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Conception et fabrication d'un système d'hydrofoils pour un catamaran de sport de 20 pieds

Grossmann, Xavier (2016). Conception et fabrication d'un système d'hydrofoils pour un catamaran de sport de 20 pieds. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Actuellement, les systèmes d’hydrofoils sont en train de révolutionner le monde de la voile grâce aux gains de vitesse et de stabilité, repoussant toujours plus loin les limites de la navigation. Ce projet présente donc le développement, la conception et la fabrication d’un système d’hydrofoils pour un catamaran de sport de 20 pieds.

D’abord, la géométrie de la dérive portante et des safrans porteurs ont été définis grâce à un modèle dynamique SimMechanics développé pour étudier l’influence de la géométrie des hydrofoils sur la vitesse de décollage et la stabilité du catamaran. En privilégiant le meilleur compromis entre la vitesse de décollage et la stabilité, le choix de la géométrie finale a permis de connaitre les efforts sur le système.

Ensuite, une méthode d’optimisation structurale de pièces composites composée de trois étapes a été utilisée pour dimensionner la dérive portante selon un cas de chargement courant et limite dont l’objectif était de minimiser la masse tout en limitant la déformation. La première étape d’optimisation dimensionnelle libre consistait à définir les zones les plus sollicitées. La seconde étape raffinait les différentes zones en intégrant les données de fabrication. Enfin, la troisième étape optimisait l’ordre des plis pour faciliter la fabrication. L’expertise acquise lors de la conception de la dérive portante a permis de valider le laminé défini pour le safran porteur.

Au final, après la fabrication d’un système prototype complet d’hydrofoils, des essais ont été faits sur l’ESPADON 20 fabriqué par Mystère Composites, puis sur le catamaran CLASS-C RAFALE fabriqué par un groupe d’étudiants de l’École de technologie supérieure. Globalement, le modèle dynamique avait prédit une vitesse de décollage proche de celle observée sur l’ESPADON 20, et le CLASS-C a également décollé dans les conditions de vent estimées et a pu atteindre 26.7 noeuds sur le Lac Léman à Genève lors de la Little Cup.

Titre traduit

Design and manufacturing of hydrofoil system for a 20 feet sport catamaran

Résumé traduit

Currently, hydrofoil systems are revolutionizing the world of sailing through gains in speed and stability, always pushing further the limits of navigation. This project presents the development, design and manufacturing of a hydrofoil and rudder systems for a 20 feet sport catamaran.

First, the geometry of hydrofoil and rudder systems were defined using a SimMechanics dynamic model developed to study the influence of the geometry of the hydrofoils on the take-off speed and stability of the catamaran. By favoring the best compromise between the take-off speed and stability, the choice of the final geometry allowed us to evaluate loads on the system.

Then, a three-step optimization method was used with the minimization of the composite mass as an objective while limiting the deformation. The first step based on a free-size method to define the most stressed areas. The second step refined the different areas by integrating the manufacturing data. Finally, the third step optimized the order of plies in the composite laminate to facilitate the manufacturing. The expertise acquired during the design of the hydrofoils allowed us to validate the laminate of rudders.

Finally, a prototype hydrofoil and rudder systems was manufactured. Then, it was tested on the ESPADON 20 manufactured by Mystere Composites, and then on the C-CLASS RAFALE catamaran manufactured by a group of students from the École de technologie supérieure. Overall, the composite structure was validated and the dynamic model showed that it could accurately predict take-off speed on both catamarans. A top speed of 26,7 knots was also recorded during 27th Little Cup held on lake Geneva in September 2015 with the C-CLASS catamaran.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliographie : pages 187-190.
Mots-clés libres: Hydroptères Conception et construction. Catamarans. Hydroptères Modèles mathématiques. Optimisation mathématique. dérive, portant, safran, hydrofoils, composite, optimisation structurale, modèle dynamique, voile
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Joncas, Simon
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 10 mars 2016 15:06
Dernière modification: 10 mars 2016 15:06
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1641

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