Tillverkning av komponenter för robotsegelbåt
Tillverkning av komponenter för robotsegelbåt Christian Gröndahl Fridolf Holmström Högskolan på Åland serienummer 23/2015 Maskinteknik Mariehamn 2015 ISSN 1458-1531 Mariehamn 2009 ISSN 1458-1531 Examensarbete Högskolan på Åland Utbildningsprogram: Författare: Arbetets namn: Handledare: Uppdragsgivare: Maskinteknik Christian Gröndahl, Fridolf Holmström Tillverkning av komponenter för robotsegelbåt Kenneth Andersson Ronny Eriksson Abstrakt: Detta examensarbete har utförts på begäran av Åland Sailing Robots och är en del av tillverkningen av en ny robotsegelbåt som går under namnet MiniFlyer. Uppgiften var att tillverka roder, köl och staginfästningar för riggen till denna båt. En stor del av arbetet är praktiskt och eftersom designen på både roder och köl är relativt komplex gick det åt mycket tid för att färdigställa dessa. Beräkningar på krafter som kan påverka roder, köl och rigg har utförts för att få reda på hur kraftig styranordningen skall vara och även ur hållfasthets synvinkel. Beräkningarna är dock kraftigt beroende av skrovets hastighet genom vatten samt av väder och vind men ger en överblick på hur stora krafter båten kan tänkas utsättas för. Nyckelord (sökord): Åland Sailing Robots, sailing robot, tillverkning, köl, roder, stagfäste Högskolans serienummer: ISSN: Språk: Sidantal: 23/2015 1458-1531 Svenska 50 Inlämningsdatum: Presentationsdatum: Datum för godkännande: 22.05.2015 20.05.2015 24.05.2015 Degree Thesis Högskolan på Åland / Åland University of Applied Sciences Study program: Author: Title: Academic Supervisor: Technical Supervisor: Marine engineering Christian Gröndahl, Fridolf Holmström Manufacturing of Components for Robotic Sailboat Kenneth Andersson Ronny Eriksson Abstract: This degree thesis has been carried out at the request of Aland Sailing Robots and is part of the production of a new robot sailing boat that goes under the name MiniFlyer. The task was to manufacture rudder, keel and brace fastenings for the rig of this boat. A large part of the work is practical and because the design of both rudder and keel are relatively complex, it took a lot of time to complete them. Calculations of forces that can affect the rudder, keel and rig have been done to find out how strong the steering device shall be and also from a materials point of view. However the calculations are heavily dependent on the hull speed through water and the weather, but gives an overview of how large forces the boat might be exposed to. Key words: Åland Sailing Robots, Sailing Robot, manufacturing, keel, rudder Serial number: ISSN: Language: Number of pages: 23/2015 1458-1531 Swedish 50 Handed in: Date of presentation: Approved on: 22.05.2015 20.05.2015 24.05.2015 INNEHÅLL 1. 2. 3. 4. INLEDNING ........................................................................................................... 7 1.1. Ämnesval ........................................................................................................... 7 1.2. Syfte ................................................................................................................... 8 1.3. Avgränsningar .................................................................................................... 8 FÖRARBETE ......................................................................................................... 9 2.1. Åland Sailing Robots ......................................................................................... 9 2.2. The Microtransat Challenge............................................................................... 9 2.3. World Robotic Sailing Championship 2014 .................................................... 10 2.4. Segelbåtens komponenter ................................................................................ 11 2.4.1. Roder ........................................................................................................ 11 2.4.2. Köl ............................................................................................................ 13 2.4.3. Rigg .......................................................................................................... 13 2.4.4. Stagfästen ................................................................................................. 14 DESIGN ................................................................................................................. 15 3.1. Roder ................................................................................................................ 15 3.2. Köl ................................................................................................................... 16 3.3. Stagfästen ......................................................................................................... 18 BERÄKNINGAR .................................................................................................. 20 4.1. Roder ................................................................................................................ 20 4.1.1. Kraft alstrad av roder ................................................................................ 20 4.1.2. Roderinfästning ........................................................................................ 22 4.2. Köl ................................................................................................................... 24 4.2.1. Scenario 1 ................................................................................................. 25 4.2.2. Scenario 2 ................................................................................................. 28 4.3. Rigg .................................................................................................................. 30 4.3.1. Krafter i seglet .......................................................................................... 30 4.3.2. Krafter i stag ............................................................................................. 33 4.4. Stagfästen ......................................................................................................... 33 5. MATERIAL .......................................................................................................... 35 6. TILLVERKNING................................................................................................. 36 6.1. 6.1.1. Hjärtstock ................................................................................................. 36 6.1.2. Roderblad ................................................................................................. 38 6.2. Köl ................................................................................................................... 39 6.2.1. Kölprofil ................................................................................................... 40 6.2.2. Gjutning av bly ......................................................................................... 42 6.2.3. Toppen ...................................................................................................... 43 6.2.4. Ytbehandling ............................................................................................ 46 6.3. 7. Roder ................................................................................................................ 36 Stagfästen ......................................................................................................... 48 SLUTSATS ............................................................................................................ 49 KÄLLOR ....................................................................................................................... 