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Autor Thema: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)  (Gelesen 983 mal)

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Offline Sven L.

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Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« am: 04 Juli 2019, 18:53:49 »
Wie berechnet man das Gewicht eines Entwurfes

In vielen Threads dieses Forums, wo es um die (fiktiven) Entwürfe von Schiffen ging, gab und gibt es immer wieder Reibereien bezüglich der Gewichtsberechnungen im allgemeinen, als auch im Detail. Dass ein Schiffskörper nicht unbedingt schwerer werden muss als bei dem ausgewählten Musterschiff ist für manchen schwer verständlich. Eine zuletzt geführte Diskussion, ob der Schiffskörper aufgrund eines angehobenen Achterdecks nun schwerer sein muss, oder ob die Antriebsmaschine schwerer ist als in dem Entwurf berechnet, hat mich dazu bewogen das Kapitel 3, Entwurf neuer Schiffe, in Kriegsschiffbau, von W. Hadeler, ausführlicher zu studieren und dieses Kapitel und seine Unterabschnitte hier zu präsentieren. Die Fußnoten und die größeren Tabellen habe ich weggelassen.

Einen Zahlenfehler im Abschnitt 3.232 habe ich auch gefunden, der zwar ein falsches Resultat liefert, aber den Sinn nicht verfälscht. Darum habe ich diesen Fehler unverändert übernommen, die Zahl jedoch blau gefärbt.

Es werden mehrere Post's und am Ende gibt es eine Excel-Tabelle, die mit nur sehr wenigen Eingaben entsprechende Ergebnisse liefert.

Und nun geht es los.
« Letzte Änderung: 05 Juli 2019, 18:42:53 von Sven L. »
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Offline Sven L.

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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #1 am: 04 Juli 2019, 18:55:41 »
Zitat von: W. Hadeler, Kriegsschiffbau, Teil A, Seite 306 ff
3.2 Die Entwurfsgleichung

Ob beim Entwurf zunächst nur die Verdrängung des neuen Schiffes ermittelt werden soll, oder ob gleichzeitig die Abmessungen und weitere Unbekannte bestimmt werden, ist für das Grundsätzliche gleichgültig. Die Entwurfsgleichung führt immer in Erfüllung des Archimedischen Gesetzes auf eine Gewichtsgleichung:
Verdrängung = Summe aller Einzelgewichte
Dann = P1 + P2 + P3 + … Pn
Hierin sind P1 bis Pn die Einzelgewichte aller Teile des Schiffes. Sie werden für den Entwurf zunächst zu  G e w i c h t s g r u p p e n   zusammengefaßt.

[Text für Handelsschiffe weggelassen]

Kriegsschiffe sind zwar den Freibord- und Vermessungsvorschriften nicht unterworfen, aber es ist angesichts der zahlreichen Typen selbst einer kleinen Marine und der allgemeinüblichen und selbstverständlichen Geheimhaltung fast aller näheren Angaben schwierig, genug zuverlässige Unterlagen zusammenzubringen, um auf statistischem Wege Beziehungen zwischen den Abmessungen und den Einzelgewichten so zwingend festzustellen, daß sich daraus Berechnungsmethoden ableiten lassen.
Der abschließende Entwurf eines Kriegsschiffs ist der erste Schritt auf dem Wege zu einer materiellen Gestaltung der Voraussetzungen für seinen Kampfwert nach Zusammensetzung, Gewicht und Raum. Während aber das spezifische Gewicht der einzelnen Baugruppen früher so groß war, daß die räumliche Gestaltung, d.h. die Bemessung und Formgebung des Schiffskörpers sowie seine Einteilung immer eine befriedigende Erfüllung der Forderungen für Betriebs- und Wohnräume gestatte, hat der technische Fortschritt heute durch sein planmäßiges Streben nach Gewichtsverminderung auf der einen und durch die ständig wachsenden Raumanforderungen auf der anderen Seite dazu geführt, daß die ursprünglich nachgeordnete räumliche Bemessung immer mehr n e b e n  das Gewichtsproblem getreten ist. Besonders sinnfällig wird dies bei Landungsschiffen und Flugzeugträgern.

3.21 Die allgemeine Bedeutung der Gewichtsgruppen

Die Verdrängung eines Kriegsschiffes kann nicht genau den Faktoren und Funktionen des Kampfwertes entsprechend in Gewichtsgruppen aufgeteilt werden, aber die Aufgliederung des Gesamtgewicht es in wenige durch technische Gesichtspunktes in wenige durch technische Gesichtspunkte bestimmte Gruppen bietet dennoch einen Einblick in die Gewichtsverteilung auf die einzelnen Hauptfaktoren und -funktionen des Kampfwertes.
Da dieser das Schiff qualitativ und quantitativ kennzeichnet, sind die Anteile der Hauptgewichtsgruppen für die Typen charakteristisch. Sie gestatten daher Recht zuverlässige Vergleiche, besonders von Entwürfen, und geben auch eine Übersicht über die Tendenzen, die sich darin ausdrücken. Man muß allerdings bei solchen vergleichenden Gewichtsaufstellungen, die immer in Bruchteilen der Verdrängung angegeben werden, genau wissen, was in den Gruppen zusammengefaßt ist und auf welche Verdrängung sie bezogen sind. Das ist besonders bei ausländischen Angaben zu beachten. Bei der Beurteilung von Vorentwürfen und Einzeluntersuchungen haben diese Gewichtsvergleiche ihre Bedeutung darin, daß sie das Bild des erreichten Kampfwertes viel sinnfälliger widerspiegeln als selbst genau ausgeführte, maßstäbliche Typskizzen.

3.22 Die Entwurfsgruppen-Einteilung

Da jede Entwurfsrechnung im Grunde eine Anwendung der Ähnlichkeitsmechanik ist, d.h., das neu zu entwerfende Schiff wird als Abwandlung eines ausgeführten und in allen Einzelheiten bekannten aufgefaßt, so geht man bei der Aufteilung der Gewichte so vor, daß die darin zusammengefaßten Angaben sowohl für die ersten Entwürfe als auch für alle später durchgeführten verfeinernden Rechnungen möglichst günstig ausgenutzt werden können. Aus dieser Erkenntnis hat die kaiserliche Marine bereits eine allgemein gültige Gruppeneinteilung geschaffen und unter dem Geheimen Oberbaurat Dr.-Ing. E. h. Bürkner weitgehend vervollkommnet. Auf dieser konnten die Reichs- und die Kriegsmarine später weiterbauen. Die Einteilung bildete auch, in zahlreiche Untergruppen aufgegliedert, die Grundlage für die beim Bau zu führenden Wiegebücher und die darauf beruhenden Gewichts- und Schwerpunktskontrollen, für die Kalkulation, für die einfache und unmissverständliche Kennzeichnung aller technischen Einzeluntersuchungen und -rechnungen sowie der Konstruktions- und Werkstattzeichnungen und schließlich auch der Bauvorschriften.
T 3.22a: Gewichtsgruppeneinteilung der Kriegsmarine

Gruppe Nr. Beschreibung
I. Schiffskörper
II. Hilfsmaschinen für den Schiffsbetrieb
III.Panzerung
IV. Maschinenanlage einschl. Hilfsmaschinen
V. Artillerie
VI.Torpedowaffe
VII. Ausrüstung
VIII. Brennstoff
IX.Baureserve
Was diese Gruppen im Einzelnen enthalten, geht hinreichend genau aus ihren Bezeichnungen hervor. Nur die Gruppe IX Bedarf einer kurzen Erläuterung.

Die  B a u r e s e r v e  soll den Mehrgewichtsbedarf decken, der durch ungenaue Schätzungen oder geringfügige Änderungen entsteht. Keinesfalls darf diese Gewichtsgruppe zur Deckung nachträglicher Mehrforderungen militärischer Art herangezogen werden. Sie geht normalerweise während des Baues in den anderen Gruppen auf. Bei großen Schiffen beträgt sie zwischen etwa 0,5 und 1,5, bei kleineren und kleinen bis zu 2,5% der Konstruktionsverdrängung und darüber. Im allgemeinen wird man bei Studienentwürfen für neuartige Typen, für die nur mangelhafte Unterlagen zur Verfügung stehen und die womöglich schwer abschätzbare Gewichte enthalten, einen höheren Prozentsatz verwenden, wobei sich anfangs sogar Werte bis zu 5% und selbst noch mehr vertreten lassen. Nach den Vorentwürfen sollten allerdings normalerweise die genannten kleineren Werte innezuhalten sein.

