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Conception, fabrication et validation structurale des coques d'un catamaran de type Class-C

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Chevalier, Louis (2018). Conception, fabrication et validation structurale des coques d'un catamaran de type Class-C. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le monde de la voile est aujourd’hui révolutionné par l’introduction des hydrofoils sur tous les types de bateaux. Les hydrofoils permettent d’augmenter les performances des bateaux, mais modifient les cas de chargements et leur répartition sur l’embarcation. Les stratégies de navigation évoluent également et l’influence du poids des bateaux sur les résultats de régates est décuplée. Ce mémoire porte sur la conception, la fabrication et la validation structurale des coques d’un catamaran de type Class-C. L’objectif principal de conception est d’atteindre une masse de 40 kg par coque, tout en maximisant la rigidité de la plateforme.

Dans un premier temps, les géométries des structures et les cas de chargements ont été définis. Puis des tests de fabrication couplés à des essais de flexion trois points ont permis de procéder au choix des matériaux et des méthodes de fabrication pour les coques. Un modèle par elements finis des éprouvettes a été validé en comparant les résultats des analyses linéaires statiques aux résultats des essais de flexion et à une solution analytique. Le stratifié des coques a ensuite été pré dimensionné en analysant un modèle FEM préliminaire, au cas de chargement statique de précontraintes du haubanage. Les zones de stratifié ont été définies à la suite de ces analyses. Puis un modèle FEM détaillé a été analysé suivant des critères de rupture, de flambage et de déformations, pour valider le stratifié des coques aux cas de chargement en navigation d’équilibre statique et d’enfournement.

Les coques ont été fabriquées avec les stratifiés en carbone/époxy pré imprégnés issus du processus de dimensionnement, et en suivant les méthodes de fabrication du test préliminaire. Les assemblages ont été dimensionnés à partir des résultats des analyses du modèle FEM détaillé. Suite à la fabrication, les coques ont été instrumentées avec des jauges d’extensométrie pour valider la modélisation par éléments finis du cas de chargement des précontraintes. L’analyse des données a permis de valider la modélisation, avec des écarts relatifs inférieurs à 25%. Les coques fabriquées ont une masse de 43 kg, l’objectif de masse est donc respecté avec un écart relatif de 7,5%. Enfin les performances du bateau fini ont été observes qualitativement lors des premières navigations.

Titre traduit

Structural design, manufacturing and validation of C-Class catamaran hulls

Résumé traduit

Hydrofoils are currently integrated to every type of boats. The hydrofoils introduce substantial performance gains but significantly change load cases and forces repartition on the boat. The regatta strategies are evolving and the impact of boat weight during regattas is even higher with hydrofoils. This master thesis presents the structural design, manufacturing and validation of C-Class catamaran hulls. The principal design objective is to achieve a total hull weight of 40 kg while maximizing platform stiffness.

First, the structure’s geometry and the load cases were determined. Then, preliminary tests were performed, including the manufacturing of a composite plate, microscopic observation and three point bending tests. A finite element model was validated by comparison to a FEM linear static analysis results against the three point bending test results and an analytical solution. The hull’s laminate was then pre sized with the analysis of a preliminary FEM model of the catamaran with the rigging preloading. Finally, a detailed FEM model validated the hull’s laminate with respect to failure, buckling and deformations criteria with static balance and pitchpoling navigation load cases.

The hulls were manufactured with the carbon/ epoxy prepreg laminates previously determined and with manufacturing processes determined during the preliminary test. Half hulls assemblies and internal structure bonding joints were designed using FEM results. After the manufacturing completion, the hulls were instrumented with strain gages and a data was acquired during the preloading tests. Data acquisition results showed a relative gap of 25% with FEM results. The FEM model was validated considering bonding joints modelling and data acquisition setup. Manufactured hulls mass was 43 kg. The relative gap between the mass objective and the mass of manufactured hulls was 7.5%. Thus the mass objective was achieved. Finally, the performances of the manufactured catamaran were observed during first navigations.

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 avec mémoire en génie mécanique." Comprend des références bibliographiques (pages 151-154).
Mots-clés libres: matériaux composites, FEM, voile, catamaran Class-C, coque
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Joncas, Simon
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 17 déc. 2018 17:15
Dernière modification: 17 déc. 2018 17:15
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2181

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