50 BILAGOR ..................................................................................................................... 51 Bilaga 1: Ritning, köl bottenplåt Bilaga 2: Ritning, köl sidoprofil Bilaga 3: Ritning, köl topplåt Bilaga 4: Ritning, roder Bilaga 5: Ritning, stagfäste Bilaga 6: Hållfasthetstabell för glasfiber Bilaga 7: Hydrostatiska tabeller för MiniFlyer Bilaga 8: Beräkningar: Köl Bilaga 9: Beräkningar: Roder Bilaga 10: Beräkningar: Rigg Bilaga 11: Beräkningar: Stagfästen FÖRORD Till att börja med vill vi tacka vår handledare Kenneth Andersson för hjälp och idéer kring arbetet och vice rektor Ronny Eriksson som tilldelade oss arbetet och även gav sina synpunkter och idéer. Därtill vill vi tacka Båthuset i Mariehamn för de praktiska råd de gett oss samt försett oss med en hel del material som använts vid tillverkningen. Vi vill även rikta ett stort tack till Karl-Johan Stråhlmann som inte bara försett oss med data för beräkningar utan han har även besvarat diverse frågor som uppkommit under arbetets gång. 6 1. INLEDNING Detta examensarbete är en del av projektet Åland Sailing Robots som är grundat av Högskolan på Åland. Examensarbetet handlar i huvudsak om planering samt tillverkning av roder och köl men även fastsättning av rigg behandlas. Dessa ska sedan appliceras till en båt som byggs från grunden och går under namnet MiniFlyer. Praktiska arbeten genomfördes i skolans utrymmen samt hos Båthuset i Mariehamn eftersom de där har kunskap inom området och även tillverkar egna segelbåtar med märket Finn Flyer. 1.1. Ämnesval Själva idén för arbetet kom från vår vicerektor som redan tidigare har haft mycket att göra med robotsegling och vi valde att jobba med detta ämne av flera orsaker. Den första och antagligen den största orsaken är att ingen ännu har lyckats korsa Atlanten med en autonom segelbåt. Flera studerande från olika länder har försökt och vissa har även kommit en bra bit för att sedan vara tvungna att avbryta, antingen på grund av att kontakten med båten förlorats, eller som i ett fall där segelbåten blev påkörd av en större fiskebåt. En annan orsak varför vi valde detta projekt är att det är ett helt nytt ämne för oss båda, men även något som vi båda är väldigt intresserade av. Att designa roder och köl kräver avancerade beräkningar eftersom deras form samt vikt är väldigt beroende på hur skrovformen ser ut samt hurudana egenskaper man önskar att segelbåten skall ha. Idéerna för hur köl och roder ska se ut kommer vi att fundera på men deras slutliga design kommer att göras av Karl-Johan Stråhlmann. Han är en känd båtdesigner och har även designat flera båtar för Finn Flyer. (Stråhlmann, 2015) Projektet är relativt stort och involverar flera studerande från olika program, bland annat sjökapten, elteknik, informationsteknik samt maskinteknik. Flera studerande från respektive program har sina egna uppgifter inom projektet. 7 1.2. Syfte Som namnet ”Sailing Robot” antyder handlar detta om en segelbåt vars uppgift är att kunna segla på egen hand. Syftet med hela detta projekt är att se ifall det överhuvudtaget är möjligt att tillverka en segelbåt vilken självmant kan segla över Atlanten utan mänsklig övervakning eller styrning. Konceptet kommer med stor sannolikhet även att implementeras inom sjöfarten med tanke på hur besättningen ombord minskas för att skära ned på bemanningskostnaderna. I samband med att ingen besättning finns ombord så behövs inga utrymmen för dem och det är då möjligt att bygga lättare fartyg vilket resulterar i mindre förbrukat bränsle. (Rolls-Royce, 2015) 1.3. Avgränsningar Vår uppgift är att tillverka köl, roder samt stagfästen för riggen. Eftersom skrovet, vars komponenter som vi bygger och behandlar i detta examensarbete, inte är klart leder det till att vi inte tar upp installation av dessa. 8 2. FÖRARBETE Segling kräver kunskap och kunnande men robotsegling kräver ändå mera kunskap och teknik. Teorin om seglingen är enkel, vinden driver segelbåten framåt men för att fånga vinden med minsta möjliga motstånd krävs kunnande och erfarenhet. Atlanten i sig medför flera utmaningar eftersom avståndet till närmsta hamn är långt och vädret kan ändras snabbt, vilket kan leda till att båten utsätts för stora påfrestningar. 2.1. Åland Sailing Robots Projektet Åland Sailing Robots grundades av Högskolan på Åland i januari 2013. Sedan dess har projektet sakta men säkert gått framåt och projektet har involverat studerande från olika program. Skrovet tillverkas av två studerande från sjökaptensprogrammet medan styrprogrammet, som kommer att hålla båten på rätt kurs, har utvecklats av studerande från informationsteknikprogrammet. Målen för projektet är följande: - Detta år (2015) är det tänkt att båten ska segla mellan Finland och Sverige. - År 2016 skall båten utföra den längsta robotseglingen någonsin inom Östersjön. - År 2017 skall det första försöket att korsa Atlanten göras. 2.2. The Microtransat Challenge The Microtransat Challenge, eller mikrotransatlantiska utmaningen är en tävling för autonoma segelbåtar som är under fyra meter långa och kapabla att korsa Atlanten utan mänsklig interaktion. Detta fick sin början år 2005 av doktor Mark Neal från Aberystwyth universitet samt doktor Yves Brier från ISAE-institutet i Frankrike. Innan själva tävlingen ordnades mindre evenemang för att testa båtarna. Det första ordnades 2006 nära Toulouse, Frankrike. Tre team deltog i detta evenemang och följande ordnades 2007 vid kusten av Aberystwyth, Wales, för att ge en uppfattning om hur det är att segla på öppet hav, fyra team deltog. Den första officiella tävlingen ordnades 2010 och startpunkten för tävlingen till Irland. Fyra team hade anmält sig till tävlingen men endast ett team deltog. Efter detta har det årligen ordnats en tävling. (The Microtransat Challenge, 2015) 9 Seglingsklassen tillåter endast vindkraft som framdrivning och skrovets vattenlinjelängd är begränsad till fyra meter. Det tillåts inte att ändra destination eller att skicka information till båten som kan ändra dess kurs. Allmän information såsom väder- och vinddata kan mottas och behandlas ombord på båten. (The Microtransat Challenge, 2015) 2.3. World Robotic Sailing Championship 2014 Mästerskapen för robotsegling har uppkommit efter mikrotransatlantiska utmaningen och är öppen för alla obemannade robotsegelbåtar upp till fyra meters längd. Tävlingen består av flera mindre utmaningar där b.la hastighet, navigeringsförmåga och uthållighet testas. Med uthållighet i detta sammanhang handlar det om att den som är sist kvar i tävlingen där segelbåten fortfarande seglar på egen hand vinner, dock avslutas tävlingen om flera team klarar sig över en viss tid. Mästerskapen år 2014 hölls i Galway, Irland den 7-13 september 2014. Vår skola deltog i tävlingen med en liten radiostyrd segelbåt som syns i figur 1 nedan, ombyggd och utrustad med dator, styranordning, GPS, vindsensor osv. som krävs för robotsegling. Teamet bestod av lärare och några studerande som är involverade i detta projekt. En av oss hade även möjlighet att delta i detta evenemang. Figur 1 Skolan deltog med denna båt i mästerskapstävlingarna. 