Otsikko sinällään tuskin avaa edes rivilaivanrakennusinsinöörille tyhjentävästi, mitä konkreettista työllä on saatu aikaan ja mitkä työn merkitykset tulevat olemaan laivojen kehitys- ja suunnittelutyössä. Tässä kirjoitelmassa yritetään asiaa jonkin verran avata.
Aleksi Laakso on 37-vuotias, opiskellut Aalto-yliopiston Konetekniikan laitoksella ja valmistunut diplomi-insinööriksi vuonna 2012. Konetekniikan kandiopintojen jälkeen hän suuntautui lujuusoppiin ja lentotekniikkaan, mutta varhaisten harjoittelukokemusten seurauksena kohdisti opintonsa kuitenkin maisterivaiheessa laivanrakennuksen sektorille painopisteenä lujuusoppi ja siihen linkittyvinä värähtelykysymykset. Valmistumisensa jälkeen Aleksi on työskennellyt Meyer Turku – telakan rungon perussuunnitteluosastolla laskentatehtävissä.
Väitöskirjaan johtanut työ alkoi jo kahdeksan vuotta sitten. Työn runkona on muutamia tutkimusprosessin kuluessa julkaistuja teknistieteellisiä artikkeleita, jotka täyttävät väitöskirjatyölle asetettavat kansainvälisesti hyväksytyt kriteerit. Aleksin työn runkona on neljä tällaista artikkelia, jotka on julkaistu vuosina 2017, 2019, 2021 ja 2022. Hän on työskennellyt koko urakan keston ajan Meyerin Turun telakalla, joskin parin ensimmäisen vuoden ajan osa-aikaisena siten, että opintoihin saatiin rahoitus LOURA:lta (LOURA on strateginen yhteistoimintamalli, jota toteuttavat lounaisrannikon kaupungit Turku, Uusikaupunki, Rauma ja Pori).
Tämä järjestely oli seurausta telakan tuolloisen omistajan (STX Finland) talousvaikeuksista. Aiheen tärkeyden ja haastavuuden puolesta puhuu se, että yksityinen telakkayritys on pitkäjänteisesti panostanut työn tekemiseen työsuhteessa olevalla työvoimalla lähes kymmenen vuoden ajan. Aiheen valinta muotoutui luontevasti Aleksin työtehtävien seurauksena ja niihin liittyen. Myös Merenkulun Säätiöltä tekijä sai pienehkön apurahan väitöstyön viimeistelyyn.
Erityisesti risteilylaivoissa värähtelyt ja melukysymykset ovat matkustusmukavuuden kannalta nykyään kriittisiä. Näissä vaatimustaso on noussut huimasti samalla kun risteilytoiminnan volyymi on kasvanut viimeisen viidenkymmenen vuoden ajan suuruusluokkaa yli 5 % vuodessa (30 miljoonaa matkustajaa vuonna 2019 – siis ennen COVID-19 pandemiaa). Takavuosina laivojen ominaispiirteiksi hyväksyttiin meluisa ympäristö ja värähtelyjäkin sallittiin tai niitä jopa pidettiin laivojen toiminnalle ominaisena. Tänään on välttämätöntä pyrkiä samaan tasoon, mihin parhaimmat hotellit pääsevät maapuolella.
Laiva on värähtely- ja melukysymysten osalta omanlaatuisensa kokonaisuus. Laivaan kohdistuu värähtelyä ja melua monista erityyppisistä herätelähteistä: moottorit, potkurit, lukuisat muut koneet ja laitteet, aaltoiskut ym. Rakenne on myös melko poikkeuksellinen: suuret pääosin tasomaiset levykentät, jotka muodostuvat verrattain ohuista teräslevyistä, mitkä on tuettu tasaisin välein asennetuilla levyihin hitsatuilla jäykiste-elementeillä (kaaret, kehyskaaret ym.).
