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Das Meer ist aufgewühlt und ein Schiff wird hin und her gewuchtet, während sich das Wartungspersonal einer Offshore-Windkraftanlage nähert. Das Schiff wird gegen die speziell konstruierte Bootsanlegestelle der Anlage gedrückt, und die Besatzung geht von Bord. Während sie auf dem Weg zur Windkraftanlage sind, wird das Schiff von einer Welle weggerollt und zu den Besatzungsmitgliedern zurückgeschleudert, die sich noch immer auf dem unteren Teil des Anlegers befinden. Glücklicherweise wird eine Katastrophe verhindert, da die Stahlfender den Aufprall abfangen und die Überführung dadurch sicher verläuft.

Angesichts der unerbittlichen Kraft des Meeres, der Verletzlichkeit der zu befördernden Personen und der häufigen Interaktion mit gewichtigen Schiffen ist es selbstverständlich, dass Bootsanleger stabil sein müssen. Um die Stabilität zu erhöhen, könnte mehr Stahl verwendet werden, aber ohne die richtigen Informationen könnten die Konstrukteure am Ende Material an Stellen hinzufügen, wo es nicht notwendig ist, was die Kosten unnötig in die Höhe treibt. Daher ist es für den Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen von entscheidender Bedeutung, dass bei der Konstruktion von Bootsanlegern nicht nur auf Sicherheit und Stabilität, sondern auch auf einen effizienten Materialeinsatz geachtet wird.

Um diese Herausforderungen zu meistern, hat Wood Thilsted, ein führendes Unternehmen im Bereich Offshore-Engineering, eine Methode entwickelt, um Bootsanleger kosteneffizient zu entwerfen, zu testen und zu validieren – und dabei stets das Meer und die Sicherheit im Auge zu behalten. Das Team verwendet die Simulationssoftware COMSOL Multiphysics®, um den Arbeitsaufwand zu reduzieren, potenzielle Fehler zu minimieren und viele seiner Designprozesse zu automatisieren.

Eine Luftaufnahme einer Person mit Schutzhelm, die die Leiter einer Bootsanlegestelle erklimmt, wobei ein Schiff gegen den Boden der Anlegestelle gedrückt wird.

Abbildung 1. Ein Schiff, das an einem Terminal einer Windkraftanlage anlegt.

Die Herausforderungen beim Anlegen

Bei einem typischen Projekt benötigt das Team von Wood Thilsted nur ein bis zwei Monate, um eine neue Bootsanlegestelle zu entwerfen, die 30 Jahre lang der rauen See und 200-Tonnen-Schiffen standhalten kann. Louise Bendtsen, leitende Bauingenieurin bei Wood Thilsted, sagt, dass diese Anlegestellen, wenn man sie auf ihr grundlegendes Konzept reduziert, täuschend einfach erscheinen können. Bendtsen erinnert sich: „Jemand sagte einmal: „Das sind doch nur Rohre! Das ist nicht so schwer.“ Aber es ist eine echte Herausforderung.“ Die anspruchsvollen realen Anforderungen machen Offshore-Anlegestellen zu einer einschüchternden Designaufgabe.

„Die Herausforderung beim Entwurf besteht darin, dass wir eine Reihe von sich widersprechenden Anforderungen mit verschiedenen Lastfällen haben. Man kann viel Zeit damit verbringen, einen Aspekt des Designs zu optimieren und dann feststellen, dass er für einen anderen Fall nicht funktioniert“, so Bendtsen. „[Für Konstrukteure bedeutet das,] dass sie einen weiteren Blick auf das Design als Ganzes werfen müssen und sich nicht zu sehr auf ein kleines Detail konzentrieren können, weil es einfach nicht funktionieren wird.“

Die Notwendigkeit, dem Wartungspersonal einen sicheren Übergang vom Schiff zur Windkraftanlage zu ermöglichen, macht das Design noch komplexer. Während dieses Vorgangs wird der Bug eines 200 Tonnen schweren Schiffes gegen die Fender des Bootsanlegers gedrückt, während das Personal auf die Leiter an der Struktur steigt und sich in Sicherheit bringt. Eine Bootsanlegestelle muss in der Lage sein, diesen Stößen und allen anderen Kräften standzuhalten, denen sie während ihrer erwarteten Lebensdauer von 30 Jahren ausgesetzt ist. Zusätzlich zu den Lastfallanforderungen müssen die Ingenieure auch für Unfälle wie unbeabsichtigte Kollisionen berücksichtigen.

