Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Optimal configuration of the mechanical structure and flap actuator for hydrofoils
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.), Machine Design (Div.).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Optimal konfiguration av roder och klaffställdon för bärplan (Swedish)
Abstract [en]

Hydrofoil vessels are becoming more popular and driving marine development forward. Since the water friction is greatly reduced, they allow achieving higher speeds and electrification of the boats. FoilCart is a full electric active controlled hydrofoil boat designed as a research project at KTH. The small version of this boat is considered to be designed in this thesis and an optimal configuration for the mast and rudder of the boat is studied. The study is prone to be used as a basis for hydrofoil wing and flap design and includes research on small electromagnets. The design and dynamics of the hydrofoils are adapted from aeronautics. An idea of a morphing airplane wing has been successfully tested and now evaluated for the hydrofoil application. An electromagnetic actuator is proposed for the actuation of the rudder as competitor to typically used once. This study finds the optimal combination of an actuator and mechanical structure comparing classical actuator (servo) with electromagnetic actuator and classical structure (hingetype) with morphing structure. Those four configurations are evaluated with respect to energy usage, response time, volume of the solution and maximal rudder force. Workflow of the thesis is divided to four main parts: calculations of the hydrodynamic forces to realize the peak torque that the rudder will need to withstand in water, CAD design of each evaluated configuration (including material and actuator studies), prototype manufacturing for the verifications, summary of the information and presentation according to evaluation parameters. The study is concluded with an optimal choice of the configuration with respect to different factors. Servo actuator in combination with hinge-typed structure is most optimal in terms of energy efficiency. The most compact configuration is electromagnetic actuator in combination with hinge-type structure. Maximal rudder force is supplied by the servo meanwhile fastest response is achieved by electromagnetic actuator. Due to better hydrodynamic characteristics, maximal rudder force and compact volume, a configuration of morphing structure and servo actuator is recommended for implementation for miniaturized version of FoilCart vessel. Implementation means a first step to apply morphing structures into marine applications. Each configuration has its own strength and weakness and therefore all four are to be carefully studied before choosing an actuator / structure according to the application.

Abstract [sv]

Bärplansfartyg blir mer och mer populära och driver marinutvecklingen framåt. Bärplan tillåter högre hastigheter att nås och elektrifiering av båtar eftersom friktionen minskar kraftigt. FoilCart är en elektrisk aktivt kontrollerad bärplansbåt som är framtagen av ett forskningsprojekt på KTH. En mindre version av fartyget är under utveckling och den här studien undersöker valet av optimal design för mast och roderkonstruktionen. Rapporten kan också användas som underlag för bärplans vingdesign och för projekt där små elektromagneter är inblandade. Designen och dynamiken av bärplan kommer ursprungligen från flygplansbranschen. Idén av en böjlig, morfande vinge har redan implementerats på flygplan och ska nu testas i vatten. Förutom detta evalueras även ett föreslaget elektromagnetiskt ställdon för aktueringen av rodret. Studien hittar den mest optimala konfigurationen av en mekanisk struktur och ett ställdon. Klassisk struktur (gångjärnstypen) jämförs med den morfande strukturen och det klassiska servot jämförs med den elektromagnetiska aktuatorn. I kombination med varandra formar de två strukturerna och två aktuatorerna fyra konfigurationer som evalueras med avseende på responstid, energiförbrukningen, volymen av lösningen och den maximala roderkraften. Arbetsprocessen är uppdelad i fyra huvuddelar. Hydrodynamiska beräkningar för att få ut momentet som rodret behöver motstå. CAD design av varje konfiguration, inkluderande strukturella- och aktuatorstudier. Tillverkning av prototyper för att verifiera teoretiska resultat. Summering och presentation av informationen med avseende på evalueringsparametrar. Slutsatserna av studien visar optimal konfiguration mot respektive evalueringsparameter. Servo i kombination med den klassiska gångjärnsstrukturen är mest energieffektiv. Den elektromagnetiska aktuatorn tillsammans med gångjärnsstrukturen har minst volym. Servo tillför den maximala roderkraften och den elektromagnetiska aktuatorn har snabbast responstid. Författaren rekommenderar kombinationen av servot och den mofrande strukturen för implementering vid utveckling av det mindre FoilCart fartyget. Kombinationen har stora hydrodynamiska fördelar, högst maximal roderkraft och liten volym. Implementeringen skulle innebära ett första steg för utvecklingen av morfande struktur inom bärplan. Varje konfiguration har sina för- och nackdelar och därför ska noga undersökas vid val av struktur / aktuator i andra applikationer.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 35
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:587
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-263032OAI: oai:DiVA.org:kth-263032DiVA, id: diva2:1366053
Subject / course
Machine Design
Educational program
Degree of Master
Presentation
2019-09-01, 00:00
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-10-28 Created: 2019-10-28 Last updated: 2019-10-28Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2250 kB)8 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2250 kBChecksum SHA-512
e706f53d32b3fd353be149cd05855d8b1b27125ee099c053ab518043702d51d79121f6031292be545c7688afc5db918fa6a3f7990167e1ad8cf43df72311c061
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Machine Design (Div.)
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 8 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 43 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf