Een beter begrip krijgen van vermoeiing van (marine)schepen

Het doel van een moderne scheepsbouwer is het bouwen van betere schepen; het voortdurend verbeteren van ontwerpen om schepen te fabriceren die efficiënter, effectiever en duurzamer zijn. Dit is wat de klanten van de scheepsbouwers eisen. Voor een marinebouwer als Damen Naval, met schepen in actieve dienst over de hele wereld, hebben klanten nog specifiekere eisen.

“De laatste jaren zien we dat marineklanten willen dat hun schepen sneller, lichter en dus slanker zijn”, begint Damen Naval Senior Structural Analyst Alejandro Luna García-Valenzuela. Deze trend betekent een verandering ten opzichte van de meer traditionele ontwerpen. “In het algemeen werden marineschepen vroeger ‘over gedimensioneerd’ – dit maakte ze zwaarder en sterker. Tegenwoordig willen opdrachtgevers het beste van het beste. Een lichte constructie betekent dat je meer gewichtruimte overhoudt voor het plaatsen sensors en wapens. En met snelheid kun je elk punt op de planeet zo snel mogelijk bereiken.” Het bouwen van slankere marineschepen is de meest voor de hand liggende manier om snelheid en gewichtsreductie te bereiken, maar deze ontwerpeisen hebben een uitdagend gevolg. “Hoe sneller en lichter een schip is, hoe belangrijker het probleem van metaalmoeheid wordt. De lengte is ook een kritisch aspect: een snel en licht schip van slechts 20 meter lang zal niet veel vermoeiingsproblemen hebben, terwijl een snel en licht schip van 200 meter lang veel vermoeiingsproblemen zal hebben.”

De R&D-activiteiten van Damen Naval zijn gericht op de innovaties die voortkomen uit de veranderende eisen van haar klanten. Dit is waar Alejandro’s vakgebied om de hoek komt kijken; sinds hij in 2019 bij Damen Naval begon, heeft hij zich, naast het werken in de engineeringteams voor verschillende projecten, gespecialiseerd in vermoeiing van scheepsconstructies. Meer specifiek werkt hij “aan nieuwe methodologieën en technologische hulpmiddelen om berekeningen van de vermoeiingslevensduur nauwkeuriger te maken”, zegt hij. Hij verdeelt het complexe onderwerp vermoeiing in twee verschillende aspecten. “Het eerste is de inkomende belasting, die wordt veroorzaakt door de passage door de golven. Het tweede deel is de structurele respons van het schip, hoe het schip vervormt als gevolg van de belasting,” legt Alejandro uit. De effecten van vermoeiing zijn eenduidig. “Materiaalmoeheid kan leiden tot de vorming van scheuren bij lasnaden en rondom grote openingen waar spanningsconcentraties optreden; dit kan de belastbaarheid van de constructie verminderen.”

Het grootste deel van Alejandro’s onderzoek naar vermoeiing begon toen hij tijdens zijn stage bij Damen Naval werkte aan zijn masterscriptie. In nauwe samenwerking met zijn toenmalige supervisor en Damen Naval Principal Structural Analyst Izak Goedbloed, was het doel deze twee aspecten van vermoeiing (de drukverdeling over de romp en de structurele respons) efficiënter te koppelen. “Dit was al eerder gedaan, maar alleen handmatig; we wilden de efficiëntie verbeteren door de vermoeiingsbeoordeling te automatiseren.” Hij bereikte dit door een speciale softwaretool te ontwikkelen – genaamd SEAFALT – om de automatische vermoeiingsberekeningen uit te voeren. Na de presentatie van zijn masterscriptie ging hij verder met het ontwikkelen en verbeteren van de tool tot hij een bruikbare versie had ontwikkeld.

“Met SEAFALT kunnen we niet alleen automatisch de vermoeiingsprestaties van het schip beoordelen, maar ook met grotere nauwkeurigheid.” SEAFALT – wat staat voor Long-Term Spectral Fatigue Analysis – werd getest met een gedetailleerd Eindige Elementen model op ware grootte van een door Damen gebouwd ponton van 85 meter lang, gediscretiseerd met een wolk van meer dan 256.000 structurele knooppunten om gesimuleerde vermoeiingspatronen nauwkeurig te beoordelen.

Alejandro beschrijft de vroege versie van SEAFALT (ontwikkeld in 2019) als “meer een op theorie gebaseerde engineering-aanpak”. In 2023 is het volgens hem echter “de bedoeling om het nu meer bij het engineeringproces te betrekken”. Daartoe kan SEAFALT worden gebruikt om klanten te helpen voorspellen hoe hun schip zich gaat gedragen op het gebied van vermoeiing. “Deze spectrale vermoeiingsanalyse kijkt naar de verschillende voorspelde zeetoestanden waarin het schip gedurende zijn 30-jarige levensduur zal verkeren”, voegt Alejandro toe.

Naast het gebruik van SEAFALT tijdens de ontwerpfase, werkt dit Damen Naval R&D-programma ook aan de toepassing ervan op de operationele fase van een schip. Alejandro: “In plaats van vermoeiing te voorspellen die in de toekomst zal optreden, zullen sensoren aan boord het ‘live’ scenario leveren. Dit wordt het ‘structural hull monitoring’-concept genoemd, waarbij de constructie van het schip wordt geïnstrumenteerd met sensoren die ons een enorme hoeveelheid gegevens over spanning en doorbuigingen oplevert. Wij kunnen deze gegevens en de SEAFALT-methodologie gebruiken om daadwerkelijk de hoeveelheid verbruikte levensduur of schade door materiaalmoeheid te meten.”

Een dergelijke ‘real-time’ structurele beoordeling is een stap in de richting van slim onderhoud. “Dit is voorspellend in plaats van correctief onderhoud, ook wel CBM genoemd, Condition-Based Maintenance,” merkt Alejandro op. “We willen onze klanten kunnen adviseren of hun schip naar het droogdok moet of niet. Een andere mogelijkheid is condition-based operations; wat zijn de gevolgen van de huidige status van de constructie voor de manier waarop ik mijn schip kan bedienen en inzetten? Nationale en internationale marineklanten zijn zeer geïnteresseerd in deze technologie voor hun toekomstige schepen. Bovendien zal dit gevolgen hebben voor zowel commerciële schepen als marineschepen. Daarom bouwen we met dit onderzoek een mooie synergie op met de RD&I activiteiten bij andere bedrijven binnen de Damen Shipyards Group.”