10 Första dagen hölls ett seminarium där studerande från flera skolor presenterade sina båtar och andra ämnen som berör robotsegling, såsom styrkretsar, utrustning och idéer där robotsegling kan implementeras. En intressant idé som presenterades på seminariet var ett scenario där en segelbåt bogserar ett tungt föremål en lång sträcka och manövreringen sköts av en dator. I detta fall är segelbåten dock mycket större men fungerar enligt samma princip. Resten av veckan bestod av en tävling per dag, eftersom tiden det tar för att segla en viss sträcka kan uppgå till flera timmar och det behövs oftast lite service samt test av systemet innan tävlingen. Detta var första gången som båten testades på allvar, innan hade endast korta tester utförts. I början fanns det en massa datorrelaterade problem samt kabelproblem. Detta fixades dock relativt snabbt på hotellet och innan tävlingarna fanns det lite tid över för tester. Slutligen när det mesta var fixat så fick vi äntligen båten i vattnet och kunde börja segla. Båten reagerade fint och började segla mot rätt kurs men efter ett tag slutade den reagera och kontakten förlorades. Båten plockades upp och det kunde snabbt konstateras att den hade tagit in vatten. En bottenplugg för dränering hade lossnat vilket var orsaken till detta. En del datorkomponenter behövde bytas ut och en grundlig torkning av systemet utfördes. Nästa dag var allting igång igen och båten gjorde några fina seglingar trots den hårda vinden som ställde till med en hel del problem. 2.4. Segelbåtens komponenter Segelbåten består av många komponenter och de som vi behandlar och tillverkar för MiniFlyern beskrivs i korthet nedan. 2.4.1. Roder Rodret har en mycket viktig funktion på en segelbåt. Detta har till uppgift att generera en sidokraft för att ge båten ett vridande moment, dvs. att styra båten. Rodret till en båt påminner om vingprofilen hos flygplan. Skillnaden är att vingprofilen skall ge en lyftkraft uppåt medan rodret skall ge lika mycket kraft åt båda sidorna och är därför symmetriskt. Illustrering av skillnaden mellan krafterna som bildas av flygplansvinge och roder ses i figur 2 nedan, åstadkoms med programmet VisualFoil. (Hanley Innovations, 2015) 11 Figur 2 Illustrering av krafterna som bildas av en flygplansvinge (övre) och roder (nedre). (Hanley Innovations, 2015) I figur 3 nedan kan ses att rodret, likt flygplansvingen har en anfallsvinkel mot anströmmande medium vilket i detta fall är vatten. Det eftersträvas att få en stor kraft som hjälper till att svänga båten men samtidigt en så liten motståndskraft som möjligt. Figur 3 Hur anfallsvinkeln bestäms utgående från det anströmmande mediet. 12 2.4.2. Köl Det viktigaste med kölen är dess vikt och design. Den skall hålla båten upprätt, alltså hindra båten från alltför stor krängning vid hård vind och även hindra segelbåten från att driva i sidled. Ifall båten av någon orsak skulle hamna upp och ner så måste kölen vara så tung att den svänger båten på rätt led igen. Kölen kommer att vara specialbyggd för detta ändamål eftersom båten är designad från grunden och inte har tillverkats tidigare. Design är också viktig eftersom det inte önskas att båten skall fastna i fiskenät eller dylikt som flyter runt på Atlanten. 2.4.3. Rigg Riggen består av mast och segel. Eftersom Åland Sailing Robots äger en Mini-12, vilket är en segelbåt i motsvarande storlek, är det lämpligast att använda riggen från denna. Arean på Mini-12 segel är ungefär 5 m2 och MiniFlyern är designad för att använda ett lika stort segel, större segel skulle utsätta båten för höga belastningar vid hård vind. Genom att använda en befintlig rigg sparas även en hel del pengar eftersom det är dyrt att beställa nytt. Planering av köl och mastplacering har gjorts utgående från Mini-12:ans rigg. När det kommer till placering av riggen i längdriktning är det några faktorer som bör tas i beaktande: Ifall riggen placeras för långt akterut kommer detta leda till att båten blir lovgirig vilket betyder att vid hård vind kommer fören att lyftas upp, vilket i sin tur leder till stora roderutslag för att hållas på rätt kurs. Placeras masten för långt förut kommer detta att göra båten fallgirig. Detta betyder att vid hård vind kommer fören tryckas ner, vilket leder till att båten faller, det vill säga förstäven kommer att vända sig bort från vinden. Vid bestämning av mastens placering måste även kölens placering tas i beaktande. Detta eftersom kölens vikt är så stor att små ändringar i längdriktning kommer att ändra på båtens tyngdpunkt. 13 2.4.4. Stagfästen Ett stagfäste är som namnet säger en fästpunkt för riggens stag. Stagens uppgift är att hålla riggen på plats i alla riktningar även fast vinden tilltar betydligt. För fastsättning av fästet så fräses ett spår genom båtens däck, i vilket staget sedan sänks ner i och skruvas fast i skrovets längs- och tvärgående skott. Det finns sex stag på riggen och dessa behöver varsitt fäste. Ett stag föröver, ett akterut samt fyra midskepps, illustrering av hur detta ser ut kan ses i figur 4 nedan. Figur 4 Illustrering av stagens placering. 14 3. DESIGN Designen för roder och köl är gjorda av Karl-Johan Stråhlmann men vi har gjort små förändringar för att underlätta tillverkningen av dessa. Stagfästens design kopierade vi från en större segelbåt och förminskade dem för att bättre passa ihop med MiniFlyern. 3.1. Roder Rodrets design var från första början meningen att kopieras rakt av från Mini-12 och enbart förstora upp detta en aning. Efter ett tag konstaterades det dock att framkantens profil var alltför rak vilket skulle innebära en risk för att skräp, växter och dylikt lätt kunde fastna runt rodret. Detta ledde till att rodret fick en annorlunda design. Framkanten blev nu rundad längre ner mot spetsen, vilket gör det lättare för skräp att helt enkelt glida under rodret. Själva hjärtstocken är en stålaxel med fyra flatstål fastsvetsade i denna för att förhindra roderbladet att vridas runt hjärtstocken. Dessutom, eftersom roderbladet avsmalnar längre ner mot ändan, måste axelns diameter minska successivt för att denna skall rymmas inuti bladet. Rodret illustreras i figur 5 nedan. Figur 5 Rodret som består av hjärtstock och roderblad. 15 Figur 6 Roderbladets genomskärning sett uppifrån. Figur 6 ovan är en genomskärning av rodret som har tagits från dess ritning. Framkanten på rodret skall vara rund och området vid hjärtstocken skall vara aningen tjockare och avta mot bakkanten som skall vara näst intill vass, för att minimera risken för turbulens efter rodret. 3.2. Köl Kölens design var ett av det mest tidskrävande besluten i projektet. Detta eftersom kölen skall vara så slank som möjligt för att förhindra skräp och dylikt att fastna. Den första designen skulle ha varit en helt traditionen köl med bulb men risken är stor för att någonting lätt skulle kunna fastna runt den. En annan version som diskuterades var en så kallad ”L-bulb” vilket betyder att bulben endast sticker ut vid kölens bakkant och därmed lämnar framkanten slät och minimerar risken för att någonting fastnar. Denna idé slopades dock relativt snabbt och det var främst av tillverkningsskäl. Vi skulle ha varit tvungna att beställa bulben av ett gjuteri vilket kostar pengar och vår andel i tillverkningen av kölen skulle därmed ha minskats. Denna design skulle ha varit mer komplex och exempel på hur detta skulle ha sett ut syns i figur 7 nedan. Figur 7 Tidigt förslag på kölens design, med bulb i nedre änden av kölbladet. 16 Ett antal andra former för kölen/bulben diskuterades även men av tillverkningsskäl slopades de. Slutligen kom vi fram till en design som var både lätt och billig att tillverka, denna design syns i figur 8 nedan. Bulben slopades helt och istället bestämdes det att fylla upp nästan hela kölen med bly och det kvarvarande tomma utrymmet med epoxi. Detta sparade oss såväl tid som pengar eftersom ingen bulb nu behövde beställas från ett gjuteri. Profilen för kölen skall hållas konstant hela vägen och tillverkas så att den lutar 7° framåt för att eventuellt skräp skall kunna glida under kölen. Figur 8 Slutliga designen på kölen som används till MiniFlyern. 