[Absatz über Bundesmarine fortgelassen]

3.23 Die Verfahren der Entwurfsrechnung

Für eine Entwurfsrechnung gibt es viele Wege. Sie hängen ab von
  • a)
  • der Art der Aufgabenstellung (Vervollkommnung eines vorhandenen Schiffes, von dem alle Unterlagen vorliegen, vielfach als Umbau oder Umkonstruktion bezeichnet, oder eine Neugestaltung in nur loser Anlehnung an Vorbilder oder ohne solche);
  • b(
  • dem Umfang und der Zuverlässigkeit der vorhandenen Unterlagen von den Vorbildern;
  • c)
  • der gewünschten Genauigkeit der Ergebnisse (ob es sich nur um die erste überschlägliche Ermittlung von Größenordnungen als Ausgangsbasis für allgemeine Erörterungen und Vergleiche oder um den verbindlichen Entwurf für den Neubau eines Schiffes handelt).
Für den rein rechnerisch zu bestreitenden Anfang der Entwurfsarbeit kommen drei grundsätzlich zu unterscheidende Verfahren in Frage:
  • die sogenannte >> P r o z e n t – M e t h o d e << , die nur sehr beschränkt verwendbar ist,
  • das V e r f a h r e n   n a c h  K e i t h , ein Differentiationsverfahren,
  • die  E n t w u r f s r e c h n u n g  m i t  E i h e i t s g e w i c h t e n.
Die Verfahren zu 1 und 2 bestimmen zunächst nur die Verdrängung und davon unabhängig anschließend die Abmessungen, während das Verfahren zu 3 beides zusammen bestimmt. Es ist, genau genommen, bereits ein Verfahren, das schon vorliegende erste Ergebnisse verfeinert. Bei Schiffen mit Panzerschutz, dessen Form, Anordnung und Ausdehnung mit dem oder den als Vergleichsgrundlage benutzten Schiffen übereinstimmen, muß das Verfahren zu 3 gegebenenfalls durch Skizzen ergänzt werden. Diese brauchen nicht maßstäblich zu sein, sollen aber die richtigen Proportionen zeigen. In einem solchen Falle kommt es von Anfang an zu einem kombinierten Rechen-Zeichen-Entwurfsverfahren.
Sobald die ersten Entwurfsrechnungen zu Ergebnissen führen, die als Grundlage für weitere Arbeiten dienen können, muß eine Skizze in kleinem Maßstab angefertigt werden, um danach die Stabilität mit Annäherungsformeln zu überprüfen, die Raumverhältnisse abzuschätzen, und um Fehlentwicklungen zu vermeiden. Die weitere Arbeit führt dann über Skizzen und Rechnungen zu einer schrittweisen Verfeinerung der Gewichts- und Stabilitätsrechnungen sowie der Unterlagen über die verfügbaren Räume.
Bei dieser Arbeit wird solange abgewandelt, verglichen und verbessert, bis das Ergebnis technisch und militärisch und in seinen vielfältigen konstruktiv bedingten Kompromissen und Anpassungen die am wenigsten unzweckmäßig erscheinenden Einzellösungen zu einem harmonischen Ganzen zusammenfaßt.
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Sven


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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #2 am: 04 Juli 2019, 18:56:32 »
Zitat von: W. Hadeler, Kriegsschiffbau, Teil A, Seite 313 ff
3.231 Die Prozent-Methode
Beim Entwurf von Kriegsschiffen liegt es nahe, von der prozentualen Gewichtsverteilung auszugehen, wenn man unterstellen darf, daß diese beim neuen Schiff mit der des Vergleichschiffes weitgehend übereinstimmt. Dabei beschränkt man sich aber von vorneherein auf geringfügige Abweichungen des neuen vom Musterschiff, was nur bei zeitlich dicht aufeinander folgenden Bauten des gleichen Typs oder – darauf läuft es in der Praxis fast immer hinaus – der gleichen Klasse gegeben ist. Der technische Fortschritt muß ja immer zu einer Verschiebung der Verhältniszahlen führen. Daher liegt der Wert der Angaben in den Zahlentafeln T 3.21 a u. b [hier fortgelassen] auch vornehmlich in der Möglichkeit von Vergleichen der Größenordnung und daneben darin, aus der Folge die Entwicklung und ihre Richtungen abzulesen.
Als Beispiel für eine solche erste grobe Überschlagsrechnung wird nachstehend untersucht, wie sich die Verdrängung eines Zerstörers ändert, wenn die Bewaffnung durch den Einbau einiger Fla- Maschinenwaffen und eine Erhöhung der mitzuführenden Munitionsmenge um etwa 6% schwerer wird. Im übrigen soll das Schiff unverändert bleiben.
MusterschiffNeuesSchiff
GewichtsgruppeGewichtGeänderteNeue
% D Gruppen% DGewichte
ttt
I. SchiffskörperS97343,8--1.031
II. PanzerP-----
III. AntriebsanlageM I73733,3--784
IV. Schiffsbetriebsanl.M II
V. WaffenanlageW22710,224010,2240
VI. AusrüstungA743,3--78
VII. BrennstoffI/data]B1757,9--185
VIII. SpeisewasserSp251,1--26
IX. ReserveR100,5--12
2.221100,024010,22.355
Daraus ergibt sich die Entwurfsgleichung
      D = 240 + 0,898 D
und D = 2.355 t
Da an sich geringfügige Erhöhung des Gewichts für die Bewaffnung um 13 t steigert also die Verdrängung um 134 t, d.i. mehr als das Zehnfache!
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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #3 am: 04 Juli 2019, 18:57:38 »
Zitat von: W. Hadeler, Kriegsschiffbau, Teil A, Seite 314 ff
3.232 Die Berechnung der Verdrängung nach Keith
Die an sich selbstverständliche Tatsache, daß jede Änderung einer Gewichtsgruppe sich auf alle anderen auswirken muß, ist von  K e i t h  zur Grundlage eines Berechnungsverfahrens gemacht worden, das wie alle übrigen auf der Ähnlichkeitsmechanik beruht, wobei es sich auf genaue Gewichtsangaben von gebauten und verwogenen Schiffen stützt. Dabei darf der Begriff >>Ähnlichkeit<< recht großzügig ausgelegt werden.
In der Keith-Gleichung steht wie bei allen anderen Entwurfsverfahren der Wert der Verdrängung auf der einen, die Summe der Einzelgewichte auf der anderen Seite. Diese gliedern sich wie bei allen anderen Verfahren in >>abhängige<< Gewichte, die eine Funktion der Verdrängung sind, und >>feste<< Gewichte, die durch die Forderungen der Aufgabe als absolute Werte in  t  gegeben sind. Die Abhängigkeit wird als Funktion in der Weise berücksichtigt, daß man mittlere Beziehungen zwischen der betreffenden Gruppe und der Verdrängung als gegeben annimmt. Wie weit eine solche Annahme zulässig ist, hängt von dem Maße der Ähnlichkeit zwischen Vorlage und Entwurf ab.
Im folgenden werden nur sechs Gewichtsgruppen benutzt, d.h. die Einzelgewichte sind abweichend von den weiter oben angeführten Gruppen-Einteilungen zusammengefaßt.
g1 = Schiffskörpergewicht S I-IV einschließlich des tragenden Panzers, der Schiffsgeräte, Verbrauchsstoffe, Besatzung mit effekten, Proviant und Frischwasser
g2 = Panzer ohne Artillerie-Panzer
g3 = Hauptmaschinenanlage mit Geräten
g4 = Brennstoffe, Schmieröl und Kesselspeisewasser
g5 = Schiffsbetriebsanlagen mit Geräten
g6 = Waffen mit Geräten und Munition
Das Schiffsgewicht umfaßt nach Keith bei Vergleichsschiff und Neuentwurf den gleichen prozentualen Anteil am Gesamtgewicht. Diese Annahme ist bei einer Annäherungsrechnung zulässig, weil dabei die Unterschiede vernachlässigt werden dürfen.
Das Maschinengewicht baut sich auf der – im vorliegenden Zusammenhang durchaus anwendbaren – Admiralitätsformel auf. Es wird also als Funktion von v 3 und D2/3 dargestellt, wobei v die Dauerhöschstgeschwindigkeit ist.
Das Brennstoffgewicht wird sinngemäß ebenso aus der Admiralitätsformel abgeleitet, wobei jedoch die Marschgeschwindigkeit zusammen mit der Fahrstrecke maßgebend ist.
Das Gewicht der Schiffsbetriebsanlagen muß heute sehr vorsichtig geschätzt werden, weil es in neuester Zeit sehr stark zugenommen hat.
Das Gewicht des Panzers varriiert etwa mit D2/3.
Das Gewicht der waffen ist von der Verdrängung unabhängig. Es ist in der Regel durch die Aufgabe in konkreter Zahl für Waffen und Munition gegeben. Normal wird es gesondert berechnet. Es sind aber Aufgaben vorstellbar, bei denen für die Bewaffnung Alternativen gestellt werden.
Die praktische Rechnung erfordert die nachstehenden Formeln:
  • g = gp * A * rn           (I)
  • r – r2/3 * B –C = 0     (II)
  • r = (1 – 2/3 * B)
          (1/3 * B + C)        (III)
Hierin bedeuten
gdas Gruppengewicht des Neuentwurfs,
gpdas Gruppengewicht des Vergleichsschiffes,
Adie Änderung von gp bei konstanter Verdrängung
rnden Verdrängungsänderungsfaktor
B und C sind Faktoren, die sich aus der schrittweisen Vereinfachung der ursprünglichen Gleichung 3. Grades ergeben. Der Zahlenwert ist in jedem Falle durch die Aufgabe gegeben. r wird mittels der Gleichungen (II) und (III) bestimmt. Als Rechenkontrolle muß der gefundene Wert die Gleichung (II) erfüllen, d.h. ihre linke Seite zu Null werden lassen. Das wird meistens infolge der Näherungslösung nicht genau zutreffen, so daß entschieden werden muß, ob die im allgemeinen geringe Abweichung für das Ergebnis ohne Bedeutung bleibt und in Kauf genommen werden kann.
Aus einer näheren Untersuchung der Gleichung (I) leitet sich der sogenannte >>R-Faktor<<, französisch >>coefficient de majoration du déplacement<<, ab. Er enthält die Zusammenhänge zwischen der Änderung der einzelnen Gruppengewichte und ihre Summe, der ganzen Verdrängung, und lautet:
  •                                     Dp                         
        R = -----------------------------------------------------
              Dp – [g1p + 2/3 * (g2p + g3p + g4p + g5p)]
Bezeichnet nun d(Dp) den Unterschied zwischen der Verdrängung des Vergleichsschiffes und des Neuentwurfes, so ist für diesen
     D = Dp + d (Dp)   und
  (Dp) = R * ∑ d (g)
Hierin stellen d (g) die Gewichtsunterschiede der Gruppen des Neuentwurfes gegenüber denen des Vergleichsschiffes dar.
Der R-Faktor ist wegen der in seiner mathematischen Entwicklung vorgenommenen Vereinfachungen etwas ungenau, so daß die damit errechnete Verdrängung nicht genau mit der aus den Gruppengewichten ermittelten übereinstimmt. Er soll auch nur einen ersten schnellen Überblick über die zu erwartende neue Verdrängung geben.
Über den Rechnungsgang von Entwurfsrechnungen auf dem Wege der Verdrängungsbestimmung aus den Einzelgewichten und mittels des R-faktors ist zu sagen, daß die eine Methode die andere nicht ausschließt. Kommt es darauf an, die wahrscheinliche Verdrängung, die Hauptabmessungen und vor allen Dingen die voraussichtliche Maschinenleistung annähernd zu ermitteln, so reicht die R-Methode vollkommen aus.

Beispiel für die Berechnung der Verdrängung nach Keith.

A u f g a b e :
Es ist ein Zerstörer zu entwerfen, der gegenüber dem Zerstörer 36 C folgende Abweichungen aufweist:
Bewaffnung:       Vier 12 cm See- und Luftzielgeschütze in zwei Zwillingslafetten, voll automatisiert,
acht automatische 4 cm-Fla-Mk in Zwillingslafetten,
vier U-Jagd-Torpedorohre mit je zwei Reservetorpedos, zwei Bofors-Werfer,
ein Zwillingsstarter für Flugkörper mit Fernlenkung auf dem Achterschiff,
für alle Waffen elektronische Leit- und Richtmittel sowie reichlich Munition
Das Gesamtgewicht der Bewaffnung beträgt laut besonderer, hier nicht aufgeführter Rechnung, 425 t.
Geschwindigkeit:Dauerhöchstgeschwindigkeit, 36 kn
Marschgeschwindigkeit       20 kn
Antrieb:Dieselantrieb für Geschwindigkeiten bis etwa 24 kn, für höhere Geschwindigkeiten Gasturbinen als Zusatzantrieb, Verstellpropeller. Einheitsgewicht 14 kg/WPS bezogen auf die Gesamtleistung
Fahrstrecke:4.000 sm bei 20 kn, dabei Brennstoffverbrauch 250 kg/WPS h. Der Schiffskörper ist nach Einheitsgewicht etwa ebenso schwer wie beim Zerstörer 36 C.
Sonstiges:Das Gewicht der Schiffsbetriebsanlage beträgt das 2,3-fache wie beim Zerstörer 36 C, da der Strombedarf sehr viel größer ist.
Die Unterlagen für das Vergleichsschiff sind in T 3.232b [hier nicht wiedergegeben], Spalte 8, enthalten.

L ö s u n g :
Ermittlung der Gruppengewichte nach Gleichung (I)
Gruppe
gp
A
rn
gp  * A * rn
Schiffsgewicht
1.232
1
r
1.232
r      = g1p
Antriebsanlage
986
14/16,5*)
r2/3
838
r2/3 = g3p
Brennstoff usw.
924
4.000/2.250(250/450)**)
r2/3
913
r2/3 = g4p
Schiffsbetriebsanlage
169
2,3
r2/3
389
r2/3 = g5p
Bewaffnung
349
(+76)
1
425
       = g6p
3.660
*) Verhältnis der Einheitsgewichte der Antriebsanlage.
**) Verhältnis der Fahrstrecken und der spezifischen Brennstoffverbräuche

a) Berechnung der Verdrängung nach der R-Methode
Dp
3.660
R = ---------------------------------------------------------- =
-------------------------------------------
Dp – [g1p + 2/3 * (g2p + g3p + g4p + g5p)]
3.660 – (1.232 + 2/3 * 2.079)

3.660
R =
----------
= 3,51
1.042
Damit wird
d (g1p) = -
1.232 +
1.232 =
0 t
d (g3p) = -
986 +
838 =
- 148 t
d (g4p) = -
924 +
913 =
- 11 t
d (g5p) = -
169 +
389 =
+ 220 t
d (g6p) = -
369 +
425 =
+ 76 t
---------------
∑ d (g) =
+ 137 t
Der Verdrängungszuwachs beträgt also
d (D) = R * ∑ d (g) = 3,51 * 137 = 480 t

Damit beträgt die Verdrängung des neuen Schiffes
3.660 + 480 = 4.140 t

Die Berechnung nach Einzelgewichten liefert

3.660 r – 1.232 r + 2.140 r2/3 + 425
2.428 r – 2.140 r2/3 – 240 = 0
          r – 0,881 r2/3 – 0,1747 = 0
          r = 1/3 *0,881 + 0,1747
                  1 – 2/3 * 0,881
            = 0,294 + 0,1747
                 1 – 0,5873
            = 0,469
               0,412
          r = 1,14 und r2/3 = 1,09

Damit ergeben sich die Gewichtsgruppen
d (g1p) =
1.232 * 1,14 = 
1.404 t
d (g3p) =
838 * 1,09 =
913 t
d (g4p) =
913 *1,09 =
995 t
d (g5p) =
423 *1,09 =
460 t
d (g6p) =
425 t
---------------
Einsatzverdrängung =
4.198 t

Die Differenz beider Ergebnisse ist angesichts der nur begrenzten Genauigkeit der Rechnung mit
                    4.198 – 4.140 = 58 t = ~1,38%
Vertretbar.
Die Probe durch das Einsetzen von r und r2/3 in die Gleichung
                  r – B * r2/3 – C
ergibt
                  1,14 – 0,96 – 0,1747 = 0,0053.
Dieser Wert ist so wenig von Null verschieden, daß das Ergebnis als ausreichend angesehen werden darf.
Berechnet man jetzt nach 3.2331 die Abmessung, so erhält man erste Möglichkeiten, die Berechnung der Einzelgewichte zu verfeinern. Die Hilfsmittel dazu sind im Abschnitt 3.24 zusammengestellt, die man, so weit wie möglich, nach neusten Schiffen ergänzen und berichtigen muß.
Die Konstruktionsverdrängung beträgt
                    D = DE – ½ (Brennstoff + Speisewasser + Schmieröl)
                     = 4.198 – ½ * 995 = 4.198 – 498 = 3.700 t
Diese Verdrängung ist der Berechnung der Abmessungen zugrunde zu legen, wobei gleichzeitig anhand erster Skizzen und anderer Unterlagen die Stabilität zu überprüfen ist.

Fortsetzung folgt.
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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #4 am: 05 Juli 2019, 11:16:32 »
Hier die erste Fortsetzung

Zitat von: W. Hadeler, Kriegsschiffbau, Teil A, Seite 321 ff
3.233 Die Berechnung der Abmessungen
Um aus der Verdrängung, einem Gewicht, das für den Entwurf maßgebende Volumen zu bestimmen, müssen bekannt sein:
  • Das spezifische Gewicht des Seewassers (siehe 1.1; die deutsche Marine rechnet mit ƴ = 1,015 t/m³).
  • Der voraussichtliche Anteil der >>Anhänge<< am Volumen.
Unter dem Begriff >>Anhänge<< versteht man alles, was aus der durch den Linienriß gegebenen Begrenzungsfläche des lebenden Werkes heraus- oder in sie hineinragt. Als herausragende Teile sind zu nennen: Außenhaut, Wellen mit Wellenhosen und –Böcken, Dockkiele, Balkenkiel, Propeller, Ruder, Sonardom u.a.m. Hineinragende Teile sind: Die Anschlußstutzen für aus See saugende Pumpen, Flutanschlüsse, die Eintrittsöffnungen für das Kühlwasser den Kondensatoren oder Motoren, die Mündungen etwaiger Unterwasserausstoßrohre von Torpedos u.a.m. Beide Gruppen heben einander teilweise auf, doch bleibt stets ein positiver Rest, der, in der Größenordnung von 0,5 bis etwa 2% des Volumens liegend, unbedingt beachtet werden muß. Heute sind die Zahlen angesichts der sehr groß gewordenen Sonardome wahrscheinlich noch höher, T3.233.
T 3.233: Prozentsatz der Anhänge, bezogen auf das Volumen der Konstruktionsverdrängung
Schiffstyp%-Satz
Großkampfschiffe1,0
Schwere Kreuzer1,4
Kleine Kreuzer1,5
Zerstörer (bis etwa 1.900 ts)0,7 bis 1,3
Zerstörer (über 2.000 ts)1,4
Torpedoboote1,3 bis 1,6
Geleitboote1,3 bis 1,6
Minenräumer (Hochsee-Mann)0,8 bis 1,0
Tender1,0
Bemerkung: Bei allen für die U-Jagd bestimmten Schiffen sind die Werte höher

3.2331 Die Festlegung der Abmessungen und ihre Bedeutung für den Entwurf

Nachdem die Entwurfsrechnung des neu zu schaffenden Schiffes die Verdrängung hinreichend genau ermittelt hat, muß dieses Gewicht nach Form und Raum zweckmäßig gestaltet werden. Dabei sind die Verhältnisse der Hauptabmessungen zueinander, die Völligkeitsgrade und ihre Verhältniswerte entscheidend wichtig. Das Ergebnis der Wahl und der Berechnung von Abmessungen und Völligkeitsgraden soll vier grundsätzliche Bedingungen erfüllen.
  • Die durch die Abmessungen und die Völligkeitsgrade festgelegte Form muß dem Gesetz des Archimedes entsprechen.
  • Die durch die Abmessungen und Völligkeitsgrade als tragendes Volumen gegebene Raum muß zusammen mit einem zweckmäßig gestalteten Überwasserschiff alle zum Schiffsbetrieb gehörigen und für den materiellen Kampfwert notwendigen Einrichtungen aufnehmen.
  • Die gewählte Form muß den Anforderungen der Stabilität, der Geschwindigkeit, der Seefähigkeit usw. sowie der Festigkeit optimal entsprechen.
  • Das Schiff soll ein möglichst kleines Ziel bieten.
Diese Forderungen widersprechen einander zum Teil. Das bei der Ermittlung der Abmessungen zu schließende Kompromiß muß daher in seinem Für und Wider sorgfältig abgewogen werden.
Der einfachste Weg, um brauchbare Werte zu erhalten, ist die Anlehnung an ähnliche Schiffe, die sich bewährt haben, insbesondere an das bei der Berechnung gegebenenfalls zugrunde gelegte Vergleichsschiff. Dabei kann unter der Voraussetzung ausreichender Ähnlichkeit das Ähnlichkeitsverhältnis
λ = 3√(DVergleichsschiff / DEntwurf)
gute Dienste leisten. Vorsicht ist aber schon am Platze, wenn der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Vergleichsschiff und Entwurf einen Knoten übersteigt.
Auch die Entwicklung der Stabilitätsverhältnisse zwingt zur Vorsicht. Zwar gehört die laufende Stabilitätskontrolle zu den Selbstverständlichkeiten des Entwurfs, es ist aber gut, von Anfang an auf günstige Ausgangswerte zu achten. Angesichts der durch das Streben nach leichterer Bauweise erzielten Gewichtsersparnisse bei den großen, zur Hauptsache tiefliegenden Gewichtsgruppen (Schiffskörper und Antriebsanlage) und der Neigung zu hohen (wenn auch relativ leicht gebauten) Aufbauten rückt der Gewichtsschwerpunkt nach oben. Man muß also durch eine nicht zu knapp bemessene Breite das Metazentrum hoch genug legen. Unter diesen Umständen wird das früher und bisher für schnelle Einheiten übliche Verhältnis Länge zu Breite L/B = 10 (als Größenordnung) heute wohl öfter unterschritten werden müssen. Auch die kleineren Werte für langsamere Schiffe müssen sinngemäß herabgesetzt werden. Das dürfte auch zulässig sein, zumal die Höchstgeschwindigkeiten ohnehin nicht allzu oft und lange gefahren werden, so daß ein geringfügiger Mehrbedarf an Leistung vertretbar ist.
Die gewählten oder errechneten Abmessungen sind zusammen mit den Völligkeitsgraden genau auf ihre Wirkung auf die Gewichte, die Widerstände und die Stabilität zu untersuchen, weil u.U. durch kleine Abänderungen noch Vorteile zu erreichen sind, besonders bei systematischem Vorgehen. Im einzelnen ist hierzu zu sagen:

Einfluß der Länge L:
Bei gleichbleibender Verdrängung D ändern die Gewichtsgruppen g1 und g2 mit der Länge, g5 mit der Quadratwurzel aus der Länge und g3 und g5 mit den spezifischen Gesamtwiderständen (d.h. mit Gesamtwiderstand/Verdrängung) für Höchst- und Marschfahrt, die sich ihrerseits etwa mit L/3√D verändern.

Einfluß der Breite B:
Eine Vergrößerung der Breite B vergrößert die metazentrische Höhe, da B in der dritten Potenz in die Rechnung eingeht. Im Schiffskörpergewicht bleibt der tragende Längsverband bei einer Vergrößerung von B unbeeinflußt, während Decks und Schotte entsprechend schwerer werden. Im Panzergewicht wachsen die Gewichte für Panzerdecks und Panzerquerschotte mit der Breite.

[Rest bzgl. Widerstandsbeeinflussung weggelassen]

Einfluß von Seitenhöhe und Freibord:
Eine Vergrößerung der Seitenhöhe H erlaubt bei gleichbleibender Biegebeanspruchung eine Verringerung der Abmessungen für die Längsverbände. Sie braucht also keine Gewichtsvermehrung zu bedeuten. Das Panzergewicht kann dann beeinflußt werden, wenn der Seitenschutz infolge der Vergrößerung der Höhe erhöht werden muß. Die bei einer Vergrößerung der Höhe zu erwartende Verschiebung größerer Gewichte (Bewaffnung, Decksausrüstung, Aufbauten) nach oben bedingt normalerweise eine Verkleinerung der metazentrischen Höhe. Zu beachten ist bei der Festsetzung der Seitenhöhe, daß die Deckshöhe auch bei kleinen Schiffen bestimmte Werte, die je nach Art und Größe des Schiffes zwischen etwa 2,1 m bei kleinen, einfachen und 2,2 bis 2,4 m bei großen Einheiten liegen, nicht unterschreiten sollte.
Die Vergrößerung des Freibords vergrößert den Umfang der Stabilität, weil dann Seite Deck später zu Wasserkommt. Bei Schiffen gleicher Verdrängung sollte der Freibord vorn mit dem Quadrat der Geschwindigkeit variieren, da sich die Höhe der Bugwelle in gleichem Sinne ändert.
[Rest des Abschnitts weggelassen]

3.2332 Die Völligkeitsgrade und der Schlankheitsgrad

[Hier weggelassen]

3.234 Unterlagen zur Nachprüfung der Einzelgewichte

[Hier weggelassen]


Weitere Fortsetzungen folgen
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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #5 am: 05 Juli 2019, 18:42:21 »
Hier die dritte Variante die einen Entwurf auf der Basis eines Vergleichsschiffes berechnet.

Zitat von: W. Hadeler, Kriegsschiffbau, Teil A, Seite 340 ff
3.235 Die Entwurfsrechnung mit Einheitsgewichten

Die Entwurfsrechnung nach Keith beschränkt sich auf die Ermittlung der Verdrängung des neuen Schiffes. Dabei können die Einzelgewichte erfaßt werden, ohne daß man die Abmessungen unbedingt vorher errechnet haben muß. Unter günstigen Bedingungen, wenn auf Grund vorhergegangener Studien schon eine einigermaßen klare Vorstellung von dem gegeben ist, was man haben will, sind jedoch auch Entwurfsverfahren möglich, mit denen die Verdrängung und die Abmessungen gleichzeitig, d.h. aus einer Gleichung bestimmt werden. Sie beruhen auf der Verwendung von Einheitsgewichten für die einzelnen Gewichtsgruppen, die nach ähnlichen Schiffen berechnet werden. Selbstverständlich ist auch hier die Voraussetzung, daß genaue Unterlagen über Form und die Gewichtsverteilung geeigneter Vergleichsschiffe vorhanden sind. Allerdings darf man bei diesen Rechnungen mit der >>Ähnlichkeit<< noch großzügiger verfahren als bei Keith.
   Unter Einheitsgewichten versteht man Gewichtsangaben, die sich Raum-, Flächen- oder sonstige Einheiten beziehen, die für die betreffende Gewichtsgruppe oder Gewichts-Untergruppe charakteristisch sind. Diese Methode hat den Vorzug, daß sie einerseits mit entsprechend umfassenden Einheitsgewichten ebenso für die erste Ermittlung der Verdrängung aus den Hauptgruppen geeignet ist wie andererseits mit detaillierenden Werten für die Überprüfung und Verfeinerung des Ergebnisses. Dabei geben die Gruppen und Untergruppen der Bauanweisung ohne weiteres ein zuverlässiges Rechenschema ab.
Unter Voraussetzung der heutigen*) Gruppeneinteilung bieten sich für den eigentlichen Entwurf zunächst folgende Einheitswerte an:
*) !ACHTUNG! Diese Einteilung gilt für die Bundesmarine. Kaiserliche-, Reichs- und Kriegsmarine hatten eine etwas andere.
Für die Hauptgruppe 1, Schiff mit Ausrüstung und Einrichtung
                             S = L * B * H * a
Hierin ist a das Einheitsgewicht bezogen auf den m3 L * B * H
Für die Antriebsanlage gilt
                             M I = N * b
Darin ist N die Konstruktionsleistung ohne Überlast und b das Einheitsgewicht je WPS. Die Leistung darf hierfür zunächst mittels der Admiralitätsformel geschätzt werden.
Für die Hauptgruppe 3, Elektrische Anlagen ist anzusetzen
                              E = M * c
Hierin ist M die Primärleistung in kW bzw. kVA und c deren Einheitsgewicht je kW bzw. kVA. Die Leistung muß zunächst an Hand einer überschläglichen E-Bilanz der bekannten Verbraucher  nach ähnlichen Schiffen geschätzt werden, läßt sich aber mit fortschreitender Entwurfsarbeit bald genauer ermitteln.
Die Hauptgruppe 4, Schiffsbetriebsanlagen, wird zu Anfang am besten als Prozentsatz der Hauptgruppe 1 oder der Verdrängung eingesetzt, zumal sie weitgehend mit dieser veränderlich ist.
Die Hauptgruppen 5 bis 8 bestehen zum überwiegenden Teil aus Gewichten, die von der Verdrängung mehr der weniger unabhängig sind, weil sie in der Aufgabe in konkreten Zahlen gefordert werden. Diese >>festen<< Gewichte lassen sich an Hand der bekannten Stückgewichte der Waffen, der Geräte, der Munition usw. errechnen. Zu dieser Summe tritt noch ein Zuschlag für Kabel und Leitungen, der sich nach ähnlichen Anlagen auf Vergleichsschiffen abschätzen läßt.
Die Hauptgruppe 9 wird bei den ersten Entwurfsrechnungen praktischer Weise auf die zugehörigen Hauptgruppen aufgeteilt.
Die in der Gruppeneinteilung fehlenden Gewichte für Brennstoff, Speisewasser und Schmieröl müssen ebenso errechnet werden wie bei Keith.
Das Entwurfsverfahren nach Einheitsgewichten stellt aber insofern besondere Anforderungen, als es unabdingbar verlangt,  vor Beginn der Rechnungen die Verhältniswerte für die  Abmessungen (L/B, B/T, L/H) und die Völligkeitsgrade festzulegen. Jede Änderung auch nur eines dieser Werte, um etwa durch eine geringe Verbreiterung die Stabilität zu verbessern, hat eine neue Rechnung zur Folge. Dafür ist aber bei ausführlichen Unterlagen die Genauigkeit des Ergbnisses von vorneherein bemerkenswert gut.
Als Beispiel wird die gleiche Aufgabe benutzt wie für das Keith-Verfahren; da aber Gewichtslisten geeigneter Vergleichsschiffe nach der dezimalen Gruppeneinteilung noch nicht verfügbar sind, wird die Aufgabe unter Benutzung der früheren Einteilung gerechnet.