Ermitteln des Ultimate Limit State und Fatigue Limit State

Um die Möglichkeiten der verschiedenen Designs zu verstehen, benötigt das Team von Wood Thilsted eine Simulationssoftwareplattform, die in der Lage ist, sowohl eine ULS-Welle (Ultimate Limit State) als auch eine FLS-Welle (Fatigue Limit State) zu modellieren, und setzt dazu die Software COMSOL Multiphysics® ein. Die ULS-Welle repräsentiert die maximalen Kräfte, die ein Bootsanleger während seiner erwarteten Lebensdauer ausgesetzt sein wird, während die FLS-Welle die kumulativen Auswirkungen von 30 Jahren Seegang und Transfers auf die Struktur darstellt. Die ULS- und FLS-Welle sind die maßgeblichen Lastfälle für jede potenzielle Designlösung für den sicheren Zugang zu Offshore-Windkraftanlagen.

Ein Modell einer Bootsanlegestelle mit roten Pfeilen links auf der Leiter, die die lateralen Kräfte darstellen, die auf das Design wirken, während es auf See ist.

Ein 3D-Plot, der die Belastungspunkte eines Bootsanlegers auf See in der Farbtabelle Rainbow zeigt.

Abbildung 2. Modelle zur Veranschaulichung der Kräfte, die auf die Bootsanleger auf See wirken. Links: Rote Pfeile zeigen die seitlichen Kräfte. Rechts: Ein Oberflächendiagramm hebt wichtige Belastungspunkte des Designs hervor.

Da Bootsanleger aus Leitern, Fendern, Stiften und vielen anderen Komponenten bestehen, muss das Team von Wood Thilsted auch in der Lage sein, eine Vielzahl von verschiedenen Designs zu testen, um die Sicherheit der Nutzer zu gewährleisten. Allerdings ist es zeitaufwändig, jedes Teil einzeln zu ändern und die gesamte Geometrie neu zu erstellen. Mit der COMSOL® Software kann das Team die wichtigsten Maße schnell anpassen, testen und optimieren, wie beispielsweise den Abstand zwischen den Sprossen, die Breite der Leiter, den Abstand zwischen den Fendern und den Überstiegsabstand.

Eine Detailansicht einer Leiter an einem Bootssteg mit Anmerkungen zu Stringer, Fender und Stift.

Abbildung 3. Die relevanten Designkomponenten für einen Bootsanleger.

Punktlandung bei einem Design

Die von Wood Thilsted entworfenen Bootsanlegestellen sind aus Stahl und bestehen aus drei Sätzen horizontaler Leiterstützen, die an das Übergangsstück der Windturbine geschweißt werden, wo die Turbine auf das Wasser trifft. Die obere Stütze ist ein an einen Flansch geschweißter Bolzen, der als vertikale Stütze für die Bootsanlegestelle dient. Die beiden unteren Stützen sind mit vulkanisiertem Neopren ummantelte Stifte in Halterungen. Das Neopren sorgt dafür, dass die Beschichtung des Stützsystems nicht beschädigt wird. Außerdem ermöglicht dieser Konstruktionsansatz ein einfaches Entfernen des Bootsstegs für den unwahrscheinlichen Fall, dass ein Austausch vor dem Ende der erwarteten Lebensdauer erforderlich wird.

Automatisierung mit Simulationssoftware

Um die zeit- und ressourcenintensive Durchführung sich wiederholender Analysen zu vermeiden, entschied sich das Team von Wood Thilsted für die Automatisierung der Simulationen.

„Wir verwenden COMSOL, um die Spannungskonzentrationsfaktoren unserer Bootsanleger schnell und einfach zu berechnen und diese während des gesamten Projekts zu verfolgen“, so Bendtsen. Um potenzielle Designs weiter zu validieren, arbeitet ihr Team mit dem Primary Steel Team von Wood Thilsted zusammen, um Feedback zu den Spannungskonzentrationsfaktoren und den Grenzen der verwendeten Materialien zu erhalten.

Eine schematische Darstellung der spannungsspezifischen Hotspots an einem Bootsanleger im Einsatz mit Anmerkungen zu Spannung, Kerbspannung, Hotspot-Spannung, Oberflächenspannung, Befestigungsplatte, Kehlnaht, Membranspannung und Spannungsbewertungsebene.

Eine Detailansicht des vernetzten Modells der Bootsanlegestelle.

Abbildung 4. Links: Während des Einsatzes ist die Struktur mit stressspezifischen Hotspots konfrontiert. Rechts: Das vernetzte Modell.

Das Team von Wood Thilsted verwendet LiveLink™ for MATLAB^®, ein Add-On-Produkt zu COMSOL Multiphysics^®, um Prozesse wie die Anwendung von Lasten, die Einstellung von Materialeigenschaften und die Auswahl des Analysetyps zu automatisieren und so Konsistenz und hohe Qualität zu gewährleisten.

