Schockanalyse einer CFK-Gelenkwelle

Bereits in der Konstruktionsphase sollte die Schockfestigkeit einer in einem Schiffsantrieb eingesetzten CFK-Gelenkwelle überprüft werden. Die obere Abbildung zeigt die Gelenkwellenkonstruktion. Zum Ausgleich von axialen, radialen und winkligen Verlagerungen werden Verbindungselemente mit elastischen Gummibuchsen eingesetzt.

Für die Schock-Analyse wurde ein geeignetes FE-Modell der Gelenkwelle erstellt. Dieses Modell beinhaltet neben dem CFK-Rohr insbesondere auch die Verbindungselemente sowie die Anschlussflansche und die das CFK-Rohr tragenden Naben.

Die mittlere Abbildung zeigt beispielhaft eine Detailansicht des FE-Modells eines Verbindungselements und der angrenzenden Komponenten. Zusätzlich wurde auch ein MKS-Modell des Motors und seiner äußeren Lagerung integriert.

Es wurden verschiedene Schockereignisse bei rotierender Welle untersucht, bei denen jeweils der zeitliche Verlauf der Verschiebungen am Propeller sowie am Fußpunkt der Motorlager vorgegeben wurde. Bei den Schocksimulationen mit Abaqus/Explicit wurde als zusätzliche Last neben der Drehung der Gelenkwelle auch das statische Antriebsmoment berücksichtigt.

Die Schocksimulationen zeigen, dass die auftretenden Beanspruchungen aller Gelenkwellenkomponenten, insbesondere auch die des CFK-Rohrs deutlich unterhalb der zulässigen Festigkeitskennwerte liegen. Auch die Belastung der Verbindungselemente ist deutlich niedriger als die entsprechenden Grenzwerte. Als weiteres Ergebnis wurde der zeitliche Verlauf der Gelenkwellenverschiebung an Engstellen ausgewertet.

Die untere Abbildung zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Vertikalbewegung an den Motorlagerstellen bei Schockanregung in transversaler Richtung.