L ö s u  n g :
Die Konstruktionsverdrängung ist gleich der Summe der einzelnen Gewichtsgruppen.
D =
    Schiffskörper
S
(I)
+ Antriebsanlage
M I
(II)
+ Schiffsbetriebsanlage
M II
(III)
+ Brennstoff
Br
(IV)
+ Bewaffnung
W
(V)
+ Frischwasser
F
(VI)
+ Speisewasser
Sp
(VII)
+ Ausrüstung*)
A
(VIII)
+ Reserve
R
(IX)
*) Einschl. Besatzung, Effekten, Proviant

Die Verhältniswerte werden wie folgt gewählt:
L/B = 9,95. Der Wert ist etwas kleiner als gewöhnlich, um den Anforderungen der Stabilität zu genügen, da viele Topgewichte zu erwarten sind. Gewisse Nachteile für die Höchstgeschwindigkeit werden dabei in Kauf genommen.

T/B = 0,321     L/H = 18,0     δ = 0,51

Für die Anhänge wird ein Zuschlag von 1,1% gerechnet. Das spezifische Gewicht des Seewassers beträgt 1,015 t/m³. Damit wird die Verdrängung
     D = L * B * T * δ * ƴ * 1,011
         = 9,95 B * B * 0,321 B * 0,51 * 1,015 * 1,011
     D = 1,6716 B3

Der Schiffskörper wiegt
     S = L * B * H * a, worin a = 0,105 t/m3
     S = 9,95 B * B * 9,95 B * 0,105 = 0,5775 B3
                    18,0

Die Antriebsleistung wiegt
     M I = Leistung * Leistungsgewicht

Die Leistung wird nach der Admiralitätsformel, wobei nach dem Vergleichsschiff Z 36 C der Koeffizient im Nenner zu 155 angenommen wird.
     Leistung = D2/3 * v3
                             C

     D2/3 = (1,6716 B3)2/3 = 1,408 b2
     v3 = 363 = 46.656

     Leistung = 1,408 * 46.656 * B2 = 423,78 B2
                                155

     M I = 423,78 * 0,014 * B2 für ein Einheitsgewicht von 14 kg/PS
     M I = 5,933 * B2

Das Gewicht der Schiffsbetriebsanlage wird geschätzt auf 0,125 D
     M II = 0,125 * 1,6716 B3 = 0,299 B3

Der Brennstoff wird berechnet aus der Fahrstrecke (4.000 sm), der Marschgeschwindigkeit ( 20 kn) und dem spezifischen Brennstoffverbrauch für alle Zwecke bei Marschfahrt (250 g/PS h). Die Marschleistung wird nach der Admiralitätsformel geschätzt, wobei der Quotient C nach geeigneten Vergleichsschiffen gewählt wird.

     Marschleistung PSmarsch = D2/3 * v3 = 1,408 B2 * 8.000
                                                      C                      260
                                                               = 43,323 B2
     D2/3 = 1,408 B2      v3 = 203 = 8.000       C = 260

     Fahrzeit = Fahrstrecke = 4.000 = 200 Stunden
                   Vmarsch           20

Damit ergibt sich die Gesamtmenge des mitzuführenden Brennstoffes zu

     2 Br = 43,323 B2 * 200 * 0,00025 = 2,166 B2

Dazu kommen 10% Schmieröl und 5% Restöl.
In die Konstruktionsverdrängung einzurechnen ist die Hälfte

     Br = 2,166 * 1,15 B2 = 1,25 B2
                        2

Die Bewaffnung wiegt nach besonderer, hier nicht aufgeführter Rechnung
     W = 425 t

Der Frischwasservorrat wird für eine Woche vorgesehen und beträgt je Kopf 279 l. Die Kopfstärke der Besatzung wird hier nach vergleichbaren Schiffen auf 11 Mann je 100 t Konstruktionsverdrängung geschätzt.

     Kopfstärke der Besatzung = 11 * 1,6716 * B3 = 0,1839 B3
                                                              100

Der Frischwasservorrat beträgt also
     Fr = 0,1839 * 0,279 B3 = 0,0513 B3

Speisewasser wird nur für den Hilfskessel benötigt. Die Menge wird auf 8 t geschätzt, von denen die Hälfte zur Konstruktionsverdrängung rechnet
     Sp= 4 t

Das Ausrüstungsgewicht wird für den ersten Entwurf nach vergleichbaren Schiffen auf 4,3% D geschätzt.
     A = 0,043 * 1,6716 B3 = 0,0719 B3

Als Reserve werden 2% D eingesetzt
     R = 0,0334 B3

Die Verdrängungsgleichung lautet also (in Tabellenform aufgestellt):
T 3.134: Verdrängungsgleichung
-
Gewichtsgruppe
B3
B2
t
I
0,5775
-
-
II
-
5,933
-
III
0,2090
-
-
IV
-
1,245
-
V
-
-
425
VI
0,0513
-
-
VII
-
-
4
VIII
0,0719
-
-
IX
0,0334
-
-
1,6716 B3 =
0,9431 B3
+ 7,228 B2
+ 429
0,74285 B3 - 7,228 B2 - 429 = 0

Die Auflösung der Gleichung (durch Probieren) ergibt
     B = 13,3 m

Eingesetzt liefert dieser Wert
     1.706 - 1.286 - 429 = -9

Angesichts der in den einzelnen Gliedern enthaltenen Ungenauigkeiten und Unsicherheiten, darf dieser Wert für weitere Rechnungen benutzt werden, in denen zunächst die einzelnen Gewichtsgruppen und die Abmessungen bestimmt werden.

Die Gewichtsgruppen betragen:
I
Gewicht des Schiffskörpers
S =
0,5775 B3 =
1.360 t
II
Gewicht der Antriebsanlage
M I =
5,933 B2 =
1.056 t
III
Gewicht der Schiffsbetriebsanlage
M II =
0,209 B3 =
492 t
IV
Gewicht des Brennstoffes
Br =
1,205 B2 =
221 t
V
Gewicht der Bewaffnung
W   
=
425 t
VI
Gewicht des Frischwassers
Fr =
0,0513 B3 =
121 t
VII
Gewicht des Speisewassers
Sp   
=
4 t
VIII
Gewicht der Ausrüstung
A =
0,0719 B3 =
169 t
IX
Reserve
R =
0,0334 B3 =
78 t
Konstruktionsverdrängung
3.926 t

Die Abmessungen betragen:
     L = 9,95 B   = 132,5 m
     B                 =   13,3 m
     T = 0,321 B =   4,27 m
     H = 132,5/18 = 7,36 m

Daraus ergibt sich eine Verdrängung von
     D = L * B * T * δ * ƴ * 1,011
         = 132,5 * 13,3 * 4,27 * 0,51 * 1,015 * 1,011 = 3.933 t

Die Differenz von 7 t gegenüber der aus den Hauptgewichtsgruppen berechneten Verdrängung ist die Folge der unvermeidlichen Ungenauigkeiten der Rechnung:sie ist mit 0,18% ohne Bedeutung.