„Mit COMSOL Multiphysics^® erhalten wir die Spannungswerte automatisch und verbinden diese Daten dann mit LiveLink™ for MATLAB^®“, so Bendtsen. "So können wir unsere eigenen Skripte schreiben, die Spannungen und Dehnungen extrahieren und alle Ergebnisauswertungen für die verschiedenen Lastfälle durchführen. Dadurch gewinnen wir Zeit, um das Design zu verbessern und uns auf die schwierigen Aspekte zu konzentrieren."

Diese Lastfälle umfassen die Simulation normaler Wellenlasten sowie unerwarteter Schiffsstöße. All dies kann in COMSOL^® optimiert und automatisiert werden, indem man Informationen über bestimmte Bauteile aufbaut und speichert. „Es gibt viele Möglichkeiten zur Automatisierung in der Software, und das ist für uns wirklich von Vorteil, weil wir all diese Lastfälle haben, die zwar ähnlich, aber doch unterschiedlich sind“, sagt Bendtsen.

Bauteilbibliothek und Parameter

Ein Teil des effizienten Designansatzes von Wood Thilsted ist seine Geometrieteilbibliothek. Innerhalb von COMSOL Multiphysics® können Nutzer Designs erstellen und speichern sowie komplexe Geometrien reproduzieren und parametrisieren. Mithilfe dieser Funktion bauen Bendtsen und das Team ihre Bootsanlegerdesigns Stück für Stück auf, indem sie jede Komponente einzeln abbilden und ihre Parameter speichern, so dass sie einen Teil des Designs durch einen anderen ersetzen können. Auf diese Weise können sie mehrere ähnliche Teile gleichzeitig ändern, indem sie die entsprechenden globalen Geometrieparameter anpassen. Dadurch kann ein Design leicht mit früheren Iterationen verglichen werden.

Zwei nebeneinander liegende Geometrieteile, die links die Teile für die Eimerhalterung und rechts die Teile für die Fenderhalterung zeigen.

Abbildung 5. Eine Kombination aus benutzerdefinierten gespeicherten Teilen und Teilen aus der COMSOL Part Library. Links: Teile der Eimerhalterung. Rechts: Teile für die Fenderhalterung.

Konkret hat Wood Thilsted alle Komponenten, einschließlich Fenderstützen, Halterungsstützen, Fender und Leitern, in seiner Geometrieteilbibliothek und kann sie nach Bedarf in ein Modell einfügen. „Das bedeutet, dass ich diese verschiedenen Geometrieteile kombinieren kann, um mein Gesamtdesign für den Bootsanleger zu erstellen“, so Bendtsen. „Wir haben auch mehrere Konfigurationen in unseren Teilen, so dass ich die Verbindungsarten und -winkel ändern kann, um verschiedene Konfigurationen zu testen.“

Bendtsen findet dies besonders nützlich für den Austausch mit Herstellern, nachdem deren Designs modelliert und simuliert wurden. Die Zusammenarbeit mit verschiedenen Herstellern führt zu individuellen Präferenzen für den tatsächlichen Bau eines Anlegers. „Wir haben viele unterschiedliche Konfigurationen. Deshalb haben wir eine Komponentenbibliothek erstellt, die es uns ermöglicht, unsere Anlegestelle auf verschiedene Weise zu konfigurieren und leicht anzupassen“, sagt Bendtsen.

Darüber hinaus kann der Konstrukteur mit dem dreidimensionalen COMSOL-Modell von Wood Thilsted auf einfache Weise eine visuelle Überprüfung eines potenziellen Designs durchführen. Mit Hilfe der Strukturmechanik-Simulation kann das Team von Wood Thilsted seine Anlegestellen genau modellieren und die dramatischen Auswirkungen simulieren, die die Umwelt und die Schiffe auf sie haben können.

Die Voraussetzungen für bessere Bootsanlandungen schaffen

Anlegestellen sind mehr als nur eine Ansammlung von Rohren, sie müssen effizient und sicher gestaltet werden. Da sowohl Kosten als auch Risiken auf dem Spiel stehen, haben Modellierung und Simulation zu mehr Sicherheit beigetragen. Darüber hinaus konnte Wood Thilsted Teile seiner Prozesse automatisieren und seine Designs verbessern. „Unsere Kunden kommen immer wieder zu uns, um Bootsstege zu entwerfen, weil sich unsere Designs bewährt haben“, sagt Bendtsen. Dieses Gefühl geht Hand in Hand mit dem Motto von Wood Thilsted, Designs schnell und flexibel umzusetzen, wie Bendtsen erklärt: „Unsere Projektteams sind agil und schnell. Wir sind in der Lage, Änderungen innerhalb von Stunden anstatt von Wochen umzusetzen und so die stahleffizientesten Designs mit hoher Geschwindigkeit zu realisieren."

MATLAB ist eine eingetragene Marke von The MathWorks, Inc.