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Design and validation of a non-linear passive-selective compliant hydrofoil using shape-memory alloys

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Giuntoli, Bruno Lucas (2017). Design and validation of a non-linear passive-selective compliant hydrofoil using shape-memory alloys. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Traditionally, sailboats relied on the Archimedes principle to move on the water surface. This method has been used and successfully proven for many thousands of years, with the earliest known depiction found on an Egyptian clay and dating from 3100 B.C.

Nowadays, boats can fly by the means of hydrofoils, allowing great performance and efficiency when moving on the water surface. While hydrofoils are efficient in a defined spectrum because of their fixed geometry, this work presents a solution to increase the efficiency in a larger range of operation by proposing a non-linear compliant structure solution based on a AClass sailing catamaran.

The objective of this work is to provide a proof of concept of a structure capable of adapting its geometry depending on the load case to which it is submitted to maximize the righting moment and the lift to drag ratio in different sailing conditions. To comply with the A Class rules, this geometrical change must be done passively.

To begin, the load case validation and evaluation is performed for the boat take-off and maximum speeds using a custom designed hydrofoil geometry. The thesis then presents the developed tools and Finite Element Model allowing to determine analytically the performance of the Hydrofoil and its morphing and structural capabilities combining traditional CFRP composites and Shape Memory Alloys (SMA).

As a final step, the validation of the morphing concept calculations on a 1:1 scale specimen to determine the real-case application and integration constraints is presented. Finally, an example of a full-cycle calculation process for an AClass catamaran with a morphing Hydrofoil is presented, to achieve a preliminary design concept.

Titre traduit

Conception & fabrication d'un système d'hydrofoil à géometrie variable à l'aide d'alliages à mémoire de forme

Résumé traduit

Traditionnellement, les bateaux à voile dépendent du principe d’Archimède pour se déplacer sur l’eau. Cette méthode a été utilisée et prouvée avec succès pendant plusieurs milliers d’années, avec des représentations trouvées sur l’argile égyptienne, datant de 3100 ans A.C. Actuellement, les bateaux sont capables de voler avec l’utilisation d’hydrofoils, leur permettant d’obtenir très bonnes performances lors du déplacement sur la surface de l’eau. Étant donné que les hydrofoils sont efficaces sur un spectre déterminé d’utilisation, car leur géométrie est fixe, ce travail présente une solution pour augmenter l’efficacité sur une plus grande gamme de conditions en proposant un système d’hydrofoils à géométrie variable pour un catamaran de type Classe A.

L’objectif de ce travail est la démonstration de la faisabilité d’une structure capable d’adapter sa géométrie en fonction de la charge a laquelle est soumisse pour maximiser le moment de redressement du bateau ainsi que le ratio de portance et trainée dans de différentes conditions de navigation. Pour respecter les normes de la Classe A, cechangement de géométrie devra être atteint de façon passive.

Le mémoire débute par la détermination du cas de charge général et l’étude des vitesses de décollage et maximale du bateau lorsqu’il est supporté par les hydrofoils. Par la suite, le mémoire présente les outils numériques et le modèle d’éléments finis qui ont été utilisés pour déterminer de façon analytique la géométrie et la structure interne des hydrofoils en exploitant judicieusement les avantages respectifs des matériaux composites et des alliages à mémoire de forme.

Enfin, les calculs de conception de l’hydrofoil à géométrie variable sont validés en fabriquant puis en testant expérimentalement un prototype à échelle 1:1 pour déterminer le potential d’application et l’intégration de ce genre de système adaptatif. La démarche complète est finalement appliquée pour concevoir un hydrofoil à géométrie variable d’un catamaran de type Classe A.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master's degree with thesis in mechanical engineering". Bibliographie : pages 133-134.
Mots-clés libres: Hydroptères Conception et construction. Alliages à mémoire de forme. Hydroptères Modèles mathématiques. Catamarans. adaptatif, géométrie, variable, hydrofoils, structures, classe A.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Joncas, Simon
Codirecteur:
Codirecteur
Terriault, Patrick
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 21 mars 2018 16:19
Dernière modification: 21 mars 2018 16:19
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2017

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