Die Einsatzverdrängung beträgt nach der vorstehenden Rechnung
     DE = D + 2(Br + Sp) = 3.933 bzw. 3.926 t
                                  + 125 t
                                  = 4,158 bzw. 4.151 t

Sie stimmt mit der nach Keith ermittelten von
     DE = 4.198 t
bis auf 1% Unterschied überein, darf also unbedenklich zur Grundlage weiterer Untersuchungen gemacht werden.

Die nächste Stufe muß in einer Untersuchung der Stabilitätsverhältnisse anhand einer Skizze in einem nicht zu kleinen Maßstab (1:500 oder 1:200) bestehen. Daran schließen sich verfeinernde Untersuchungen der Hauptgewichtsgruppen an.

Als  nächstes folgt die angekündige Excel-Datei, welche die drei bislang vorgestellten Varianten beinhaltet.

Danach kommt noch die Rechnungs-Variante "Der gebundene Entwurf" und als letzten dann "Schiffsentwürfe, die nicht auf der grundlage vonn Gewichtsrechnungen zu lösen sind"

Also .... Fortsetzung folgt
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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #6 am: 07 Juli 2019, 18:08:15 »
Weil ich mich dazu entschlossen habe den gebundenen Entwurf ebenfalls in die Excel-Tabelle zu übernehmen, ziehe ich deshalb die Vorstellung diese Abschnitts vor.

Zitat von: W. Hadeler, Kriegsschiffbau, Teil A, Seite 344 ff
3.236 Der >>gebundene<< Entwurf
In vielen Fällen ist die Entwurfsaufgabe entweder grundsätzlich oder in ihren frühen Stufen von vorneherein mit einschränkenden Auflagen belastet, die der Lösung in irgendeiner Hinsicht Grenzen ziehen. Am häufigsten sind Grenzen für die Verdrängung, die heute meistens als maximale Typverdrängung gegeben wird, aber auch Höchstkaliber, Höchstgeschwindigkeiten und anderes kommen vor. Schleusenabmessungen können Grenzen für die Breite und Länge ziehen, die Fahrwasserverhältnisse den Tiefgang beschränken. Auch Begrenzungen verschiedener Art aus militärischen Überlegungen kommen vor.
  Für solcherart >>gebundene<< Entwürfe lassen sich allgemein gültige Entwurfsverfahren nicht angeben, zumal mit den Begrenzungen zusammen in der Regel >>Mindestforderungen<< an Kampfwert erhoben werden, die zu Beginn der Planungsarbeiten meistens sogar das Maß des Ausführbaren überschreiten. Infolgedessen kommt es bei der Lösung solcher Aufgaben letzten Endes darauf an, unter geschickter Ausnutzung aller sich bietenden technischen Möglichkeiten das in technischer und in militärischer Hinsicht >>am wenigsten unbefriedigende<< Kompromiß zu finden, das gleichzeitig dem Zweck des Schiffes am besten entspricht. Das endgültige Ergebnis in der qualitativen und quantitativen Bemessung der Einzelfunktionen ist dazu militärisch und technisch zu einem harmonisch ausgewogenen Ganzen abzustimmen. Dabei kommt es vor allen Dingen darauf an, gefährliche Lücken und Schwächen zu vermeiden. Das ist, insgesamt gesehen, sehr schwierig und verlangt von allen Beteiligten, vor allem aber von den führenden Persönlichkeiten, nicht nur engste und vertrauensvollste Zusammenarbeit, sondern auch erhebliche Führereigenschaften.
  Wenn schon beim normalen Entwurf mit einer größeren Zahl von verschiedenen Lösungen gerechnet werden muß, so kann bei den Lösungen für einen >>gebundenen Entwurf<< ein befriedigendes Ergebnis überhaupt nur durch planmäßiges Abwandeln der Möglichkeiten gefunden werden. Welcher Weg dabei beschritten werden kann oder muß, hängt neben der Art der gegebenen Bindungen in erster Linie vom Konstrukteur ab, dessen Einfühlungsvermögen in die zugrunde liegenden militärischen Voraussetzungen und Wünsche und dessen Geschick zur Zweckmäßigen technischen Konzeption hier vielfach entscheidend wichtig für Erfolg oder Mißerfolg werden können.
   Als Beispiel wird eine Aufgabe gebracht, in der die Typverdrängung gegeben ist. Bei anderen Begrenzungen ist sinngemäß vorzugehen. Der als Beispiel gebrachte Lösungsvorschlag läßt zunächst die Hauptgruppe Panzer offen. Die übrigen Gewichte werden so lange verändert, bis der offen gebliebene Unterschied eine zufriedenstellende Erfüllung der Panzerforderungen gestattet.

A u f g a b e : Entwurf eines leichten Kreuzers

Bewaffnung: Acht 12 cm-Mehrzweckgeschütze in Zwillingslafetten,
     zehn 7,6 cm-Fla in Zwillingslafetten (Automaten mit Magazinladung),
     zwölf 4 cm-Maschinenkanonen,
     alle mit Radarfeuerleitung und reichlicher Munitionsausstattung,
     Das Gesamtgewicht der Bewaffnung beträgt 1.041 t
Schutz: Etwa wie auf dem Kreuzer >>Leipzig<< der Kriegsmarine
Geschwindigkeit: Kurzhöchstgeschwindigkeit etwa 35 bis 36 kn, Dauerhöchst-
     Geschwindigkeit 33,5 bis 34 kn, Marschgeschwindigkeit 16 kn.
Fahrbereich: 10.000 sm mit 19 kn.
Maschinenanlage: Drei Wellen, die Mittelwelle soll durch Dieselmotoren getrieben
     werden, die zugleich als Marschanlage dienen. Für die Höchstgeschwindigkeit
     sind Höchstdruckdampfturbinen einzubauen.
Verdrängung: Die Typverdrängung darf 8.267 ts = 8.400 t nicht überschreiten

R e c h n u n g s g a n g :
Aus besonderen Gründen wird die Konstruktionsverdrängung auf

     D = DTyp + 0,4 (Brennstoff, Speisewasser usw.)

festgesetzt. Der Gesamtvorrat an Betriebsmitteln wird zunächst auf 2.000 t geschätzt.

     D = 8.400 + 800        = 9.200 t

     V = D   =  9.200   =  9.064 m³
           Ƴ       1,015

Da durch die gegebene Typverdrängung und die geforderte Geschwindigkeit Abmessungen und Maschinenleistung und damit auch das Maschinengewicht vorab ermittelt werden können, gestattet sich die eigentliche Entwurfsrechnung einfach.
   Für die Abmessungen werden nach entsprechenden Voruntersuchungen die nachstehenden Verhältniswerte gewählt:

L:B = 10;  B:T = 3,27;  L:H = 18,95 (H bis Oberdeck; L:H1 = 15,0 H1 bis Backdeck); der Völligkeitsgrad der Verdrängung δ = 0,501 und als Zuschlag für Anhänge werden 1,5% V gerechnet. Damit wird

     V = 9.064 = 10 * B * B * B * 1,015 m³
                                       3,27

Daraus

     B³ = 9.064 * 3,27 = 5.832
             5,01 * 1,015

     B  =     18  m
     L   =  180  m
     T   =    5,5 m
     H   =   9,5 m (bis Oberdeck)
     H1 = 12,0 m (bis Backdeck)

Die Maschinenleistung ergibt sich nach der Admiralitätsformel (u.U. auch nach vorläufigen Schleppversuchen) zu

     N = D2/3 * v 3
                C

Nach Vergleichsschiffen wird C zu 156 geschätzt, und die Geschwindigkeit v wird zunächst mit 35,5 kn eingesetzt. Dann wird v3 = 44.379 und D2/3 = 439 und damit

     N = 439 * 44.739 = 126.000 WPS
                  156

Für die weitere zunächst überschlägliche Entwurfsgleichung werden die Hautgewichtsgruppen errechnet, wobei Einheitsgewichte für das Gewicht des Schiffskörpers und der Antriebsanlage benutzt werden, während die Gewichte der Schiffsbetriebsanlage und der Ausrüstung als Prozentsatz der Verdrängung nach Vergleichsschiffen zu errechnen sind.

Schiffskörper  L * B * H * 0,093 = 180 * 18 * 9,5 * 0,093
=
2.865 t
Panzer
=
?
Antriebsanlage  WPS * 16,5 kg = 126.000 * 0,0165
=
2.080 t
Schiffsbetriebsanlage  6,5% von D = 0,065 * 9.200 t
=
599 t
Bewaffnung
=
1.041 t
Ausrüstung  6% von D = 0,06 * 9.200 t
=
552 t
40% Brennstoff, Speisewasser usw.
=
800 t
Konstruktionsreserve
=
46 t
Konstruktionsgewicht ohne Panzer
=
7.993 t

Für die Panzerung (Panzerdeck, Wasserlinienschutz, Panzerquerschotten, Kommandoturm usw.) stehen somit 9.200  -  7.993  =  1.207 t zur Verfügung. An Hand von Skizzen ist nunmehr zu untersuchen, ob damit ein ausreichender Schutz möglich ist.
Der weitere Vorteil der Rechnung besteht wie bei  den anderen Verfahren in einer schrittweisen Verfeinerung der Gewichtsrechnung bei gleichzeitiger Überwachung der Stabilität. Die Arbeiten müssen so lange fortgesetzt werden, bis das Gesamtbild sich als ausgewogene Komposition darbietet.

