Die Darstellung verdeutlicht schnell und anschaulich, dass mit dem ursprünglichen Auslegungsentwurf nicht genügend Isolation zu erzielen ist. Der gesamte Frequenzbereich der Blattpassierfrequenz eines 4-flügeligen Propellers liegt im Bereich der Starrkörper-Eigenfrequenz. Damit ist mit einer Verstärkung der Anregungskräfte zum Schiff zu rechnen. Ziel muss es nun sein, eine deutlich weichere Auslegung zu finden, die sowohl die Kriterien der maschinendynamischen Isolation erfüllt als auch eine nicht zu große statische Verschiebung des Antriebs unter Volllast sowie eine begrenzte elastische Verformung des Elastomers sicherstellt, um die Dichtheit weiterhin zu gewährleisten.

Variantenrechnungen

Ausgangspunkt der ersten Rechnung ist eine Elastomermatte mit einer Härte von 65 Shore, die zudem 2 mm verpresst wird. Aus den Materialeigenschaften und den Einbaubedingungen kann eine Ersatzsteifigkeit ermittelt werden, die im CAE-Modell an den 56 Verschraubungsstellen in Form von linear-elastischen Federn das Modell des Innentunnels mit dem des Vorschiffs verbindet. Die Gesamtsteifigkeit beträgt damit circa 1200 kN/mm, was erfahrungsgemäß ein sehr hoher Wert ist. Die Berech­nung der Eigenformen zeigt für eine solch hohe Anbindungssteifigkeit nahezu keine Isolationsfähigkeit. Tatsächlich zeigt die metallene Struktur bereits elastische Ve­rformung mit geringer Auslenkung in den Federelementen. 

Abbildung 3: Mode Map der 50 Shore-Variante

Ganz klare Abhilfemaßnahme ist hier die Änderung der Materialeigenschaft von einer 65 Shore-Elastomereinheit auf eine 50 Shore-Einheit (siehe Abbildung 3). 
Die Anbindungssteifigkeit reduziert sich damit auf 450 kN/mm. Die Starrkörper­moden treten nun bei geringeren Eigenfrequenzen auf. Insbesondere die Horizontal­moden – und damit die Bewegungsform längs des Tunnels – liegen unterhalb des Anregungsfrequenzbereichs. Auch die Frequenz des Nickeigenmodes wurde reduziert, sodass von einer Isolationswirkung ausgegangen werden kann. Einzig verbleibend im Frequenzbereich der Anregung ist die Vertikalmode. Sie kann im Hinblick auf die Abstützsteifigkeit längs des Tunnels nicht weiter durch weicheres Elastomer reduziert werden ohne die Dichtigkeit zu gefährden oder gar einen Kontakt zur umgebenden Struktur zu riskieren.

Ermittlung der Übertragungsfunktion zum Nachweis der Wirksamkeit der Maßnahme

Die Wirksamkeit der Isolationsauslegung kann durch Berechnung der Übertragungsfunktionen einfach nachgewiesen werden. Ein Beispiel zeigt Abbildung 4 mit der Darstellung der Koppelkräfte zwischen Innentunnel und Schiff bei vertikaler Kraftanregung an der Antriebswelle. 

Abbildung 4:
Übertragungsfunktion bei vertikaler Anregung

Im Resonanzbereich der 65 Shore-Variante ist die Koppelkraft um bis zu 10 dB größer als bei der 50 Shore-Variante. Im Frequenzbereich leicht oberhalb des Resonanz­bereichs beträgt die Reduktion noch 3-5 dB. Dies zeigt eindrücklich die Bedeutung der Lagerungsauslegung, da sich die Schallemission und die Vibrationsausbreitung im Schiffsrumpf bei sonst gleichen Bedingungen in gleichem Maße reduzieren wie die übertragenden Kräfte.

Ausblick

Das Ergebnis hinsichtlich der vertikalen Anregung zeigt ein Risiko für das Endprodukt auf. Durch die Erstauslegung mit CAE kann dieses Risiko jedoch frühzeitig adressiert und die Auswirkungen im weiteren Projektverlauf minimiert werden. Damit ist die NVH-­Vorauslegung durch CAE ein notwendiger Schritt, um Überraschungen im späteren Verlauf des Projekts zu verhindern.

Als Abhilfemaßnahme ist zum Beispiel die Trennung der Multifunktionalität der Elasto­mereinheit denkbar, um so den Zielkonflikt Abstützsteifigkeit versus Isolationsfähig­keit aufzulösen. Auch kann mit der Ausarbeitung der Anregung durch CAE Lastfälle die Bedeutung der Vertikalisolation relativiert werden. Mit dem Ziel, die Verschraubungsflansche weiter zu versteifen, sind des Weiteren CAE-Strukturoptimierungen denkbar. Auch können durch NVH-CAE hervorragend Sekundärmaßnahmen – wie passive oder aktive Tilgung – entwickelt und optimiert werden, um einen Vibrationseintrag in die Schiffstruktur zu reduzieren.

Der Vorteil der Modellbildung und der Berechnung liegt auf der Hand: Ist ein Modell erst einmal vorhanden, lassen sich damit die Vorauslegung, die Designoptimierung und die Validierung der Zielsetzung durchführen, bevor ein teurer Prototyp gebaut wird.