Numerička analiza čvrstoće i stabilnosti lista kobilice male jedrilice

master's thesis

• Title (english): Numerical analysis of keel fin for small sailing boat
• Author: Simon Ferlin
• Mentor: Igor Karšaj (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2016-07-15, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

Kobilica jedrilice je podvodna peraja kojom se zaustavlja bočno kretanje jedrilice u najtežim uvjetima. Ona osigurava stabilnost jedrilice pri jedrenju i onemogućava prevrtanje iste. Konstrukcija se sastoji od lista i utega koji je pričvršćen za dno lista. Oplata lista ima oblik teorijski idealnog hidrauličkog profila. U kobilicu se dodatno stavljaju uzdužne ukrute koje imaju zadaću smanjenja progiba kobilice uslijed savijanja.

U ovome radu detaljno se analizira ponašanje kobilice na koju djeluje protusila sili vjetra. Protusilu stvara masa utega, te se zbog toga javljaju velika opterećenja na kobilici. Promatrana jedrilica ima mogućnost uvlačenja kobilice u kutiju. Sama kutija nalazi se u sredini jedrilice. Kutija se u ovome radu ne analizira posebno, već samo kobilica u slučaju kada je do kraja izvučena iz kutije. U tom slučaju se javljaju i najveća naprezanja na mjestu spoja kobilice i kutije.

Ponašanje kobilice se promatra za dvije vrste materijala. Prvi materijal je visokočvrsti čelik. Za tu vrstu materijala kobilice uspoređuju se rezultati za progibe i naprezanja na kobilici između linearne i nelinearne analize kako bi se utvrdilo je li ponašanje kobilice za zadano opterećenje linearno ili nelinearno. Nakon proračuna čvrstoće radi se kontrola stabilnosti kobilice zbog utvrđivanja kritičnog opterećenja koje se mora javiti da kobilica izgubi stabilnost. Druga vrsta materijala od koje se radi izvedba kobilice je kompozitni materijal. U radu se koristi stakleno-epoksidni i ugljično-epoksidni kompozitni materijal. Kod kompozitnih konstrukcija stavljaju se različito usmjereni slojevi kako bi se postigla najbolja moguća mehanička svojstva. To se radi iz razloga jer kod kompozitnog materijala mehanička svojstva jako ovise o orijentaciji vlakana. Rade se različite izvedbe kompozitne kobilice, s različitim debljinama, različitim orijentacijama i vrstama kompozitnih slojeva, sve dok se ne dobije izvedba koja zadovoljava kriterije popuštanja. Na kraju se za konačnu izvedbu vrši i kontrola stabilnosti i to za različite načine opterećivanja.

Svi proračuni rade se pomoću metode konačnih elemenata u programskom paketu Abaqus. Prije same numeričke analize konstrukcije kobilice radi se verifikacija svih korištenih konačnih elemenata i numeričkih procedura na jednostavnom primjeru savijanja i izvijanja izotropne i kompozitne pravokutne ploče kako bi se utvrdilo koji konačni elementi će najbolje opisivati zadani problem i pomoću kojih će se postići što realniji rezultati.

Abstract (english)

Sailboat keel is an underwater fin that has the task to stop sideways motion of the sailboat in difficult conditions. It provides stability when sailing and prevents the sailboat from overturning. The keel consists of a fin and a weight that is hitched to the bottom of the fin. The fin has the form of a theoretically ideal hydraulic profile. Longitudinal reinforcements are additionally put in the keel to provide a decrease of the displacements due to bending.

In this thesis, the detailed analysis of the behavior of the sailboat keel that is exposed to the counter force of the wind force exposed is conducted. The weight creates the counter force and creates large stresses on the keel. The observed sailboat has the possibility to pull the keel in a box. The box is placed in the middle of the sailboat. This box is not going to be analyzed in this thesis, but only the keel when it’s pull out completely. In this case on the place where the keel and the box join occur the maximal stresses.

The behavior of the keel is observed for two types of material. The first material is a high strength steel. For this keel material linear and nonlinear results are compared for displacements and stresses to determinate if the behavior of the keel is linear or nonlinear. After the strength analysis the stability control is performed to determinate the critical force on the keel that is needed to lose his stability. The second keel material is a composite material. In the thesis glass-epoxy and carbon-epoxy composite material are used. By composite structures the layers are putt differently orientated because the mechanical properties depend on the fiber orientation. Different ways of the layer orientations setup are performed, until the best layer setup is obtained that satisfies the failure criteria. For the final layer setup an additional stability control for different loads is performed.

All calculations are performed using the numerical Finite Element Method (FEM) using the software program package Abaqus. The verification of all used finite elements and procedures have been conducted on a simple bending and buckling example of a rectangular isotropic and composite plate to determinate which elements are going to be the best in the analysis of the problem and with which their going to be obtained the best results.

• Keywords: kobilica jedrilice; metoda konačnih elemenata; nelinearna analiza; kompozitni materijal; kontrola stabilnosti
• Keywords (english): sailboat keel; finite element method; nonlinear analysis; composite material; stability control
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:587752
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2019-05-22 16:48:49