17 Efter att kölens design var bestämd var följande steg att bestämma hur den skulle byggas. Karl-Johan Stråhlmann gav ett par förslag på hur kölen kan tillverkas. Förslagen kan ses i figur 9 nedan. Version 1 består av stålprofiler vilka är svetsade ihop med varandra. Nackdelen med denna version är att slutbehandlingen av produkten kräver mycket arbete för att få ytan jämn och slät. Därför använde vi oss av version 2 eftersom denna består av två plåtar som är bockade och svetsas fast i varandra. Detta ger en färdig profil som endast kräver lite ytbehandling för att fylla igen eventuella gropar och spår. Figur 9 Två olika alternativ hur kölen skall byggas. Den nedre, version 2 valdes för att lättare kunna forma och ytbehandla den slutliga produkten. (Stråhlmann, 2015) 3.3. Stagfästen Idén för hur dessa stagfästen skall se ut kom från Båthuset i Mariehamn. Designen som beslöts att användas är från en Finn Flyer 32 (se figur 10). Dessa stag är dock väldigt stora och skalades därför ned en aning. Figur 10 Stagfäste tillhörande en båt av modell Finn Flyer 32. 18 Stagfästets tre hål med mindre diameter är till för fastsättning i skrovet medan rundade änden med större hål är till för fastsättning av vantskruven som är avsedd att spänna vajern. Designen på stagen till MiniFlyern blev som sagt relativt lika som för en Finn Flyer 32, dock lite mindre för att bättre passa ihop med MiniFlyern (se figur 11). Figur 11 Designen på stagfäste för MiniFlyern. 19 4. BERÄKNINGAR Vid optimala förhållanden skall segelbåten kunna uppnå en hastighet på 6 knop. Beräkningarna är gjorda enligt ”worst case scenario” för att säkerställa att båten klarar resan med belastningar den kan tänkas utsättas för under resan över Atlanten. De hållfasthetsvärden som vi använt för glasfiber är enligt ISO-standard (se bilaga 6). Diverse beräkningar finns som bilaga. 4.1. Roder De beräkningar vi gjort på rodret är för att se hur stor kraft denna kan tänkas utsättas för vid manövrering och därmed kunna bestämma valet av styrcylinder. Cylindern har till uppgift att vrida rodret och får sin information från en dator som sköter manövreringen. 4.1.1. Kraft alstrad av roder Eftersom rodret är en vingprofil och har modellerats som en NACA 0012-profil enligt dess bredd och tjocklek. NACA står för ’National Advisory Committee for Aeronautics’ och var en amerikansk myndighet som utförde aeronautisk forskning. De utvecklade flera olika serier med vingprofiler som används än idag och skapade även standarden för att beskriva formen hos vingprofiler. Myndigheten upplöstes i slutet av 1958 då forskningen fick en ny inriktning. Deras tillgångar samt personal förflyttades till det nyligen grundade NASA (National Aeronautics and Space Administration). (Aerospaceweb, 2015) Genom att använda programmet JavaFoil kan NACA-profilens koordinater erhållas, vilket ger vingprofilens lyft- och motståndskoefficienter, cL och cD (Hepperle, 2015). Rodret genererar en nyttig kraft L och en motståndskraft D. För att kunna beräkna dessa krafter behövs även rodrets area S och vetskap om vilken hastighet vattnet träffar rodret ν samt densiteten på vattnet ρ. Krafterna för rodret beräknas enligt (Wikipedia, 2015), 1 1 𝐿 = 2 𝜌𝜈 2 𝑆𝑐𝐿 och 𝐷 = 2 𝜌𝜈 2 𝑆𝑐𝐷 När ovanstående krafter är kända så kan den intressanta kraften, den som är vinkelrät mot skrovets centerlinje F⊥ beräknas och den kraften används senare för att räkna ut hur 20 stort det roterande momentet runt axeln blir. Den vinkelräta komposanten F⊥ beräknas enligt (Dahlberg, 2010), 𝐹⊥ = 𝐿 ∙ 𝑐𝑜𝑠 ∝ + 𝐷 ∙ 𝑠𝑖𝑛 ∝ Illustration av hur kraften uppstår av rodret ses i figur 12 nedan. Figur 12 Illustration av den vinkelräta roderkraften. Beräkningen är gjord för en hastighet på 6 knop i vatten (6 knop är 3,09 m/s eller 11,11 km/h). Resultatet av beräkningen visas i figur 13 nedan. Figuren visar hur den vinkelräta komposanten F⊥ som funktion av rodrets anfallsvinkel mot vattenströmmen varierar. Roderkraften som funktion av anfallsvinkeln i 6 knop 600 Roderkraft, F⊥ [N] 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Anfallsvinkel, α [grader] Figur 13 Den vinkelräta roderkomposanten som funktion av anfallsvinkeln i 6 knops hastighet. 21 20 Från figur 13 ovan kan ses att den största kraft rodret utsätts för är 560 N. Denna kraft verkar i roderbladets areacentrum och för att få reda på hur stort vridmoment denna ger upphov till, måste det horisontala avståndet från areacentrumet till hjärtstockens centrumlinje mätas. När sedan längden på styrcylinderns hävarm bestämts att vara 200 mm på grund av det begränsade utrymmet inuti båten, kan drag- samt tryckkraften på styrcylindern beräknas med följande formel. 𝐹𝑠𝑡𝑦𝑟𝑐𝑦𝑙𝑖𝑛𝑑𝑒𝑟 = 𝐹𝑟𝑜𝑑𝑒𝑟 × 𝐿𝑟𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑎𝑟𝑒𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑢𝑚−ℎ𝑗ä𝑟𝑡𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑢𝑚𝑙𝑖𝑛𝑗𝑛𝑒 𝐿𝑠𝑡𝑦𝑟𝑐𝑦𝑙𝑖𝑛𝑑𝑒𝑟 ℎä𝑣𝑎𝑟𝑚 Resultatet från beräkningen blev att med en 200 mm hävarm krävs det att styrcylindern har en drag- samt tryckkraft på 190 N. För att sedan kunna ge ett roderutslag på 20° åt styrbord samt babord måste styrcylinderns slaglängd räknas ut med följande formel. 𝐿𝑠𝑙𝑎𝑔 = 𝜋 × 𝐿ℎä𝑣𝑎𝑟𝑚 × 𝛼𝑟𝑜𝑑𝑒𝑟𝑢𝑡𝑠𝑙𝑎𝑔 180 För att kunna göra ett roderutslag på 20° åt styrbord samt babord måste slaglängden på styrcylindern vara minst 140 mm. 4.1.2. Roderinfästning Glasfiberfogen runtom samt lagret som skall hålla rodret på plats tar upp kraften som alstras av rodret. Den maximala påkänningen är vid 10° roderutslag, med en kraft på 560 N (se figur 13 ovan). Utgående från detta måste glasfiberfogens bredd vid roderinfästningen bestämmas. Denna illustreras med rött i figur 14 nedan. Figur 14 Glasfiberfogen som behandlas i beräkningen är målad röd i figuren. 22 Formeln för att bestämma böjspänningen σb i fogen är enligt följande (Dahlberg, 2010). 𝜎𝑏 = 𝑀𝑏 𝐹 𝐿 = 𝐼𝑥 𝑊𝑏 𝑍 Mb står för böjmoment och Wb för böjmotstånd och dessa kan sedan delas upp ytterligare. F är kraften vid roderbladets areacentrum och L är avståndet från areacentrum till glasfiberfogen. Ix står för glasfiberfogens yttröghetsmoment och Z är avståndet från fogens areacentrum till den yttersta punkten på denna. Resultaten från beräkningarna redovisas i figur 15 nedan. Böjspänning som funktion av glasfiberfogens bredd 160 140 Böjspänning, σ [MPa] 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 Fogbredd [mm] Figur 15 Böjspänning som funktion av glasfiberfogens bredd. Eftersom maximala böjspänningen för glasfiber är 108 MPa enligt ISO-standard och med säkerhetsfaktor 3 är den tillåtna böjspänningen 36 MPa. Utgående från detta, ger det att den minsta användbara bredden på glasfiberfogen skall vara minst 4 mm. 23 4.2. Köl För kölen gjordes beräkningar på hur stora krafter som skulle uppstå ifall denna träffade tunga flytande föremål som t.ex. en container. Beräkningarna koncentrerades på det området där kölens infästningspunkt, ”kassett” är laminerad i skrovet med glasfiber eftersom detta område tar upp belastningen som bildas av de yttre påkänningarna som sedan överförs vidare till skrovet (se figur 16 och 17). Figur 16 Beräkningar utfördes på kölens infästningspunkt, illustreras med rött i figuren. Figur 17 Glasfiberfogen som behandlas i beräkningen illustreras med rött i figuren. 24 Kraften som riktas mot kölen vid kollision varierar kraftigt beroende på hur mycket båten kommer att vridas innan den stannar. Det är denna sträcka som dämpar kraften. Ju längre sträcka båten rör sig desto mindre kraft tas upp av kölen. För dessa beräkningar har ett ”worst case scenario” antagits, det vill säga att båten stannar efter den kortaste tänkbara sträckan, allt för att vara på den säkra sidan med tanke på hållfastheten. Beräkningar gjordes för två olika fall av kollisioner. Det första fallet skall simulera en grundstötning där kraften tas upp i nedre delen av kölen. I detta fall kommer det bildas ett böjmoment som resulterar i en spänning i glasfiberfogen mellan skrovet och kölinfästningen. 