Design and Analysis of Metallic Foil Solutions for a High-Speed Hydrofoiling Ferry

Abstract

Denne oppgaven vurderer muligheten for å bruke metalliske materialer, spesifikt titan og stål, på hydrofoilene til ZeFF 180-EL-fartøyet utviklet av LMG Marin. ZeFF 180-EL er en hurtiggående, batteridrevet hydrofoilferge, hvor hydrofoilene for øyeblikket er konstruert av komposittmaterialer. Hovedmålet med oppgaven var å vurdere den strukturelle integriteten ved bruk av metalliske materialer til å designe slankere foilprofiler, ved å benytte Finite Element Method (FEM). De hydrodynamiske egenskapene ble også vurdert gjennom forenklede ytelsesanalyser og Computational Fluid Dynamics (CFD).

Innledende strukturanalyser indikerte at hydrofoiler av titan og stål kunne tåle operasjonelle belastninger samtidig som de opprettholdt en slank profil. Von Mises spenningsanalyse viste at spenningsnivåene for begge materialene forble godt under deres respektive flytespenninger med realistiske platetykkelser. Stål viste lavere deformasjoner på grunn av sin høyere stivhet; imidlertid øker den høyere tettheten også vekten. I kontrast gjør titans høye styrke-til-vekt-forhold det til et attraktivt alternativ til tross for høyere deformasjoner, spesielt hvis designmodifikasjoner som øker stivheten blir implementert i fremtidige iterasjoner. Integrering av langsgående stivere anbefales for ytterligere å forbedre strukturell integritet og redusere deformasjoner. Fremtidige designiterasjoner bør også vurdere dynamiske analyser og utmattelsesanalyser for å sikre langvarig holdbarhet.

Hydrodynamiske analyser ved bruk av CFD viste at de slankere hydrofoil-designene i titan hadde redusert interaksjon mellom for- og bak-hydrofoilene, noe som førte til neglisjerbare løfttap og forbedret effektivitet. Spesielt viste t80 hydrofoil-designet den laveste motstandskraften, noe som reduserte kraftbehovet og energiforbruket betydelig. Disse forbedringene resulterer i forlenget operasjonell rekkevidde, lavere driftskostnader og økt levedyktighet for elektriske ferger. Transiente CFD-simuleringer for å fange opp tidsavhengige strømningsforhold anbefales for å verifisere dette.

Avslutningsvis støtter denne studien bruken av titan for hydrofoil-konstruksjon i hurtiggående elektriske ferger, med vekt på behovet for strukturelle forbedringer og optimaliseringsteknikker. Funnene bidrar til utviklingen av mer effektive og bærekraftige hydrofoil-design, som adresserer både strukturelle og hydrodynamiske utfordringer.

This thesis evaluates the feasibility of using metallic materials, specifically titanium and steel, for the hydrofoils of the ZeFF 180-EL vessel developed by LMG Marin. The ZeFF 180-EL is a high-speed, battery-powered hydrofoiling ferry, with hydrofoils currently constructed from composite materials. The primary objectives were to assess the structural integrity of using metallic materials to design more slender foil profiles, utilizing the Finite Element Method (FEM). The hydrodynamic properties were also assessed through simplified performance analysis and Computational Fluid Dynamics (CFD).

Initial structural analyses indicated that titanium and steel hydrofoils could withstand operational loads while maintaining a slender profile. The von Mises stress analysis showed that stress levels for both materials remained well below their respective yield stresses with realistic plate thicknesses. Steel demonstrated lower deflections due to its higher stiffness; however, its higher density increases weight. In contrast, titanium's high strength-to-weight ratio makes it an attractive alternative despite its higher deflections, particularly if stiffness-enhancing design modifications are made for future iterations. The integration of longitudinal stiffeners is recommended to enhance structural integrity further and reduce deflections. Future design iterations should consider dynamic and fatigue analyses to ensure long-term durability.

Hydrodynamic analyses using CFD revealed that the slimmer titanium hydrofoil designs exhibited reduced interaction between the fore and aft hydrofoils, leading to negligible lift losses and improved efficiency. The t80 hydrofoil design, in particular, demonstrated the lowest drag force, significantly reducing power requirements and energy consumption. These improvements translate to extended operational range, lower operational costs, and enhanced viability for electric ferries. Incorporating transient CFD simulations to capture time-dependent flow behaviors is recommended to verify this.

In conclusion, this study supports the use of titanium for hydrofoil construction in high-speed electric ferries, emphasizing the need for structural enhancements and optimization techniques. The findings contribute to developing more efficient and sustainable hydrofoil designs, addressing both structural and hydrodynamic challenges.