Weil ich die, mit den diversen eingepflegten Musterschiffen versehene, Tabelle noch ausgiebiger Testen will, kann ich jetzt noch nicht sagen, ob zuerst die Tabelle oder der letzte zu zitierende Abschnitt kommen wird. Trotz alle dem ...


Fortsetzung folgt (in kürze)
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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #7 am: 08 Juli 2019, 11:46:18 »
Hier kommt nun der letzte zitierte Teil aus "Kriegsschiffbau" von W. Hadeler

Zitat von: W. Hadeler, Kriegsschiffbau, Teil A, Seite 348 ff
3.237 Schiffsentwürfe, die nicht auf der Grundlage von Gewichtsberechnungen zu lösen sind
Während auf der einen Seite die Fortschritte der Technik zu immer leichteren Ausführungen vieler Gewichtsgruppen geführt haben, werden auf der anderen die Anforderungen an Raum ständig größer, so daß die einfache Beziehung

          Gewicht = Raum x spezifisches Gewicht

nicht mehr wie früher zu brauchbaren Ergebnissen führen muß. Es wird daher notwendig, den Raumfragen von Anfang an Aufmerksamkeit zu widmen.
Außerdem sind seit dem Ersten Weltkriege Schiffstypen entstanden, für deren Kampfwert der Raumbedarf so im Vordergrund steht, daß eine technische Gestaltung nur von der räumlichen Ausdehnung her möglich ist. Als Typen dieser Art sind zu nennen: Landungsfahrzeuge, Flugzeugträger einschließlich Hubschrauberträger und Werkstattschiffe.
Beispielsweise muß der Entwurf eines  L a n d u n g s f a h r z e u g s  für Panzer und Troßfahrzeuge der Landstreitkräfte grundsätzlich von dem  R a u m  ausgehen, in dem diese untergebracht werden und aus dem sie ohne Schwierigkeiten herauskommen können. Erst nach der zweckmäßigen Gestaltung dieses Raumes kann man ihn in ein entsprechend geformtes Schiff einfügen. Dieses muß dann den aus der Aufgabe herrührenden Bedingungen hinsichtlich Tiefgang, Geschwindigkeit, Abwehrbewaffnung, Unempfindlichkeit gegen Beschießen, Grundberührungen beim Landen usw. genügen. Die Frage nach der Verdrängung und nach allem, was damit unmittelbar oder mittelbar zusammenhängt, kann also erst nach erschöpfender Klärung der Raumfrage beantwortet werden.
   Der Entwurf eines  W e r k s t a t t s c h i f f e s  verlangt als erstes die Beantwortung der Frage, wieviel Raum für die einzelnen Werkstätten, für die Lagerung von Baustoffen, Halbzeugen und Reserveteilen, für Büros, für die Unterkünfte des Fachpersonals und der Besatzung der zu reparierenden Schiffe usw. benötigt wird. Erst danach können die Gewichte berechnet werden. Da die Werkstattschiffe für die mobilen, ohne landfeste Stützpunkte operierenden Seestreitkräfte immer wichtiger werden, ist sehr wahrscheinlich zu erwarten, daß hier selbstständige Typentwicklungen anlaufen werden. Auch für Tender ist Ähnliches zu erwarten. Mindestens stehen diese auf der Grenze, wo Gewicht und Raum ebenbürtig nebeneinander stehen.
   Weitaus am schwierigsten ist jedoch der Entwurf der  F l u g z e u g t r ä g e r. Ihre Schlagkraft als wichtigster Faktor des Kampfwertes wird ausschließlich durch die eingeschiffte Luftwaffe verkörpert. Sie kann daher keinen anderen Kampfwertfaktor als gleichberechtigt neben sich dulden. Aus diesem Grunde sind alle Kombinationen von Artillerie- und Flugzeugträgern, wie sie z.B. in der 1918er Fassung der>>FURIOUS<< und in der >>VINDICTIVE<< der britischen Marine versucht worden sind, technisch und militärisch verfehlt gewesen.
  Bei der Erörterung eines Flugzeug- oder Hubschrauberträgers muß daher zuerst Klarheit über die gewünschte oder notwendige Luftwaffe geschaffen werden. Danach richtet sich der Umfang der für diese erforderlichen Einrichtungen, der  F l u g a n l a g e. Deren Raumbedarf wird bestimmt durch die Abmessungen des Flugdecks, die ausschließlich von den Anforderungen des >>anspruchsvollsten<< Flugzeugmusters an Bord abhängen. Dessen Gewicht, Start- und Landegeschwindigkeit, Stauraum und Halteeinrichtungen entscheiden über die Abmessungen des Flugdecks. Die Zahl der Maschinen ist zunächst gleichgültig. Sie beeinflußt nur die Größe der Hallen, der Räume für Reserveteile, Kraftstoff, Munition usw. Erst wenn die Anzahl der einzuschiffenden Maschinen mehrere Schleudern für den Start und Hallen erfordert, die größer sind, als sie sich unter dem notwendigen Flugdeck unterbringen lassen, gewinnt sie Bedeutung für die Ausdehnung der Fluganlage. Es gibt jedoch keine einfache Beziehung zwischen der Anzahl der einzuschiffenden Flugzeuge und der Größe der Fluganlage, weil dabei nicht nur der Raumbedarf an sich, sondern auch der technisch und taktisch bedingte Betrieb von maßgeblicher Bedeutung sind. Zu bedenken ist auch, daß die Flugzeuge schneller veralten als der Flugzeugträger.
   Erst nach umfassender Klärung aller für die Abmessungen des Schiffes wirksamen Einzelheiten von Flugdeck, Hallen und Nebenräumen kann man daran gehen, die Fluganlage in ein Schiff einzubauen, dessen Geschwindigkeit, Standkraft und Fahrbereich den in der Aufgabe definierten Kampfwert erfüllen.
   Der Bau eines Trägers von vorher festgesetzter, womöglich sogar relativ und absolut kleiner Verdrängung ist heute unmöglich. Ebenso erscheint es aussichtslos, vorhandene oder in einem fortgeschrittenen Bauzustande befindliche Schiffe von geeignet erscheinenden Abmessungen (Größe Fahrgastdampfer, Schlachtschiffe u.a.) mehr oder weniger improvisierend in Flugzeugträger umzubauen, wie es nach dem Ersten Weltkriege die Regel war und noch im Laufe des Zweiten geschehen ist. Selbst die Ableitung einer neuen Klasse von Trägern aus einem bewährten Vorgang wird fragwürdig, wenn sich die Eigenschaften der einzuschiffenden Flugzeuge inzwischen merklich verändert haben.

3.238 Überprüfung und kritische Beurteilung eines Entwurfes
Die Überprüfung eines Entwurfes vor seiner endgültigen Weiterbearbeitung in Richtung auf die Ausführung ist eine technische Aufgabe. Sie soll feststellen, ob er alle gegebenen technischen Möglichkeiten optimal ausschöpft. Die kritische Beurteilung ist dagegen eine militärische Aufgabe, da sie entscheiden soll, ob der Entwurf das zu erfüllen verspricht, was bei der Aufgabenstellung beabsichtigt war.
   In diesem Sinne muß die Kontrolle in erster Linie das Entwurfsergebnis mit dem Neusten vergleichen, was an Vergleichbarem vorhanden ist. Hierfür hat H. Evers ein Verfahren angegeben*). Es beruht darauf, Vorbild und Entwurf so >>auf einen Nenner<< zu bringen daß alle charakteristischen Werte unmittelbar verglichen werden können. Hierzu werden die Verdrängungsvolumina von Vergleichsschiffen und Entwurf auf 1 m³ reduziert und dann die einzelnen Werte wie Abmessungen, Stabilität, Widerstand usw. nach entsprechender Umrechnung verglichen. Es ist also die Länge l des Vergleichschiffes vom Volumen 1 m³

          L = L : D1/3

Ebenso für den Entwurf l1

          L1 = L1 : D11/3

Im Falle vollkommener Übereinstimmung müßte sein

          L = l1

Auf diese Weise lassen sich alle Abmessungen und die daraus abzuleitenden Werte leicht prüfen, und mit fortschreitender Verfeinerung des Entwurfes kann der Vergleich sehr weit fortgesetzt werden.
Die kritische Beurteilung eines Entwurfes an Hand von Skizzen und Beschreibungen ist insofern schwierig, als nicht jedermann die Übung besitzt, sich daraus eine plastische Vorstellung zu machen. Es kann deshalb oft von Vorteil sein, zusätzlich einfache Modelle anzufertigen zu lassen. Sie erleichtern dem im Lesen komplizierter Zeichnungen weniger Geübten das Verständnis und bieten für viele Einzelheiten allen Beteiligten leicht zugängliche Erörterungsgrundlagen. Die Benutzung von Modellen wird besonders wertvoll, wenn es sich um ungewohnte Schiffstypen oder um neuartige Lösungen für Einzelheiten handelt.
   Um Räume mit sehr vielen, verwickelten Einrichtungsgegenständen, Leitungen, Kabeln usw. zweckmäßig gestalten zu können, stellt man häufig sogar Attrappen im Maßstab 1:1 her. Sie gestatten eine unmittelbare, praktische Prüfung des für die bedienenden Menschen verfügbaren Raumes, der Zugänglichkeit der Geräte usw. Natürlich kommen Modelle dieser Art nur für schwierige und wichtige Räume in Frage, wie OPZ, Führungsstände, U-Bootzentralen und dergleichen.