4.2.1. Scenario 1 För detta fall har hydrostatiska tabeller för MiniFlyern använts (bilaga 5). Utifrån dessa kan det sedan genom passningsberäkning fås ut hur stort förligt trim båten kommer få vid grundstötning samt hur stor kraft som riktas mot kölens spets. Denna kraft kommer sedan att skapa ett vridmoment och därmed en spänning vid kölinfästningens glasfiberfog, se figur 18. Figur 18 Illustrering av krafterna som uppstår vid grundstötning. 25 Utifrån spänningens storlek måste bredden på fogen bestämmas. Spänningen i fogen beräknas enligt följande formel (Dahlberg, 2010). 𝜎𝑏 = 𝑀𝑏 𝐹 𝐿 = 𝐼𝑥 𝑊𝑏 𝑍 𝑀𝑏 står för böjmoment vilket är produkten av kraften F riktad mot kölens spets samt avståndet L mellan kölspetsen samt glasfiberfogen. 𝑊𝑏 står för böjmotstånd och är kvoten av fogens yttröghetsmoment Ix samt avståndet från fogens areacentrum till den yttersta punkten på fogen. Beräkningarna gjordes för en hastighet på 6 knop och resultatet från beräkningarna redovisas i figur 19 nedan. Böjspänning som funktion av fogbredd vi grundstötning 90 80 Böjspänning, σ [Mpa] 70 60 50 40 30 20 10 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Fogbredd [mm] Figur 19 Böjspänning som funktion av fogbredd vid grundstötning.. Eftersom den tillåtna böjspänningen för glasfiber inklusive tre gångers säkerhetsfaktor är 36 MPa, blev den minsta användbara bredden på glasfiberfogen 2,5 mm. Vid samma grundstötning kommer det även att bildas skjuvspänningar vid aktre delen av kölinfästningen. För att hindra dessa från att skjuvspänningar blir alltför stora görs extra förstyvningar vid den aktre delen, se figur 20 nedan. 26 Figur 20 Illustrering av förtstärkningar som görs mellan skrov och köl syns med rött. Skjuvkraften mellan skrovet och förstyvningen beräknas med följande formel (Dahlberg, 2010). 𝐹𝑠𝑘𝑗𝑢𝑣 = 𝐹 × 𝐿𝑘ö𝑙 𝐻 Där F är kraften riktad mot kölens nedre spets, Lköl är avståndet från kölens nedre spets till glasfiberfogen samt H som är höjden från skrovet till kölens övre kant inklusive glasfiberlaminatets tjocklek denna sitter fast i. Sedan när denna kraft är känd kan den erforderliga arean på förstyvningen beräknas enligt formeln nedan (Dahlberg, 2010). 𝐴𝑓ö𝑟𝑠𝑡𝑦𝑣𝑛𝑖𝑛𝑔 = 𝐹𝑠𝑘𝑗𝑢𝑣 𝜏𝑡𝑖𝑙𝑙å𝑡𝑒𝑛 Resultaten från beräkningarna redovisas i figur 21 nedan. 27 Skjuvspänning vid grundstötning 100 90 Skjuvspänning, τ [MPa] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Glasfiberfogens area [mm²] Figur 21 Skjuvspänning som funktion av glasfiberfogens area runt kölinfästningen. Eftersom den tillåtna skjuvspänningen inklusive säkerhetsfaktor 3 för glasfiber är 22 MPa betyder detta att förstärkningens area måste vara minst 1000 mm2. 4.2.2. Scenario 2 Det andra fallet är ett scenario där båten kör upp på ett flytande objekt och all kraft tas upp av kölen i dess infästningspunkt. Vid detta fall kommer kraften att bidra till skjuvspänningar i glasfiberfogen, se figur 22. Figur 22 Illustrering av krafterna som uppstår då ett föremål träffar kölen vid infästningspunkten. 28 Utgående från skjuvspänningens storlek måste bredden på fogen bestämmas. Skjuvspänningen vid fogen beräknas enligt (Dahlberg, 2010). 𝜏= 𝐹 𝐴 F är kraften riktad vinkelrät mot fogen samt A är arean på fogen. Beräkningarna gjordes för en hastighet på 6 knop samt en stoppsträcka på 1 cm. Resultatet från beräkningen redovisas i figur 23 nedan. Skjuvspänning som funktion av fogbredd vid kolission 200 180 Skjuvspänning, τ [MPa] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fogbredd [mm] Figur 23 Skjuvspänning som funktion av fogbredd vid kollision. Den tillåtna skjuvspänningen för glasfiber inklusive tre gångers säkerhetsfaktor är 22 MPa, vilket leder till att den minsta bredden på glasfiberfogen som stadgar kölen är 8 mm. Detta är större bredd än det första fallet där minsta användbara bredd blev 3 mm och därför måste kölinfästningen byggas enligt detta scenario, vilket leder till att båten klarar av ännu större böjspänningar vid grundstötning, än vad scenario 1 baserades på. I verkligheten styvas dock hela kölinfästningen rejält upp med tvär- samt längsgående balkar vilket betyder att ifall en rejäl grundstötning sker kommer inte bara glasfiberfogen vid kölinfästningen att ge efter. Det är möjligt att hela skrovet akterom kölen trycks in och spricker. 29 4.3. Rigg Beräkningarna som är gjorda för seglet är kraftigt beroende av båtens fart genom vattnet, vindstyrka samt hur mycket båten kränger. Vid kraftig vind kränger båten mera vilket gör att stor del av vinden styrs över seglet och inte vinkelrätt mot segelytan. Det leder till att kraften som upptas av seglet minskar. Eftersom det inte finns någon besättning på båten som t.ex. kan minska segelytan, så är beräkningarna nedan gjorda för ett visst scenario. Det består av hård vind som lätt kan uppstå på Atlanten och ingen krängning för båten har antagits, detta för att kunna få en överblick på hur stora krafter seglet kan tänkas utsättas för och dimensionera komponenterna enligt dessa krav för att vara på den säkra sidan. 4.3.1. Krafter i seglet Segelbåtens segel påminner om en vingprofil. Likt vingprofilen har seglet en anfallsvinkel mot anströmmande medium vilket i detta fall är luft. Luften som strömmar runt och ned bakom seglet samt reaktionen till denna vinkling ger lyftkraften som kan delas upp i två olika krafter, lyftkraft och motstånd. Det eftersträvas att få så stor lyftkraft och en så liten motståndskraft som möjligt. Med hjälp av dessa krafter L ”lift” och D ”drag” kan sedan båtens framdrivningskraft beräknas. Med en stor lyft- och en liten motståndskraft, fås den största framdrivningskraften och det är denna som bidrar till båtens hastighet (WB-Sails, 2015). Vid segling kommer framdrivningskraften av luftströmmen bestå av olika kombinationer av vindar, den verkliga vinden och fartvinden (Dedekam, 1999). Verkliga vinden är den vind som blåser i seglet, på samma sätt som när båten står still. Fartvinden är den motgående luftström rakt framifrån som båten, och därmed seglet känner av. Vid ökande framfart spelar fartvinden stor roll eftersom det då bildas mera motstånd. Resultatet av verklig vind och fartvind är den skenbara vinden. Som tidigare nämnts generar seglet en lyftkraft och en motståndskraft. För att beräkna dessa krafter så används följande formel (Wikipedia, 2015). 1 1 𝐿 = 2 𝜌𝜈 2 𝑆𝑐𝐿 och 𝐷 = 2 𝜌𝜈 2 𝑆𝑐𝐷 30 Seglet genererar en nyttig kraft L och en motståndskraft D. För att kunna beräkna dessa krafter behövs även seglets area S, med vilken hastighet luften träffar seglet ν och luftens densitet ρ. Eftersom de dimensionslösa lyft- och motståndskoefficienterna (cL och cD) varierar mycket beroende på vind, anfallsvinkel och segeltyp så kommer ett referensvärde för dessa att användas. Exempel på hur dessa koefficienter förändras beroende på den skenbara vindens anfallsvinkel ses i figur 24 nedan (WB-Sails Ltd, 2015). Exempel på lyft och motståndskoefficienter för segel Lift Drag 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Den skenbara vindens anfallsvinkel [β] Figur 24 Exempel på lyft och motståndskoefficienter för ett segel som funktion av den skenbara vindens anfallsvinkel. (WB-Sails Ltd, 2015) Resultanten av seglets lyft och motståndskrafter ger framdrivningskraften som beräknas utgående från skrovets centerlinje. Framdrivningskraften F beräknas med följande formel (Dahlberg, 2010). 𝐹 = 𝐿 sin 𝛽 − 𝐷 cos 𝛽 Beräkningen är gjord för en skenbar vindhastighet på 20 m/s (20 m/s är 39 knop eller 72 km/h). Resultatet av beräkningen visas i figur nedan. Figuren visar hur framdrivningskraften varierar som funktion av den skenbara vindens anfallsvinkel. 31 Seglets framdrivningskraft som funktion av den skenbara vindens anfallsvinkel 2500 Framdrivningskraft [N] 2000 1500 1000 500 0 0 20 40 -500 60 80 100 120 140 160 180 Skenbara vindens anfallsvinkel [β] Figur 25 Seglets framdrivningskraft som funktion av den skenbara vindens anfallsvinkel. I figur 25 ovan syns det att då vinden blåser rakt framifrån med vinkeln 0-10° är framdrivningskraften negativ och leder till att båten drivs bakåt. Detta eftersom seglet inte kan uppta någon positiv kraft framifrån. Största kraften uppnås då den skenbara vinden blåser aningen akterifrån mot seglet. Sedan börjar kraften sakta avta. Illustration av krafterna i figur 26 nedan. Figur 26 Illustration av krafter som upptas av seglet. Dessa bildas av den skenbara vinden. 32 4.3.2. Krafter i stag Utgående från den framdrivande segelkraften som ses i figur ovan, kan sedan spänningen i respektive stag räknas ut. Den punkt där den uträknade segelkraften verkar är i seglets areacentrum. Denna kraft kommer att skapa ett vridande moment vid mastens genomföring i däcket. För att sedan räkna om vindens tvärkraft vid respektive stagfästpunkt i masten användes följande formel (Dahlberg, 2010). 𝐹= 𝑀 𝐻 F är den vindkraft som verkar horisontellt i stagets fästpunkt, M är det vridmomentet från vindkraften samt H är höjden från däck till den punkt där stagfästet sitter fast i masten. För att sedan räkna om denna tvärkraft till en kraft som verkar längs med staget måste avståndet från masten till staget mätas, varefter vinkeln mellan masten och staget kan beräknas. Utgående från denna vinkel beräknas sedan kraften som verkar längs med staget och den kraften beräknas med följande formel (Dahlberg, 2010). 𝐹= 𝐹ℎ𝑜𝑟𝑖𝑠𝑜𝑛𝑡𝑒𝑙𝑙 𝑠𝑖𝑛 𝛼 För midskeppsvanterna blev kraften 4200 N och för akterstaget 2500 N. Vid beräkning av kraften på förstaget blev denna negativ, detta eftersom den framdrivande kraften av seglet kommer att trycka masten framåt. Kraften på förstaget blev -3349 N vilket innebär att en förspänning minst lika stor måste appliceras för att staget inte skall bli löst. 4.4. Stagfästen Eftersom stagen tillverkades enligt motsvarande design som de använder ombord på en stor segelbåt, är denna beräkning endast till för kontroll av att våra tillverkade fästen klarar spänningen som uppstår. Skulle de dimensioneras enligt den teoretiskt minsta erforderliga area som krävs för att klara av belastningen som uppstår, skulle detta leda till att de ur tillverkningssynpunkt inte skulle vara praktiskt att konstruera. 33 Efter att dragkraften i respektive stag är uträknad, är det sedan möjligt att beräkna hur stor spänningen är som bildas i respektive stagfäste. Spänningen i fästpunkten för staget beräknas med följande formel (Dahlberg, 2010). 𝜎𝑑𝑟𝑎𝑔 = 𝐹 𝐴 Där F är dragkraften och A är den minsta arean på tvärsnittet, mitt i fästpunkten för riggens stag. Resultaten från beräkningarna redovisas i figur 27 nedanför. Dragkraft som funktion av stagbelastning 35 dragkraft, σ [MPa] 30 25 20 15 10 5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Stagbelastning [N] Figur 27 Dragkraft som funktion av stagbelastning. Eftersom den största dragkraften i stagen låg på 4200 N ger detta en spänning på cirka 23 MPa. Brottgränsen för syrafast stål är 700 MPa vilket ger en säkerhetsfaktor på 30. 34 5. MATERIAL Som material för hjärtstocken, kölens profil samt stagfästen beslöts det att använda syrafast stål. Vattnet i Atlanten har en väldigt hög salthalt, knappt 4 % vilket gör att vanligt stål börjar rosta. Även rostfritt utsätts för korrosion då det kommer i kontakt med saltvatten. Syrafast stål är ungefär 3 gånger dyrare än vanligt kolstål. Före beställning av materialet gjordes offertförfrågningar på syrafast stål till bland annat Holmbergs Ab, Flygfyrens stållager, Goodtech Enviroment Ab och till Klintens plåt Ab. Dessa företag befinner sig i Mariehamn med omnejd. Det var slutligen Flygfyrens stållager som kunde erbjuda det billigaste priset och snabb leverans. Eftersom själva kölen skulle fyllas med bly och epoxi var följande uppdrag att leta fram olika alternativ att införskaffa bly. Det första som prövades var att kontakta företag som sysslar med däckbyte för att eventuellt kunna få gamla hjulvikter. Redan efter första samtalet stod det dock klart att materialet för dessa vikter har bytts ut från bly till mässing för några år sedan. Nästa tanke var att ha isär gamla bilbatterier och utvinna blyet ifrån dessa. Efter en resa till bilskroten hade vi fått tag på åtta batterier. Vid isärtagningen framkom det dock att utvecklingen av batterierna har gått framåt. Cellerna i gamla batterier bestod av relativt robusta blyplattor medan dagens celler endast består av ett tunt blynät med en slags massa runt denna. Det enda som nu återstod var att höra runt ifall något företag hade bly till salu men det var inte helt lätt eftersom bly är aningen giftigt och inte används så mycket nuförtiden mera. Lyckligtvis återvinner Flygfyrens stållager bly som de sedan gjuter till tackor och säljer vidare. Mängden bly som behövdes till kölen låg på cirka 90 kg, så sex blytackor med vardera en vikt på ca 15 kg införskaffades, se figur 28 nedan. Figur 28 Blytacka med vikten 15 kg. 35 6. TILLVERKNING I detta avsnitt beskriver vi hur vi har gått tillväga med tillverkningen av roder, köl och stagfästen. Ritningar på dessa komponenter finns som bilaga. 6.1. Roder Rodrets uppbyggnad består av två olika moment. Nämligen tillverkning av hjärtstock och roderblad. 6.1.1. Hjärtstock För att undvika glapp i styrningen och förhindra att vatten läcker in i båten måste hjärtstocken vara av syrafast stål. Vanligt kolstål korroderar väldigt snabbt i saltvatten vilket är orsaken till materialvalet. Axeln till detta roder har en diameter på 25 mm eftersom vi redan hade en packbox i denna storlek, vars uppgift är att förhindra vatten att tränga in i skrovet vid roderinfästningen. Längden på axeln är 780 mm. Den nedre ändan på axeln skall ha en diameter på 10 mm vilket gör att axeln blir konisk, för att kompensera för rodrets avsmalnande form. Detta skall ske på en 300 mm sträcka vilket ger en stigning på ca 1,5°. Denna stigning ställdes in på svarven vartefter svarvningen påbörjades från den nedre ändan. Till en början gick det snabbt att få fram den avsmalnade formen men vartefter som den sträcka som skulle svarvas ökade tog det längre tid eftersom hela sträckan inte gick att svarva i ett svep. Detta fick göras i etapper på grund av svarvens storlek, se figur 29 nedan. Figur 29 Svarvning av hjärtstock samt resultatet av svarvningen. 36 För fastsättning av hävarm frästes det ett 15 mm spår i övre kanten av roderaxeln varefter ett hål borrades och gängades till 8 mm i centrum av axeln, se figur 30 nedan. Andra änden av hävarmen ansluts sedan vid monteringsskede till en styrcylinder som sitter monterad på skrovet. Figur 30 Fräsning av spår för styrcylinderns hävarm samt hålet som borrades och gängades. För att hindra roderbladet som tillverkas av glasfiber, att vridas runt hjärtstocken svetsades fyra flatstål fast i denna, se figur 31 nedan. Figur 31 Rodrets hjärtstock med flatstål fastsvetsade. 37 6.1.2. Roderblad För att få fram roderbladets form, tillverkades en mall i skala 1:1 vilken fick plats på två A3 pappersark. Dessa tejpades sedan samman och konturen klipptes ur vartefter konturen ritades av på en glasfiberskiva. Efter att konturlinjerna var överförda på glasfiberskivan, sågades figuren ut med en sticksåg. Nedre delen av hjärtstocken kapades av en aning eftersom det skett en miss vid avläsning av längden på ritningen, annars hade axeln gått igenom bladet. Hjärtstocken placerades i skivans mitt och riktades upp vartefter dessa limmades fast i varandra för att hållas i linje. Efter att limmet torkat och springor mellan roderblad och hjärtstock spacklats ihop var det dags för laminering med glasfiber för att ge rodret sin form och för att binda ihop roderbladet med hjärtstocken. Vid laminering används glasfibermatta och harts som blandas med 2 % härdare vilket leder till att det material som laminerats blir hårt då det torkar. Används för mycket härdare torkar det väldigt snabbt och blir varmt vilket inte är bra, med för lite härdare kan det räcka väldigt länge innan lagret blir torrt. Endast ena sidan i taget kunde lamineras, eftersom det annars fanns risk för att det nyligen laminerade lagret skulle falla av då det svängdes neråt eller om bladet vinklas för mycket (se figur 32). Figur 32 Fästning av hjärtstock i roderblad och första lagret med glasfiberlaminering. 38 Efter flera lager glasfiber börjar rodret få sin form och den slutliga formen uppnås genom att slipa och spackla. I figur 33 nedan är roderbladet nästan klart, kräver lite slipning och ytbehandling. Figur 33 Roderbladet börjar få sin slutgiltiga form. Efter sliparbetet rengjordes glasfiberytan med aceton, det gör ytan även en aning mjukare vilket leder till att färgen fäster bättre. I figur 34 nedan är rodret målat en gång med glasfiberfärg och det är samma kulör på färgen som används till Finn Flyer båtarna. Figur 34 Rodret målat med glasfiberfärg. 6.2. Köl I detta kapitel kommer vi att beskriva hur de enskilda momenten för kölens tillverkning gått till. Det börjar med tillverkning av sidorna som bildar kölens profil, sedan tillverkas botten och allting svetsas ihop med varandra för att göra kölen tät. När detta är gjort fylls kölen med bly och ”locket” tillverkas varpå det svetsas ihop med resten av kölen. 39 6.2.1. Kölprofil Hela kölen tillverkades i syrafast stål. Sidoplåtarnas profil var väldigt komplex och för att få dessa perfekt bockade skulle en plåtvals och kantbockningsmaskin behövts användas. Maskiner i tillräcklig storlek fanns inte på sjömansskolan så en ritning i skala 1:1 på kölprofilen printades ut varefter plåtarna fördes till en verkstad (Holmbergs Ab) för bockning och valsning. Efter att sidoplåtarna hade fått sin rätta profil var följande moment att fästa dessa i varandra. Mellan sidoplåtarna i kölens framkant placeras en 10 mm axel som bildar en rund kant framtill. För att få en avsmalnande profil baktill svetsades ett 4 mm flatstål med bredden 25 mm längs hela kölen. Delarna häftades först ihop för att säkerställa att allting var i linje varefter de svetsades samman, se figur 35 nedan. Figur 35 Sammansvetsning av kölens sidoplåtar och axeln mellan dessa. För att få en stadig botten och även stötta sidoplåtarnas profil eftersom det inte finns några mellanväggar i kölen används en bottenplåt som är 10 mm. Denna tillverkades av flatstål och för att få fram den rätta profilen på plåten användes en plasmaskärare se figur 36. 40 Figur 36 Bottenplåtens profil skärs ut med plasmaskärare. När allting väl var svetsat fylldes hela kölen upp med vatten, se figur 37. För det första ville vi säkerställa att volymen överensstämde med det som räknats ut och för att rätt mängd bly kunde införskaffas, men dessutom kontrollera att svetsfogarna höll tätt, vilket de även gjorde. Vid ritningsskede hade det räknats fram att kölens volym skulle vara 8,5 liter och efter noggrann uppmätning med decilitermått fick vi 8,4 liter vatten att rymmas i kölen. Den lilla differensen beror mest antagligen på små avvikelser i kölprofilen vilka uppstått redan vid bockningsskedet. Figur 37 Kölens volym kontrollerades och att svetsfogarna höll tätt. 41 6.2.2. Gjutning av bly Den ursprungliga tanken var att införskaffa små blyvikter för att sedan fylla kölen med dessa och blanda ihop med epoxi för att fästa det hela. Som tidigare nämnts fick vi endast tag på blytackor och på grund av storleken måste dessa gjutas till mindre format. Eftersom det ändå måste smältas och gjutas till nytt format kan det smälta blyet likväl hällas direkt i kölen och inget epoxi behöver användas. Detta leder till att en större mängd bly kan användas vilket ger en extra vikt på 20 kg som kan gjutas ner och bidrar till en bättre stabilitet. Det enda man måste vara varsam med när det smälta blyet hälls i kölen är att plåten inte börjar dra sig på grund av värmen. Därför måste fyllningen av bly ske stegvis så att plåtkonstruktionen har en chans att svalna innan nästa lager gjuts på. Bly har en smältpunkt på 328 °C så för smältning användes en vanlig butangasbrännare. Eftersom våra blytackor var så stora att de inte rymdes i någon av skolans gjutkastruller bestämde vi oss för att tillverka en egen behållare för att på ett lämpligt sätt kunna smälta blyet se figur 38. Vid smältningen märktes det direkt hur orent materialet egentligen var. Eftersom de flesta orenheter i blyet har en mycket högre smältpunkt samt lägre densitet än själva blyet leder detta till att orenheterna blir flytande som fasta partiklar på ytan. Orenheterna skrapades bort och slängdes. Figur 38 Smältning av bly och orenhernheter vilka skrapades ur under smältningsprocessen. 42 Det smälta blyet hälldes sedan stegvis ner i kölen, se figur 39 nedan. Figur 39 Det smälta blyet hälls i kölen. Kölen fylldes upp med bly så att en 15 cm marginal till övre kanten kvarstod, detta för att ge rum åt fastsättningsskruvarna. Med denna mängd kommer blyet fem centimeter in i själva skrovet vilket ger bättre hållfasthet vid infästningspunkten där de största spänningarna kommer att uppstå. 6.2.3. Toppen Följande steg var att tillverka topplåten, denna tillverkades av likadan 10 mm plåt som användes till botten. Första som gjordes var att rita av kölprofilen på denna 10 mm plåt, varefter centrumen för de tre 16 mm skruvhålen märkets ut och sedan borrades. På undre sidan av topplåten kommer muttrar att svetsas fast vid dessa hål och de kommer att fungera som fastsättning sedan när kölen skall monteras. Profilen skars ut med en plasmaskärare och slipades sedan med vinkelslip till exakt rätt form. För att vara säkra på att muttrarna inte skulle dra sig vid fastsvetsning spändes dessa först fast med skruvar varefter de svetsades fast, se figur 40. 43 Figur 40 Fastsvetsning av muttrar på topplåten. När dessa muttrar svetsades fast var det viktigt att inte få en för hög temperatur vid gängorna eftersom det då uppstår risk för att de smälter och skruven skär fast i muttern. Topplåten hade dragit sig en aning på grund av värmeutvidgningen som uppstod då muttrarna svetsades fast. Det resulterade i att det blev en stor springa mellan topplåten och kölens sidoplåtar, vilket åtgärdades enligt följande metod. Topplåten fästes på plats men före den slutliga fastsvetsningen var det viktigt att plåten var vågrät så att gängorna är i linje då kölen sätts fast i båten. Detta kunde åstadkommas med en egen kreativ lösning, se figur 41. 44 Figur 41 Springan mellan topp- och sidoplåtarna drogs ihop med hjälp av kettingstalja. När sedan allt var på plats och ordentligt fastspänt drogs sedan de slutliga fogarna och topplåten var på plats. När fogarna väl hade svalnat betades dessa, vilket betyder att en blandning av olika syror och salter penslas på ytan för att bränna bort eventuella orenheter, vilket bidrar till ökat korrosionsmotstånd. Figur 42 Svetsarbetet klart, kontroll av att skruvarna fortfarande löper fint i muttrarna. 45 6.2.4. Ytbehandling Det är önskvärt att kölens yta är så slät och strömlinjeformad som möjligt för att undvika onödigt motstånd vid genomfart i vattnet och för att uppnå detta måste kölen ytbehandlas. Först slipades svetsfogarna ned så att inga utbuktningar kvarstod och för att ge en bättre fästyta för epoxifyllningen slipades hela kölen med grovt sandpapper. Det första lagret som lades på var en tvåkomponents epoxifyllning av glasfiber, vilket fungerar som fyllningsmaterial för eventuella profilavvikelser. Efter att det första lagret hade härdat i cirka 24 timmar slipades ytan. Först med ett grovt sandpapper varefter ett fint sandpapper användes för att ge en slät yta, se figur 43 nedan. Även det andra lagret med fyllning var av tvåkomponents epoxi, men en mycket finare blandning som ger en slätare yta. Figur 43 Ytbehandling av kölen med spackel för att få en slät strömlinjeformad yta. När ytan hade härdat slipades denna med ett mycket fint sandpapper och kölen är nu klar för montering, se figur 44 nedan. 46 Figur 44 Tillverkning och ytbehandling gjord, kölen är klar för montering. Efter att båten och dess kölinfästning är färdigt byggd kommer kölen ännu att målas. Orsaken till varför kölen målas först när denna är monterad är för att målfärgsytan eventuellt kan skadas vid transport samt montering eftersom kölen är väldigt tung. Kölens slutliga vikt blev 115 kg, varav stålet väger cirka 25 kg och blyets andel är 90 kg. 47 6.3. Stagfästen Alla stagfästen tillverkades av 8 mm syrafast flatstål med längden 150 mm och bredden 40 mm. Hålen för fastsättning i båtens mellanskott borrades till 10 mm varefter dessa sänktes ner eftersom sänkskruvar kommer att användas för fastsättning av fästen. Det större hålet för vantskruvens fastsättning borrades till 25 mm varefter en 14 mm lång hylsa med ytterdiametern 25 mm och 15 mm innerdiameter TIG-svetsades fast i centrum av hålet. Kanten runt hålet rundades sedan av för att eliminera skarpa kanter. För att tillåta kraften från vantskruven att tas upp i längdriktning av staget värmdes punkten där stagfästet sticker upp ur däcket och böjdes till en vinkel på 10° (se figur 45 och 46). Figur 45 Värmning av stagfäste för att kunna bocka övre delen till en 10° vinkel. Fästena betades sedan för att bränna bort orenheter vilka annars skulle kunna försämra stålets egenskaper. Figur 46 Slutliga resultatet av samtliga stagfästen. 48 7. SLUTSATS Eftersom projektet i stor del handlar om tillverkning av komponenter till robotsegelbåten MiniFlyer och denna inte ännu är sjöduglig eller färdigt byggd så kan vi inte kommentera hur dessa komponenter fungerar eller hur bra de arbetar ihop med datorsystemet som skall finnas ombord. Beräkningarna är gjorda för situationer där båten kan utsättas för väldigt stora belastningar. Vi vet dock inte med säkerhet om den någonsin kommer att utsättas för sådana situationer, men den kan även hamna i ett centrum för en orkan eller liknande och då kan vad som helst hända. Det är även möjligt att båten blir träffad av något annat, som t.ex. ett fartyg och kommer då med stor sannolikhet att gå sönder och i värsta fall att sjunka. Enda begränsningarna med detta projekt är skrovets vattenlinjelängd, att den endast får drivas fram med kraft från vinden och skall på egen hand utan mänsklig hjälp navigera till sin slutliga destination. Detta leder till att man fritt får bygga och utrusta båten helt enligt hur mycket pengar och resurser man vill lägga ner. Projektet har ingen egentlig lönsamhet, dock behövs det en hel del kunskap och nytänkande vilket i sin tur eventuellt leder till nya idéer och uppfinningar som sedan kan utvecklas vidare. Fastän projektet inte hämtar in pengar så är det en stor ära för det teamet som först klarar av att tillverka en segelbåt som självmant korsar Atlanten. Deltagarantalet ökar med åren och även intresset inom detta ökar vilket leder till att projektet fått stor uppmärksamhet. Även det att Rolls-Royce har börjat ta fram lösningar på hur de kan implementera ett system som fungerar på motsvarande sätt tyder på att projektet eventuellt har en framtid inom branschen. I sin helhet har arbetet varit väldigt intressant och lärorikt. Vissa stressmoment har dock uppstått längs vägen på grund av att vi varit väldigt beroende av andra personers framsteg i sina uppgifter som berör arbetet med MiniFlyern. 49 KÄLLOR Aerospaceweb. (2015, April 11). NACA Airfoil Series. Retrieved from Aerospaceweb.org: http://www.aerospaceweb.org/question/airfoils/q0041.shtml Dahlberg, T. (2010). Teknisk hållfasthetslära. Lund: Studentlitteratur AB. Dedekam, I. (1999). Illustrerad Segel- & Riggtrim. Oslo: Dedekam Design. Hanley Innovations. (2015, Maj 14). VisualFoil 5.0: Airfoil Analysis Software. Retrieved from Hanley Innovations. Hepperle, M. (2015, April 3). JavaFoil. Retrieved from Aerodynamics of Model Aircraft: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm Rolls-Royce. (2015, Maj 13). Customer focus. Retrieved from Rolls-Royce: http://www.rollsroyce.com/~/media/Files/R/Rolls-Royce/documents/customers/marine/voyaging-intothe-future-tcm92-55520.pdf Stråhlmann, K.-J. (2015, February 27). Strahlmann Yacht Design. Retrieved from Strahlmann Yacht Design: http://www.strahlmann.com/ The Microtransat Challenge. (2015, Mars 6). History of the Microtransat. Retrieved from The Microtransat Challenge: http://www.microtransat.org/history.php WB-Sails. (2015, April 15). WB-News arkisto. Retrieved from WB-Sails: http://www.wbsails.fi/Portals/209338/docs/wb-news99.pdf WB-Sails Ltd. (2015, April 28). Sailpowercalc. Retrieved from WB-Sails: http://www.wbsails.fi/portals/209338/news/sailpowercalc/sailpowercalc.htm Wikipedia. (2015, April 22). Forces on sails. Retrieved from Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Forces_on_sails 50 BILAGOR 51 6 5 4 3 2 1 D D R5 40 44 4 C C 330 B B 10.00 DRAWN Christian Gröndahl Original design: Stråhlmann Yaht Design Karl-Johan Stråhlmann 07.05.2015 CHECKED TITLE QA Köl Bottenplåt MFG omritat för beräknings samt tillverkningssyfte A A APPROVED SIZE A3 SCALE 6 5 4 3 REV Bilaga 1 1:1 SHEET 2 1 OF 1 1 6 5 4 3 2 1 D D 40 330 C C 210 135 105 60 44 1133 B B DRAWN Christian Gröndahl Original design: Stråhlmann Yaht Design Karl-Johan Stråhlmann 07.05.2015 CHECKED TITLE QA Köl sidoprofil MFG omritat för beräknings samt tillverkningssyfte A A APPROVED SIZE A3 SCALE 6 5 4 3 REV Bilaga 2 1:4 SHEET 2 1 OF 1 1 6 5 4 3 2 1 D D 40 n16 n16 R5 n16 44 4 C C 330 B B 10 DRAWN Christian Gröndahl Original design: Stråhlmann Yaht Design Karl-Johan Stråhlmann 08.05.2015 CHECKED TITLE QA Köl Topplåt MFG omritat för beräknings samt tillverkningssyfte A A APPROVED SIZE A3 SCALE 6 5 4 3 REV Bilaga 3 1:1 SHEET 2 1 OF 1 1 6 5 4 3 2 1 D D 638 287 355 14 n25 28 C 130° 110° 70 n8 250 C 90° 90 B B DRAWN Christian Gröndahl original design: Stråhlmann Yaht Design Karl-Johan Stråhlmann 08.05.2015 CHECKED TITLE QA Roder MFG omritat för beräknings samt tillverkningssyfte A A APPROVED SIZE SCALE 6 5 4 3 REV Bilaga 4 1:4 SHEET 2 1 OF 1 1 6 5 4 3 2 1 D D 135° 8 170° 135° 3 25 100 50 C C n16 n16 n25 40 n10 n20 n10 B 20 B DRAWN Christian Gröndahl Original design: Stråhlmann Yaht Design Karl-Johan Stråhlmann 25.05.2015 CHECKED 55 TITLE QA Stagfäste MFG Omritat för beräknings samt tillverkningssyfte A A APPROVED SIZE DWG NO A3 Bilaga 5 REV SCALE 2:1 6 5 4 3 2 1 BILAGA 6 Tabell 1 Hållfasthetstabell för glasfiber BILAGA 7 Tabell 1 Hydrostatisk tabell för MiniFlyer BILAGA 8/1(3) Tabell 1 Viktberäkning och bulthållfasthet 1 BILAGA 8/2(3) Tabell 2 Beräkningar över grundstötningsscenario 2 BILAGA 8/3(3) Tabell 3 Beräkning över grundstötningsscenario 3 BILAGA 9/1(2) Tabell 1 Data för beräkningar Tabell 2 Beräkningsdata från Javafoil Tabell 1 Resultat 1 BILAGA 9/2(2) Tabell 2 Beräkning av styrcylinder kraft och slaglängd Tabell 3 Roderinfästning hållfasthetsberäkning 2 BILAGA 10 Tabell 1 Beräkningsdata och resultat för krafter i seglet. Tabell 2 Beräkning över kraftrer som bildas i stag. BILAGA 11 Tabell 1 Hållfasthetsberäkning för stagfästen
© Copyright 2024