Laskelmien kannalta keskeinen haaste on etenkin rakenteen valtava koko, joka vaatii käytettäviltä menetelmiltä laskennallista tehokkuutta. Tällaisiin rakenteisiin ei löydy sopivia käsittely- ja ratkaisumalleja multa aloilta, joten alakohtainen kehitystyö on ollut välttämätöntä. Ongelman ydin on luonnollisesti eri lähteistä syntyvien herätteiden taajuus ja toisaalta rakenteiden ominaistaajuudet ja näiden muodostaman kokonaisuuden hallinta. Herätteet ovat yleensä mitä ovat ja rakenteet täytyy optimoida siten, että värähtelyn amplitudit, jotka ihminen tuntee, saadaan minimoitua. Laskelmien perustana on kuitenkin rakenteen ominaistaajuuksien selvittäminen, minkä perusteella häiritsevien värähtelyiden esiintyminen voidaan kartoittaa ja ratkaisut värähtelyn minimoimiseksi voidaan kehittää.
Aleksi Laakson työn tavoitteena oli yksinkertaistettu menetelmä värähtelyiden käsittelemiseksi tavoitteena mahdollisimman hyvä tarkkuus toisin sanoen pienet lähes merkityksettömät virheet monimutkaisemmilla menetelmillä saatuihin tuloksiin verrattuna. Menetelmässä käytetään yksinkertaistukseksi rakenteen homogenisointia, lasketaan paikalliset vaikutukset erikseen ja nämä integroidaan suurempaan kokonaisuuteen. Eli käsittelyssä erotetaan paikallinen ja globaali taso siten, että mittakaavat erotetaan toisistaan. Menetelmää on laskelmissa sovellettu erikokoisiin testirakenteisiin, mutta se on periaatteessa sovellettavissa myös koko laivaan, joskaan tähän ei vielä ole käytännön valmiutta.
Testirakenteilla tehtyjen laskelmien tuloksia on verrattu tiheäverkkoisen laskentamallin tuloksiin ja menetelmän tarkkuus on erinomainen. Puhutaan eroista värähtelytaajuuksissa, mitkä on tyypillisesti luokkaa alle 1 %. Menetelmä sopii toistaiseksi kuitenkin ainoastaan tasomaisiin rakenteisiin ei siis esimerkiksi laivojen tyypillisiin keula- ja peräalueiden rakenteisiin. Tämä sinänsä ei ole ongelma, koska nämä rakenteet ovat vankkoja ja raskaita, joten niissä yleensä ei värähtelyongelmia käytännössä esiinny.
Risteilylaivojen kehitys on johtanut ajan mittaan yhä vaativampiin ja eksoottisempiin rakenteisiin, joista esimerkkeinä ovat laivan leveyssuunnassa jaetut kansirakenteet (atrium, Turun telakan rakentama MS Silja Serenade ensimmäisenä sovellutuksena) ja suuret avoimet alueet. Paino-, vakavuus- ja kustannussyistä rakenteet halutaan pitää mahdollisimman kevyinä, mikä osaltaan lisää värähtelyriskejä. Siten värähtelylaskelmien tarve samoin kuin laskelmien tarkkuusvaatimukset kasvavat ja värähtelyanalyysistä onkin tullut oleellinen osa risteilylaivojen runkosuunnitteluprosessia. Tässä suhteessa risteilylaivat poikkeavat kaikista muista kauppalaivatyypeistä. Värähtelyjen analyysi ja käsittely ovatkin tänään merkittävä kilpailukykytekijä risteilylaivojen rakentamisessa sekä esimerkki tuotteen teknologisesta erikoistumisesta ja eriytymisestä yleisestä laivanrakennuksesta. Meyer Turku selvästikin ymmärtää asian merkityksen ja panostaa edelleen kehitykseen.
Aleksi Laakso jatkaa Meyer Turun telakan palveluksessa. Värähtelyselvitysten tavoitteina ovat tietenkin korkeampi mukavuustaso, rakenteiden yksinkertaistaminen, painonsäästö ja alhaisemmat kustannukset. Värähtelyanalyysit ovat tänään laivan runkosuunnitteluun liittyvä rutiini. Uudet monesti arkkitehtoniset ideat tuovat mukanaan uusia vaatimuksia värähtelytarkasteluille. Tutkittua menetelmää tullaan edelleen kehittämään sovellutusalueen laajentamiseksi.
Teksti Eero Mäkinen
