Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2457
Main Title: Aufbau druckneutraler, autonomer Unterwasserfahrzeuge für die Tiefsee
Translated Title: Development of Pressure Tolerant, Autonomous Underwater Vehicles for Deep Sea Applications
Author(s): Lück, Martin
Advisor(s): Lehr, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion und dem Aufbau druckneutraler Komponenten für die maritime Tiefseetechnik, der druckneutralen Testplattform DNS Pegel sowie der erfolgreichen Erprobung dieses druckneutralen Unterwasserfahrzeugs für Tiefseeanwendungen bis zu 6.000 Meter Wassertiefe. Aus den Umgebungsbedingungen in der Tiefsee lassen sich Anforderungen und Randbedingungen für die Gestaltung technischer Systeme ableiten. Es existieren weltweit verschiedene Ansätze zur Ausführung technischer Systeme für den Einsatz in der Tiefsee. Meist handelt es sich dabei um Druckhüllenfahrzeuge. Deren Nachteile lassen sich durch eine druckneutrale Aufbauweise des Fahrzeugs überwinden. Dies wird an verschiedenen Ausführungsbeispielen, wie fluidkompensierten sowie vergossenen druckneutralen Bauformen vorgestellt und im Vergleich mit Druckhüllensystemen diskutiert. Anschließend folgt die Beschreibung der druckneutralen Testplattform DNS Pegel. Für die äußere Gestaltung wurden unterschiedliche Strömungsformen, z. B. Laminarspindel, Mondfischform und Torpedoform untersucht, um ein strömungsgünstiges Design des Fahrzeugs zu entwickeln, wobei die Laminarspindel im Zuge von CFD-Rechnungen den geringsten Strömungswiderstand aufweist. Die errechneten Werte ließen sich durch Widerstandskraftmessungen an einem im Maßstab 1:4 verkleinerten Strömungsmodell in einem Wasserumlaufkanal bestätigen. Die innere Gestaltung der druckneutralen Testplattform DNS Pegel zielte auf einen modularen und flexiblen Gesamtaufbau in Leichtbauweise, um den Austausch technischer Komponenten sowie unterschiedlicher Nutzlasten auf einfache Weise zu ermöglichen. Dadurch lässt sich das Fahrzeug für einen breiten Anwendungsbereich einsetzen und auch auf See für verschiedene Aufgaben auf einfache Weise umrüsten. Infolge der druckneutralen Bauweise ist es erforderlich, Werkstoffe zur Generierung von Auftrieb zu nutzen. Daher ist es bei der Design- sowie der Aufbauphase des Fahrzeugs dringend erforderlich, den Auftriebs- und den Gewichtsschwerpunkt durch eine CAD-gestützte Überwachung zu kontrollieren. Dies wird anhand von Auftriebs- und Lagetrimmberechnungen demonstriert. Weiterhin müssen die Bauteile eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Dementsprechend besteht der Rahmen des Unterseeboots aus Titan, wohingegen die meisten Komponenten aus Polymerwerkstoffen gefertigt sind, um der Forderung nach einem möglichst geringen spezifischen Gewicht zu entsprechen. Um Konstrukteure bei der Entwicklung von druckneutralen Teilkomponenten zu unterstützen, wurden Richtlinien zur Konstruktion, Fertigung und materialtechnischen Auslegung druckneutraler mechanischer Komponenten entwickelt, wobei auch Erfahrungen aus Langzeituntersuchungen der DNS Pegel in der Ostsee hinsichtlich Korrosionseinwirkungen einflossen. Dem Bericht über die erfolgreiche Erprobung der DNS Pegel anhand von Testfahrten zur Erprobung der Manövrier- und Tauchfähigkeit in der Ostsee folgen Vorschläge für die Weiterentwicklung druckneutraler Unterwasserfahrzeuge sowie die Darlegung der Potentiale der druckneutralen Technik und ihrer kommerziellen Nutzung.
The present study illustrates the design of a pressure tolerant autonomous underwater vehicle (AUV). The “DNS Pegel” is a 3.1 m long pressure tolerant test platform for deep sea applications with diving depths up to 6000 meters. Any device or vehicle operating in the deep sea must be engineered to withstand the inhospitable conditions of that ambience. The environmental framework and limitations relevant to the design of underwater vehicles are described in the introduction. A definition of pressure tolerant systems is given, followed by a categorization of fluid compensated and casted pressure tolerant devices. The advantages and disadvantages of pressure tolerant submerged technology is contrasted with state of the art pressure hull technology. Computational fluid dynamics simulations were used to minimize the flow resistance at different fluid velocities comparing a torpedo-like body, an ocean sunfish form and a laminar flow shape. Analysis of the data revealed significantly lower resistance forces for a laminar flow shaped vehicle, which justifies its higher construction costs. Flow resistance measurements with a 1:4 model of the DNS Pegel in a circulation tunnel showed strong correlation with the computer gener-ated calculated data. For the inner design of the DNS Pegel state of the art AUV constructions and concepts were analyzed. The main design criteria were a flexible setup allowing the incorporation of different components in the payload section; hence, a modular space frame seemed optimal. Materials were chosen for high cor-rosion resistance and a light weight construction. The physical backbone for the DNS Pegel consists of a titanium sheet metal frame optimized using FEM-calculations. Results of practical studies on the Baltic Sea with the test platform DNS Pegel are outlined, including a long-term test to check for corrosion attacks as well as a number of driving and diving tests, which demonstrate the usability of the underwater vehicle as AUV. Furthermore, this thesis discusses a scheme for the incorporation of pressure tolerant subcomponents into the submarine. It is illustrated how the buoyancy trim and the trim angle can be calculated early in the design phase by using modern CAD systems. Conclusions resulting from the pressure tolerant design of an autonomous underwater vehicle are discussed in detail. Guidelines for optimal design and good manufacturing of pressure tolerant mechanical components were derived from this work in order to support future marine design engineers in developing high quality pressure tolerant devices. Finally, future development potential for pressure tolerant devices and entire vehicles is highlighted.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26481
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2754
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2457
Exam Date: 26-Feb-2010
Issue Date: 7-May-2010
Date Available: 7-May-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): AUV
DNS Pegel
Druckneutrale Technik
Druckneutrales Unterwasserfahrzeug
Tiefsee
AUV
Deep sea
DNS Pegel
Pressure tolerant
Pressure tolerant autonomous underwater vehicle
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