Konceptuell design Version 1

Transkript

1 1(12) Sammanfattning I denna konceptuella designrapport beskrivs projektgruppen Tachus konceptuella design. Konceptet bygger på en tvåskrovs lösning. Ett större planande skrov som är länkad till ett mindre skrov med en lutande fast vinge. Tanken är att den lutande vingen ska lyfta upp det mindre skrovet ur vattnet. Vidare självregleras seglets lutning i förhållande till den aktuella vindstyrkan. Rapporten beskriver även de refuserade designkoncepten och ger en snabb genomgång av konceptens huvudprinciper.

2 2(12) Innehållsförteckning 1. Bakgrund Beskrivning av det slutgiltiga konceptet Princip Vikt / Delar Fart Material Dimensioner Tänk på möjligheterna Plan för hur vi går vidare Teknisk handlingsplan Resursplan Refuserade Koncept Tarantul Trimaranlösning Resonemang bakom valt koncept Bilagor Bilaga 1 Kravspecifikation Bilaga 2 Tävlingsregler... 12

3 3(12) 1. Bakgrund Denna konceptuella design ligger till grund för projektgruppen Tachus fortsatta arbete inom ramen för kurserna 4E1132 Lättviktsdesign samt 4E1402 Marindesign. Designkursen bedrivs i projektform under hösten 04 samt våren 05 vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Designkursen motsvarar 10 högskolepoäng vilket fördelas över de fyra läsperioderna under året. Projektdeltagarna utgörs av elever från kompetensinriktningarna Lättkonstruktioner (LKR) samt Marina system (MSY). Bakgrunden till projektets uppstartande är utvecklingen av en egen design, gällande en vinddriven vattenfarkost. Farkosten skall vara optimerad med avseende på fart och vikt. Projektet spänner över hela farkostens designcykel, dvs. från idé till färdig produkt. Vidare kommer farkosten att tävla mot konkurrerande projekt styrbord efter gemensamt utarbetade tävlingsregler se bilaga 2. Projektet benämns Tachus, som betyder snabbare på grekiska. Detta skall vara en ledstjärna i det fortsatta projektarbetet. I början av projektet togs många konceptförslag fram. Dessa gicks igenom och reducerades till tre stycken huvudkoncept. Den här rapporten beskriver både det vinnande konceptet och de två som har refuserats.

4 4(12) 2. Beskrivning av det slutgiltiga konceptet 2.1 Princip Farkosten är tänkt att utformas samt konstrueras principiellt enligt nedanstående figurer. Två skrov är placerade parallellt med förskjutningsvinkeln γ. Huvudskrov med fenor kommer att befinna sig om lovart i förhållande till vingen/seglet. Vingen/seglet kommer att stå på ett mindre skrov, vilket endast har till uppgift att fungera som flytkropp då farkosten är stillastående på vattnet. Den enda rörliga delen för farkosten är rodret. F F FRAM Färdriktning Vindriktning F 2 Vinge/Segel γ Bom Skrov z Fena Roder x y Fig. 1 Vy ovanifrån

5 5(12) F Vinge F 1 u F 2 θ M SIDA θ β β Hävarm M UPP F Fena Fig. 2 Vy förut Då seglet är tänkt att vinklas mot horisontalplanet, skapar vinkeln θ en lyftkraft på vingen/seglet. Denna lyftkraft utnyttjas för att få upp farkosten i, och behålla, planande tillstånd. Vidare antas att vid planande tillstånd kommer det uppkomna momentet från vingen/seglet att upphävas utav kölens vingprofil (se figur 3). Vinkeln θ skapar en från början avsedd lyftkraft. Detta gör att seglet får en vertikal lyftkraft F 1 som kommer att hjälpa skrovet att plana vid låga vindhastigheter. Principen för denna framdrivning är inte unik men har stor potential att anpassas till så hög hastighet som möjligt. y λ F Fena Fig. 3. figuren visar vingprofilen (fenan) under huvudskrovet.

6 6(12) Figur 4 nedan visar de krafter som uppkommer på vingen/seglet och hur dessa krafter sedan projiceras ner i de olika huvudriktningarna. F Vinge y F 1 z α F Fram x F 2 γ Fig 4. En modell av krafternas komposanter. Utifrån figur 3 och 4 kan några grundläggande kraftekvationer ställas upp: I x-led: F Vinge I y-led: cos α cosγ 2 F cos( λ + β ) = 0 Fena F Vinge sin α 2 F sin( λ + β ) = 0 I z-led: Fena F Vinge cos α sin γ F Motstånd = m Skrov a Skrov På liknade sätt kan tre momentekvationer ställas upp. Dessa momentekvationer kommer inte redovisas vid detta tillfälle, på grund utav att en tillräcklig noggrann analys ännu inte har utförts. Det som kommer att påverka momentjämvikten är fenornas design och placering. Vi ser nu att dessa kommer att vara en stor utmaning för vår grupp. Pitch-problemet ses som ett mindre problem att lösa i jämförelse med yawproblemet som säkerligen kommer att förorsaka huvudbry.