*) H. Evers, Der Vergleich von Schiffsformen, Schiff und Hafen 1961, Seite 852

Mit den vorgestellten Methoden ist es nun jedem selbst überlassen (Vor-)Entwürfe zu berechnen. Das mit der Kontrolle der Stabilität (metazentrische Höhe) ist ein anderes Problem, welches hier nur annäherungsweise gelöst werden kann. Die Formel zur Berechnung der metazentrischen Höhe lautet:

          MG = KF + MF - KG

Zu berechnen sind also:
         
  • Der Abstand der Strecke KF des Formschwerpunktes von Oberkante Kiel,
  • Der Abstand der Strecke KG des Gewichtsschwerpunktes von Oberkante Kiel,
  • Der Abstand der Strecke MF des Metazentrums vom Formschwerpunkt.

Die Strecke KF wird entweder nach dem Strahlensatz bestimmt

          KF =   T * α   
                   (δ + α)

oder

          KF = T -   T  * (0,5 + δ/α)
                         3

Die Strecke MF errechnet sich indem das Breitenträgheitsmoment durch das Volumen geteilt wird.
Das Breitenträgheitsmoment kann nach Hovgaard folgendermaßen berechnet werden

          JB = c1 * α * L * B3

          hierin ist c1 = α * (0,0106 +0,0727 * α)

Somit lautet die Formel für die Strecke MF

            JB 
            V

Wenn man die Strecke MG nicht im Detail berechnen kann, steht in Kriegssschiffbau, W. Hadeler, Seite 66 ff ebenfalls eine Annäherungsformel, die sogenannte >>Weiß-Formel<<. Mittels zweier Tabellen und der genannten Formel, kann die Strecke MG annäherungsweise berechnet werden. Hier die Tabellen

T 1.6922a: Mittlere Werte für Schlingerperioden von Kriegsschiffen
Schiffstyp
Schlingerperiode in s
Flugzeugträger
13-16
Schlachtschiffe
11-16
Kreuzer
10-13
Zerstörer
8-11
Schnellboote
4-5
Küstenminensuchboote
7
Der Trägheitsradius wird als Bruchteil der Breite angegeben: K = k * B

T 1.6922b: Werte für den Trägheitsradius von Kriegsschiffen in Bruchteilen der Breite
Bruchteil von
B für
Schiffstyp
normale*)
größte
Verdrängung
Verdrängung
Schnellboote und ähnliche Fahrzeuge
0,4
0,4
Torpedoboote
0,34
0,37
Zerstörer**)
0,39
Leichte Kreuzer
0,36
0,4
Großkampfschiffe
0,37
0,4
*) D. i. etwa Konstruktionsverdrängung
**) Nach Gilmer, Naval Ships, Annapolis 1956

Schätzt man den Wert des Trägheitsradius nach den in T 1.6922b angegebenen Werten, so wird damit

          MG = (  2 * K  )2 = (  2 * k * B  )2
                         τ                       τ

Die >>Weiß-Formel<< lautet

          MG = (  c * B  )2
                         τ

in der der Koefizient c = 2k ist.

Es muss darauf hingewiesen werden, das diese Formeln ebenso wie die Berechnungsmethode, Annäherungsformeln sind. Sie liefern recht gute Ergebnisse und sind für eine erste Berechnung geeignet.

Als letztes werde ich die Tabelle hier einstellen.

So denn .... Letzter Post folgt sehr bald
« Letzte Änderung: 08 Juli 2019, 11:55:21 von Sven L. »
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Offline Sven L.

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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #8 am: 09 Juli 2019, 20:31:47 »
Kommen wir nun mit der Tabelle, in der alle vorgestellten Entwurfsrechnungs-Varianten enthalten sind, zum Abschluss.

1. Inhaltliche Beschreibung der Tabelle:

Die Tabelle enthält sechs Register in der Reihenfolge von links nach rechts.
  • Eingabe&Ergebnisse
  • 1. Proz.-Methode
  • 2. Keith-Methode
  • 3. Einheitsgewichte
  • 4. Gebundener Entwurf
  • Vorlagen
Hierbei sind ausschließlich im ersten Register >Eingaben&Ergebnisse< die für den Entwurf relevanten Eingaben zu machen. Sämtliche Felder die eine Eingabe erfordern, sind haben einen Beigefarbenen Hintergrund, während die Textfarbe einen Blauton hat. Die anderen Textfarben sind für Überschriften, Bezeichnungen, Tabellenwerte usw. und dürfen nicht geändert werden.

2. Benutzung des Register >>Eingaben&Ergebnisse

Dieses Register besitzt drei Abschnitte
  • A. Vorlage
  • B. Anpassungen
  • C. Ergebnisse der Entwurfsmethoden
Als erstes wird unter A) wird das Musterschiff ausgewählt und der Schiffstyp bestimmt. Die dt. Panzerschiffe laufen in der Kategorie Kreuzer und der Spähkreuzer 38Ac als Zerstörer. Sobald eine Auswahl getroffen wurde, werden die relevanten Daten zu diesem Musterschiff darunter angezeigt.

Als zweites geht die Bearbeitung des Entwurfs unter B) weiter. Dieser Abschnitt hat zwei Unterabschnitte. Zum einen >Spez. Vorgaben für Neues Schiff< und >Angepasste Bewaffnung<.
Die Eingaben sind selbsterklärend. Von Wichtigkeit ist, wenn man eine andere Antriebskonfiguration als das Muster vorsieht, das hier die Möglichkeit geboten wird ein Musterschiff für den Antrieb, die Wellenanzahl, als auch (ganz wichtig) die bei einem Dieselmarschantrieb, also gemischten Antrieb, die mit Diesel betriebene Wellenanzahl anzugeben. Im Falle des reinen Dieselantriebs ist hier auch die Anzahl der mit Dieseln angetriebenen Wellen einzugeben.
Hiernach kommen nun die Eingabefelder speziell für die Entwurfsmethoden 3 und 4. Zum einen für die Methode 3 die Vorgabe der Schiffsbreite und darunter die gewünschten Verhältnisse für Länge/Breite, Tiefgang/Breite, Länge/Seitenhöhe und der Völligkeitsgrad der Verdrängung. Um einen Vergleich zu haben, stehen links vor den Eingabefeldern die Werte vom Musterschiff.
Speziell für die Methode 4 muss die Typverdrängung vorgegeben werden. Ebenso das Gewicht des Bunkerinhalts. Hier bitte das Maximum angeben. Diese Eingabe hat Relevanz, wenn in der darüber stehenden Ja/Nein-Auswahl Ja ausgewählt wird, gilt dieser Wert für alle Berechnungsmethoden. Dieses haben eingefügt, weil die Keith-Methode einen sehr hohen Bunkerinhalt berechnet.
Hier drunter schließt sich ein Hilfsbereich an, in dem die gewünschten Abmessungen des Entwurfs eingetragen werden können um hieraus die Verhältniszahlen zu erhalten. Es sind keine Felder von relevanten Wert und werden im Weiteren auch nicht verwendet. Diese dienen nur dazu das umständliche hantieren mit dem Taschenrechner zu ersparen.
Zu dem Unterabschnitt >Angepasste Bewaffnung< ist nur zu sagen, das hier immer die Rohranzahl einzugeben ist! Hieraus berechnet die Tabelle ein (fast) genaues Gewicht. Für die Munitionsdotierung sollten die Angaben bei NavalWeapons ausreichend hilfreich sein. Diese ist pro Rohr einzutragen.
Dieselbe Vorgehensweise gilt auch für die Torpedobewaffnung. Da Ja/Nein-Auswahlfeld hinter der Bezeichnung >Kalotte< bezieht sich auf eine Torpedobewaffnung wie auf den Panzerschiffen.
Die Auswahl der Flugzeuge gestattet es bei einem Entwurf für einen Flugzeugträger bis zu drei verschiedene Flugzeugtypen anzugeben. Das errechnete Gewicht beinhaltet das Flugzeug, die Ersatzteile und die Bewaffnung. Die restlichen Felder sollten ohne weitere Erklärung verstanden werden.
Nachdem alle Eingaben getätigt wurden, sind sofort die Ergebnisse unter
C) Ergebnisse der Entwurfsmethoden zu sehen.
Aufgrund der Komplexität war es mir nicht möglich alle möglichen Variationen durchzurechnen. Deshalb kann ich es nicht ausschließen, dass noch das eine oder andere Problem auftaucht. In diesem Fall bitte ich um eine kurze Nachricht, damit der Fehler beseitigt werden kann.
Beim „nachrechnen“ von real gebauten Schiffen ist es unvermeidlich, das es kleinere Unterschiede in den Gruppengewichten gibt. Dies sagt nichts über die Qualität der vorliegenden Tabelle aus. Ich habe mich an die von W. Hadeler in Kriegsschiffbau beschriebenen Verfahren gehalten.

Als Anlage die Tabelle

und nun viel Spaß beim Entwerfen
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Sven


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Offline ReiMar

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Re: Entwurf neuer Schiffe (nach W. Hadeler)
« Antwort #9 am: 09 Juli 2019, 22:30:59 »
Einfach nur ...
 :MG:
Am I a man ? And isn't a man stupid ?
So, I am a man.....house, wife, children.....

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