Hydrodynamic Design Principles and Structural Verification of a Hydrofoil Concept for Kiteboarding

Abstract

Bruken av hydrofoiler i kiteboarding har de siste ˚arene blitt stadig mer populært og vil for første gang bli inkludert i de olympiske leker i 2024. Siden oppstarten har den primære utviklingsinnsatsen vært˚a optimalisere ytelsen og˚a implementere avanserte materialer, som pre-preg karbonfiber. Dette har ført til at hydrofoiler er dyre. Denne oppgaven tar sikte p˚a ˚a undersøke designprinsippene til hydrofoiler og ˚a utforske et unikt og rimelig designkonsept med tilstrekkelig ytelse sammenlignet med mer tradisjonelle design. Betydningen av hydrodynamiske designparametere ble analysert ved bruk av Xflr5-simuleringer. Resultatene ble oppsummert i en tabell som kan konsulteres for designutvikling. Ved ˚a bruke tabellen ble det hydrodynamiske designet tilpasset kravene til nybegynnere. Et strukturelt designkonsept ble foresl˚att gjennom en sammenligning av forskjellige materialer og produksjonsmetoder. Konseptet inneholder et kompresjonsstøpt karbon-epoksy material kjent som smidd karbonfiber. P˚a grunn av mangel p˚a informasjon om smidd karbonfiber, ble 4-punkts bøyestesting utført for ˚a bestemme mekaniske egenskaper. Den elastiske modulusen ble bestemt til ˚a være 25670 MPa, og den karakteristiske styrken ble bestemt til ˚a være 191 MPa. En endelig elementanalyse ble utført i Abaqus for˚a undersøke det foresl˚atte strukturelle konseptet. Potensialet til smidd CFRP som et strukturelt materiale ble sammenlignet med mer tradisjonelle materialer. Det ble funnet at styrken til smidd CFRP ikke var tilstrekkelig for dette designet. En designiterasjon til ble utviklet, og dette designet lyktes med en sikkerhetsfaktor p˚a 1,33. Basert p˚a det vellykkede designet ble prototypedeler i 60%-skala laget av en smidd karbonfiber for mounting plate og fuselage. Delene ble kompresjonsstøpt i 3D-printede PLA-støpeverktøy. Støpeprosessen var vellykket, men delene kunne ikke anses som egnet for kommersiell bruk. Det ble konkludert med at designkonseptet og produksjonsprosessen har potensial for˚a lage rimelige, lette deler. Bedre produksjonsutstyr er imidlertid nødvendig for˚a oppn˚a en kommersiell standard. Det ble ogs˚a antatt at bedre mekaniske egenskaper kunne oppn˚as med solide, permanente former. Imidlertid ble produksjonsprosessen brukt i denne oppgaven ansett som en effektiv m˚ate ˚a lage prototyper p˚a. Ytterligere forskning bør ta sikte p˚a˚a utnytte industrielt produksjonsutstyr for˚a utforske det fulle potensialet til kompresjonssmiing og de tilhørende mekaniske egenskapene.

The use of hydrofoils in kiteboarding has gained traction in recent years and will be featured for the first time in the 2024 Olympic Games. Since its inception, the primary development effort has been on optimizing performance and implementing advanced materials, such as pre-preg carbon fiber. This has led to hydrofoils being expensive. This thesis aims to investigate the design principles of hydrofoils and to explore a unique and affordable design concept with adequate performance compared to more traditional designs. The significance of hydrodynamic design parameters was analyzed through the use of Xflr5 simulations. The results were summarized in a table that can be consulted for design development. By using the table, the hydrodynamic design was tuned for the requirements of novice riders. A structural design concept was proposed through a comparison of different materials and manufacturing methods. The concept incorporates a compression molded carbon-epoxy material known as forged carbon fiber. Due to the lack of information about forged carbon fiber, 4-point flexural testing was conducted to determine mechanical properties. The elastic modulus was determined to be 25670MPa, and the characteristic strength was determined to be 191MPa. A finite element analysis was conducted in Abaqus to investigate the proposed structural concept. The viability of forged CFRP as a structural material was compared with more traditional materials. It was found that the strength of forged CFRP was not adequate for this first design. A second design iteration was developed, and forged CFRP this design succeeded with a safety factor of 1.33. Based on the successful design, 60%-scale prototype parts were made of a forged carbon fibre mounting plate and fuselage. The parts were compression molded in 3D printed PLA molding tools. The molding process was successful, but the parts could not be considered fit for commercial applications. It was concluded that the design concept and manufacturing process has the potential for creating inexpensive, lightweight parts. However, better manufacturing equipment is needed to achieve a commercial standard. It was also hypothesized that better mechanical properties could be achieved with solid, permanent molds. However, the manufacturing process used in this thesis was deemed an efficient way of prototyping parts. Further research should aim at using industrystandard manufacturing equipment to explore the full potential of compression forging and the related mechanical properties.