7 7(12) 2.2 Vikt / Delar Vikten för farkosten skall vara max 10 kg. Detta anser gruppen inte vara något problem, skall en fast vinge användas kommer denna väga ungefär halva totalvikten och vara så stor som möjligt. Servo till roder med batteri kommer stå för ungefär tio till femton procent av vikten. De resterande 35 till 40 procenten kommer att bestå av skrov och hävarm mellan skrovdelarna plus två fenor. Farkosten kommer att bestå av få delar vilket gör den lätthanterlig. De delar som ingår i farkosten kommer att vara fixt monterade, förutom rodret, detta gör att komplexiteten (det vill säga reglerproblemet) minimeras. Farkosten kommer även att vara demonterbar. Nermonterad kommer den att bestå av 4 till 6 delar. 2.3 Fart Hastigheten är ännu inte bestämd men kommer att vara fullt tillfredsställande. Vi har i detta tidiga stadium uppskatta fartområdet till mellan 20 och 35 knop. 2.4 Material Skrovet och bommen mellan skroven kommer att vara i kolfiber p.g.a. kolfiberns höga styvhet/vikt fraktion. Seglets utformning och materialval är ännu inte bestämt. Som det ser ut nu så ska tre alternativ studeras. 1. Mjukt segel med lattor på en kolfiber mast. 2. Vingsegel i kolfibersandwich med någon kärna ex honeycome eller divynecell. 3. Vingsegel med en skellettstruktur i kolfiber klätt i en styv segelduk som till exempel melarväv. Materialvalen kommer att påverkas av vilka material som kan frambringas via sponsring eller via projektbudgeten. Om kolfiber visar sig vara för dyrt så kan glasfiber vara ett alternativ i de mindre bärande delarna som t.ex. skroven. 2.5 Dimensioner Seglet kommer att ha en storlek på cirka tre kvadratmeter men kan säkerligen bli mycket större för att optimeras i den övriga strukturen. Skrovet är cirka 1,5 meter långt men kan ändras av samma anledning som seglet. Fenorna är ännu inte dimensionerade. Hävarmen kommer vara två till tre meter lång och seglet kommer luta in mot skrovet. Enkel konstruktion Lätt att montera Lätt att transportera Få delar (tre stycken) Detta ger utvecklingsmöjligheter Få rörliga delar Eliminerar det krängande momentet hydrodynamiskt Ett utmanande komplext system men fullt möjligt för vår grupp

8 8(12) Låsta delar, segel, köl Den enda möjliga del som går att manövrera är rodret Svårt att beräkna vingprofilen i vattnet, dvs. kölarna. 2.6 Tänk på möjligheterna Många variabler kommer att påverka konstruktionen och den slutgiltiga designen. Frågan kvarstår om huruvida ett segel eller vinge kommer att användas. Möjligen kan skrovet extrautrustas med bärplan och/eller ett extra segel som placeras akterut på huvudskrovet. Dessa möjligheter kommer att värderas och analyseras under det fortsatta arbetet. 3. Plan för hur vi går vidare I den närmaste framtiden till dess att den preliminära designen är klar den 26 november så kommer en djupare analys av farkosten att göras där beräkningar samt motståndskurvor mm kommer att presenteras. Analysen kommer att fokuseras på krafter och moment när farkosten är i steady state och vägen dit. Andra områden är stabilitet och farkostens dimensioner och slutgiltiga vikt. 3.1 Teknisk handlingsplan Det vidare arbetet kommer att inledas efter tentamensperioden med att olika delprojekt kommer att initieras efter genomförd behovsanalys. Behovsanalysen kommer att inledas på nästa projektmöte. Delprojekten kommer att analysera olika aspekter av farkosten såsom skrovets motstånd och utformning, seglets form och krafterna i det, radiostyrningen och så vidare. 3.2 Resursplan I projektet ingår nio stycken projektdeltagare. Varje deltagare har fyrahundra timmar till förfogande för projektet. Efter period 1 har varje deltagare tagit ut ca femtio timmar, vilket gör att den kvarstående tiden för projektet är trehundrafemtio timmar per person. Fördelningen av arbetstiden har vid skrivande stund påbörjats. Arbetstiden ligger någorlunda jämnt fördelat över de resterande tre perioderna. Projektetbudgeten är ca kkr och kommer att förhandlas med kursledningen och sponsorer. Timkostnaden för arbetad timme kommer att meddelas av kursledningen vid ett senare tillfälle. Projektet har tillgång till högrekurslokalen poolen med tillhörande verkstad. Projektet har även tillgång till KTH:s datasalar samt strukturlabbet.

