Hydrodynamic Design Principles and Structural Verification of a Hydrofoil Concept for Kiteboarding
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3038936Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Bruken av hydrofoiler i kiteboarding har de siste ˚arene blitt stadig mer populært og vil for førstegang bli inkludert i de olympiske leker i 2024. Siden oppstarten har den primære utviklingsinnsatsenvært˚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 designprinsippenetil hydrofoiler og ˚a utforske et unikt og rimelig designkonsept med tilstrekkelig ytelse sammenlignetmed mer tradisjonelle design. Betydningen av hydrodynamiske designparametere bleanalysert ved bruk av Xflr5-simuleringer. Resultatene ble oppsummert i en tabell som kan konsulteresfor designutvikling. Ved ˚a bruke tabellen ble det hydrodynamiske designet tilpasset kravenetil nybegynnere. Et strukturelt designkonsept ble foresl˚att gjennom en sammenligning av forskjelligematerialer og produksjonsmetoder. Konseptet inneholder et kompresjonsstøpt karbon-epoksymaterial 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 modulusenble 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 tradisjonellematerialer. Det ble funnet at styrken til smidd CFRP ikke var tilstrekkelig for dette designet. Endesigniterasjon til ble utviklet, og dette designet lyktes med en sikkerhetsfaktor p˚a 1,33. Basert p˚adet vellykkede designet ble prototypedeler i 60%-skala laget av en smidd karbonfiber for mountingplate og fuselage. Delene ble kompresjonsstøpt i 3D-printede PLA-støpeverktøy. Støpeprosessenvar vellykket, men delene kunne ikke anses som egnet for kommersiell bruk. Det ble konkludertmed at designkonseptet og produksjonsprosessen har potensial for˚a lage rimelige, lette deler. Bedreproduksjonsutstyr er imidlertid nødvendig for˚a oppn˚a en kommersiell standard. Det ble ogs˚a antattat bedre mekaniske egenskaper kunne oppn˚as med solide, permanente former. Imidlertid bleproduksjonsprosessen 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 fullepotensialet til kompresjonssmiing og de tilhørende mekaniske egenskapene. The use of hydrofoils in kiteboarding has gained traction in recent years and will be featured for thefirst time in the 2024 Olympic Games. Since its inception, the primary development effort has beenon 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 principlesof hydrofoils and to explore a unique and affordable design concept with adequate performancecompared to more traditional designs. The significance of hydrodynamic design parameters wasanalyzed through the use of Xflr5 simulations. The results were summarized in a table that can beconsulted for design development. By using the table, the hydrodynamic design was tuned for therequirements of novice riders. A structural design concept was proposed through a comparison ofdifferent materials and manufacturing methods. The concept incorporates a compression moldedcarbon-epoxy material known as forged carbon fiber. Due to the lack of information about forgedcarbon fiber, 4-point flexural testing was conducted to determine mechanical properties. The elasticmodulus was determined to be 25670MPa, and the characteristic strength was determined to be191MPa. A finite element analysis was conducted in Abaqus to investigate the proposed structuralconcept. The viability of forged CFRP as a structural material was compared with more traditionalmaterials. It was found that the strength of forged CFRP was not adequate for this first design. Asecond design iteration was developed, and forged CFRP this design succeeded with a safety factorof 1.33. Based on the successful design, 60%-scale prototype parts were made of a forged carbonfibre mounting plate and fuselage. The parts were compression molded in 3D printed PLA moldingtools. The molding process was successful, but the parts could not be considered fit for commercialapplications. It was concluded that the design concept and manufacturing process has the potentialfor creating inexpensive, lightweight parts. However, better manufacturing equipment is needed toachieve a commercial standard. It was also hypothesized that better mechanical properties couldbe achieved with solid, permanent molds. However, the manufacturing process used in this thesiswas deemed an efficient way of prototyping parts. Further research should aim at using industrystandardmanufacturing equipment to explore the full potential of compression forging and therelated mechanical properties.