[IMAT, TU Graz, Juni 2016, Bachelorarbeit by Bernhard Staggl]
Für die Realisierung des neuen Segelkonzepts von Peter Steinkogler werden im Vorfeld vielseitige Berechnungen durchgeführt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die verwendeten Hydrofoils, einem Schlüsselbauteil um Reibungsverluste zu minimieren.
Ziel des Projekts ist die Berechnung der auftretenden Spannungen in den Foils und die Wahl geeigneter Materialien für die Konstruktion. Die Bauteile wurden bereits in 3D modelliert und werden in eine geeignete FEM-Software zur Spannungssimulation übertragen. In dieser Arbeit wird dafür ABAQUS/Standard in Version 6.14-3 verwendet.
Die Randbedingungen stammen einerseits aus der vorausgegangenen CFD Studie, werden aber parallel dazu noch analytisch über eine statische Gleichgewichtsbedingung bestimmt. Die Auftriebskräfte am Foil werden schließlich in einer quadratischen Verteilung angenähert.
In einem ersten Schritt wird ein Modell mit isotropem Werkstoffverhalten
erstellt um auftretende Spannungen und Verformungen abschätzen zu können.
Verlauf der Auslenkung am anisotropem Modell des Foils
Auf diesen Ergebnissen basierend wird die Werkstoffwahl durchgeführt und eine detailliertere Auslegung eines Verbundwerkstoffes getroffen. Gewählt wird kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, der auch bei ähnlichen Bauteilen von Segelbooten zum Einsatz kommt. Anschließend werden Simulationen mit anisotropem Material durchgeführt und die auftretenden Spannungen analysiert. Zur besseren Beurteilung werden für Verbundwerkstoffe gültige Versagenskriterien angewandt.
Vergleicht man die Ergebnisse der drei Modelle lässt sich die Herausforderung erkennen, die sich im Umgang mit faserverstärktem Kunststoff ergibt. Durch die unzähligen Einflussparameter wie Lagenausrichtung, Lagendicke und verwendeter Faser ergibt sich ein sehr komplexer Entwicklungsprozess.
In dieser Arbeit konnte die grundsätzliche Machbarkeit eindeutig bestätigt werden. Darüber hinaus werden noch weitere Anregungen für nachfolgende Fragestellungen gegeben, welche bis zur Fertigstellung des Hydrofoils beantwortet werden sollten.