9 9(12) 4 Refuserade Koncept Projektgruppen Tachus började med att ta fram många förslag på koncept. Därefter skakades dessa förslag ner till tre stycken. Projektgruppen delade in sig i tre stycken grupper som var och en analyserade ett konceptförslag. Efter många och långa diskussioner valdes ett koncept som gruppen ska arbeta vidare med. Här presenteras lite kort de två som refuserades. Konceptförslaget Trimaranlösning är egentligen två liknade konceptförslag med den enda skillnaden att den ena har planande skrov och den andra en hydrofoillösning. För mer information om designkoncepten Tachus och Trimaranlösning läs respektive konceptrapport. 4.1 Tarantul Farkosten är en asymmetrisk katamaran med hydrofoiler och vingsegel. Vingseglet är placerat i lovart om centrumlinjen. Hydrofoilerna är utformade så att en ökad krängningsvinkel resulterar i ett ökat rätande moment från läsidans hydrofoiler På detta sätt blir farkosten självrätande. De två skroven samt vingseglet går att demontera vid transport. Skotvinkeln går ej att ändra i realtid vid segling, utan kan endast justeras i förväg. Farkosten är vid låga farter deplacerande och kommer vid ökande fart successivt övergå till att flyga med hjälp av hydrofoilerna. Farkosten fjärrmanövreras med hjälp av radiostyrning som, via ett servo, påverkar rodervinkeln. I figur 5 presenteras en principskiss av farkosten. Figur 5 Principskiss

10 10(12) Nedan listas de förmodade fördelarna och nackdelarna med designen. Självrätande p.g.a. de vinklade bärplanen. Enkel konstruktion. Kolfiberskrov med spant i kolfibersandwich gör skrovet styvt. Flexibel konstruktion (enkelt att t.ex. ändra avståndet mellan skroven) Demonterbar vid transport Liten våt yta jämfört med segelarea => Hög fart Hantering, stor, skrymmande Hur bogserar man ut farkosten med ett fast segel? Hur blir det vindögat? Risk för ventilation (ytskärande bärplan) 4.2 Trimaranlösning Vattenfarkosten bygger på en asymmetrisk trimaran design med vingsegel. Designen har utvärderats både med hydrofoil och planande skrov. Vingseglet placeras i linje med två av bärkropparna. Den tredje fkroppen är placerad i läsidan och är tänkt att uppväga det roterande momentet skapat av vingseglet. Länkarmens längd till den tredje bärkroppen är beroende av om hydrofoil eller planande skrov används. Användande av hydrofoil ger en större motverkande resulterande kraft gentemot ett planande och en kortare hävarm a behövs. Se figur 6. Designen bygger på att farkosten ska minimera krängningsvinkeln för att på så sätt utnyttja segelarean på ett effektivt sätt. Skotningsvinkeln och rodret ska gå att justera under segling. Farkosten är vid låga farter deplacerande och kommer vid ökande fart successivt övergå till att plana respektive flyga med hjälp av hydrofoilerna. Farkosten fjärrmanövreras med hjälp av radiostyrning som, via ett servo, påverkar roder- och skotningsvinkeln De tre skroven och vingseglet ska gå att demontera.

11 11(12) Figur 6 Skiss ovanifrån av Trimaranlösningen Förmodade för- och nackdelar med Trimaranlösningen. Enklare beräkningar relativt de andra koncepten Enkel tillverkning (utom bärplansanordning) Bra transportmöjligheter. Väl beprövad metod. Lösning på att reglera bärplanen kan bli svår att realisera. Bärplanskonstruktion komplex. Känns lite för beprövat. 4.3 Resonemang bakom valt koncept Valet mellan koncepten var svårt, eftersom alla förslagen var solida och genomförbara. Vi kunde inte utgå ifrån det naturliga kriteriet toppfart, därför att motståndsberäkningarna är för känsliga. Detta gör att osäkerheten blir för stor för att ha som enda beslutsunderlag. Gruppen valde att ta i beaktning andra egenskaper som speglar projektets genomförbarhet och andra icke mätbara egenskaper såsom glädje. Jämförelsen gjordes med hjälp av följande kriterier: Fartpotential Konstruktionsenkelhet Beräkningsenkelhet Hanterbarhet Glädje

12 12(12) Konceptet Tarantul valdes bort på grund av förmodade pitch-krängningsproblem, även om gruppen ansåg att fartpotentialen var stor. Trimaranlösningen valdes bort för att konceptet kändes för beprövat. Det valda konceptet sågs som ett realiserbart projekt med hög fartpotential. Att konceptet fungerar har bevisats av ett team i Australien. Det som fällde avgörandet var att den ansågs fungera väl i varierande vindstyrka och sjötillstånd. 5 Bilagor 5.1 Bilaga 1 Kravspecifikation 5.2 Bilaga 2 Tävlingsregler