefesselten Bewegungssimulation der „Wind Force 1“ im Seegang. Bei querlaufender See wird das Schiffsheck infolge der Fesselung und dem weiter vorn befindlichem Auftriebsschwerpunkt aus dem Wasser gehoben. Das Schiff wurde an der Kontaktstelle zur Offshore-Windenergie Anlage ideal drehbar gefesselt. Die Untersuchungen des Bewegungsverhaltens des Schiffes im Seegang zeigen sehr plausible Ergebnisse, die noch experimentell verifiziert werden sollen.

Ausgehend von den oben vorgestellten Ergebnissen soll das Simulationsprogramm so erweitert werden, dass damit das Bewegungsverhalten von Mehrkörpersystemen im Seegang analysiert werden kann. Dabei soll ein Verfahren zur Transformation der hydrodynamischen Trägheitsgrößen (hydrodynamische Masse) an dem mechanisch gekoppelten System im Wasser angewendet werden. Damit wird ermöglicht, dass die Bewegungsgleichungen der Teilsysteme homogenisiert und im Inertialsystem gelöst werden können.

Es ist geplant, mit den erzielten Ergebnissen weitere Drittmittel-Forschungsprojekte in Zusammenarbeit mit der lokal ansässigen maritimen Industrie einzuwerben, um die technische Ausrichtung und die Forschung am Fachbereich Seefahrt und Logistik der Jade Hochschule personell und materiell weiter auszubauen.