Für Frachttransporte auf Schiffen kommen heutzutage überwiegend
genormte Container zum Einsatz, die auf und unter Deck in mehreren Lagen
übereinander gestapelt verstaut werden.
Zur Sicherung der Ladung gegen Umkippen und Verrutschen auch bei hohem
Seegang benötigt man ein umfangreiches Halterungssystem, das den
durch die permanenten Schiffsbewegungen verursachten sehr hohen Zug-,
Druck- und Scherkräften widersteht.
Zur Erfüllung dieser Aufgabe gibt es eine Vielzahl verschiedenartiger
Komponenten, die nicht selten beim Verladen noch von Hand an den einzelnen
Containern angebracht und wieder gelöst werden, und deshalb möglichst
wenig Gewicht haben sollten.
Darüberhinaus sind diese Bauteile üblicherweise Massenware und
müssen daher durch kostengünstige Produktionsverfahren und aus
preiswertem Material herstellbar sein. Eine solche Liste von Anforderungen
führt dazu, daß entsprechende Komponenten mitunter recht komplexe
Formen besitzen und eine Überprüfung ihrer Haltbarkeit bei vielen
Herstellern nur experimentell an Prototypen erfolgt.
Hierdurch entstehen natürlich hohe Entwicklungskosten, die sich mit
Hilfe von Finite-Elemente Berechnungen deutlich reduzieren lassen, da
Fehlentwicklungen, Schwachstellen und Überproportionierungen der
Bauteile relativ frühzeitig in der Entwicklungsphase erkannt und
vermieden werden können.
Zwar benötigt man zur Endabnahme einer neu gestalteten Komponente
immer ein produziertes Teil, aber die zwischenzeitliche Fertigung von
teuren Versuchsteilen kann weitgehend entfallen.
Als "Twist-Lock" bezeichnet man ein Kuppelstück zur direkten Verbindung der Containern untereinander. Sein Gehäuse (siehe Abbildung 1) ist ein Gußteil, das nach oben und unten mit den sogenannten Schubknaggen jeweils in die genormte Ecke zweier aufeinandergestapelter Container passen und dadurch ein Verrutschen der Container verhindern muß. Das Containergewicht lastet auf der Zwischenplatte dieser Komponente. In das Gehäuse ist drehbar ein geschmiedeter Verriegelungsbolzen, der Konus, eingefügt, der in seiner Verschlußstellung dafür zu sorgen hat, daß der obere Container sich nicht vom unteren abheben kann.
Abbildung 2 zeigt das CAD-Modell eines Gehäuses. Die recht komplexe Form stellt nur einen der möglichen Kompromisse aus Funktionalität, Haltbarkeit und Gewichtsminimierung dar. Beispielhaft sollte numerisch analysiert werden, ob diese Komponente eine ausreichende Stabilität unter Druck- und Scherbelastung aufweist, um zumindest die aus typischen Schiffsbewegungen abgeleiteten Prüflasten unbeschadet zu überstehen.
Für das oben beschriebene Gehäuse zeigt Abbildung 3 das für die Berechnungen verwendete Finite-Elemente Netz. Die Elementlängen sind relativ gleichmäßig im gesamten Bauteil, weil kleine Verrundungen und Phasen, die natürlich unerheblich für die Haltbarkeit sind, vorab aus dem Modell entfernt wurden. Durch Vorgabe von Linien auf der Oberfläche erzwingt man die geradlinigen Elementkanten in der Nähe der Ränder der erwarteten Kontaktflächen.
Zwei Lastfälle wurden untersucht. In Abbildung 4 sind die Kraftrichtungen
und die möglichen Kontaktflächen für eine Drucklast dargestellt,
die durch die Containerecken auf das Gehäuse ausgeübt werden.
Die eingesetzte Prüflast entspricht dabei ein vielfaches eines typischen
Containergewichtes, da es in der Regel gleich mehrere Containerlagen gibt
und das schwankende Schiff zusätzlich für Beschleunigungs- und
Verzögerungskräfte sorgt.
Verglichen mit dem Gehäuse werden die Containerecken als sehr steif
angenommen.
Während es noch relativ einfach ist, die Kompensierung der Drucklasten
in der Konstruktion zu berücksichtigen, bereitet die in Abbildung 5
schematisch dargestellte Scherbelastung deutlich größere Probleme
beim Entwurf einer Komponente.
Die Kräfte werden nun oben und unten auf zwei versetzt liegende
Seitenflächen der Schubknaggen aufgebracht und die zuvor definierten
Kontaktflächen verhindern ein Kippen des Gehäuses.
Da der Innenraum des Gehäuses die Mechanik des drehbaren Konus
aufnehmen muß, hat man eine Struktur mit deutlich variierender
Wandstärke, die sich nur noch numerisch berechnen läßt.
Die Ergebnisse einer elastischen Finite-Elemente Berechnungen sind in den
beiden Abbildungen 6 und 7 für die Druckbelastung bzw. für die
Scherbelastung anhand der Mises Vergleichsspannung dargestellt.
Rot kennzeichnet dabei die Bereiche der höchsten Belastung im Bauteil.
Die Verformungen sind deutlich überzeichnet, um prinzipiell das
Verformungsverhalten erkennen zu können.
Es wird deutlich, daß die Druckbelastung relativ unproblematisch ist,
weil sich genau an den Druckstellen Vollmaterial befindet.
Die ausreichende Haltbarkeit wird durch eine entsprechend große
Auflagefläche erreicht. Kritisch ist die große Belastung aufgrund
der Scherung. Dabei sind die verhältnismäßig geringen
Wandstärken am oberen bzw. unteren Rand der Schubknaggen gar nicht
so entscheidend. Hilfreicher wäre eine Verstärkung im Bereich
des Überganges von der Zwischenplatte zu den Schubknaggen, wo man einen
Kerbeffekt hat, der leicht zur Rißbildung führen kann.
