ENTWICKLUNG EINER NATUR-INSPIRIERTEN RUMPFSTRUKTUR FÜR EINE 46M SEGELYACHT Präsentation für das 9. HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen Altair Engineering – Böblingen David Leidenfrost 46m Segelyacht „EXO” 2 Mo2va2on 1. Ist es möglich eine naturinspirierte Rumpfstruktur zu entwickeln, die den globalen KräHen einer 46m Segelyacht standhalten kann? Wind Seegang 2. Wie könnte die Funk2onalität und Effizienz der Natur bei der Entwicklung einer Rumpfstruktur mit integrierten großflächigen Salonfenstern als Inspira2on dienen? 63m2 Salon-‐ Fenster 3 Mo2va2on 3. Wie würde solch eine Rumpfstruktur aussehen, die den Prinzipien organischer Formen der Natur folgt, aber auch erfolgreich den Druck-‐ und ZugspannungskräHen während Reisen auf hoher See standhält? Inspira2onsquelle Diatomeen & Radiolarien • Funk2onalität und Schönheit der Leichtbaustrukturen aus der Natur • Grundprinzip jeder Leichtbaustruktur aus der Natur oder in technischen Systemen: • Maximale Steifigkeit bei minimalen Materialaufwand 4 Arbeitsschrige 1. Entwicklung einer Design Suite a. Defini2on des Las^alls b. Berechnung der globalen Lasten c. Defini2on des Design Space (Op2mierungsraum) 2. Entwicklung der Rumpfstruktur a. Topologie-‐Op2mierung mit Altair Op>Struct b. Ausarbeitung und Abstrak2on der Topologie-‐Ergebnisse c. Dimensionierung der Rumpfstruktur 3. Evaluierung des Konzeptes a. 1. FE-‐Simula2on – Yacht ohne Salonfenster b. 2. FE-‐Simula2on – Yacht mit Salonfenster 5 Topologie-‐Op2mierung • Mathema2sche Herangehensweise • Generiert eine op2male Materialverteilung a. innerhalb eines definierten Op2mierungsraumes (Fläche oder Volumen) b. für vorgegebene Randbedingungen • Enthüllt op2male Lastpfade zwischen Lastangriffspunkt und Einspannung 6 Defini2on des Las^alls • Worst-‐case Szenario • Kri2sche lasten werden erreicht: 1. Krängung von 30 Grad auf einem Am-‐Wind Kurs 2. Gefangen in einer „sagging“ Welle Work step 1 – DEVELOPMENT OF DESIGN SUITE 7 Globale Lasten – Rigg Work step 1 8 Global Lasten – Seegang Work step 1 9 Globale Lasten der 46m Segelyacht „EXO” Work step 1 10 Design Space Defini2on – Interior Layout „EXO“ Pavilion Work step 1 Maschinenraum Hubkiel-‐ Schacht Gäste Kabinen Salon Crew Kabinen Tender Garage 11 Design Space für TO Tender Garage Crew Kabinen Hubkiel -‐ Schacht Salon Maschinenraum Gäste Kabinen Pavilion Work step 1 12 1. TO-‐Ergebnisse – Volumenmodell Work step 2 – DEVELOPMENT OF HULL STRUCTURE 13 2. TO-‐Ergebnisse – Flächenmodell Work step 2 14 2. TO-‐Ergebnisse – Flächenmodell 3 4 2 !Side! 5 4 3 1 4 Work step 2 3 !Top! 2 !BoUom! 15 Ausarbeitung der TO-‐Ergebnisse Work step 2 16 Abstrak2on der TO-‐Ergebnisse Work step 2 17 Balkenstruktur -‐ Rumpf Work step 2 18 Balkenstruktur – Deck Work step 2 20 Balkenstruktur – Querschoge Work step 2 21 Dimensionierung der Rumpfstruktur • Rumpfstruktur: Carbon-‐Sandwichbauweise • Dimensionierung auf Konzeptebene • Faserverbundwerkstoffe vereinfacht als isotrop Konstruk2ve Randbedingungen • Maximale Durchbiegung des Yachtrumpfes • Design-‐Spannungen mit Sicherheitsfaktor 2 Work step 2 23 Flächenmodell für finale FE-‐Simula2on • Strukturkomponenten modelliert als Flächen • Strukturkomponenten mit gleichen Dimensionen und Laminatauwau bilden eine Flächen-‐Gruppe Work step 2 24 Dimensionierungs-‐Prinzipien • Rumpfpaneele ausgelegt für hydrosta2schen Wasserdruck Work step 2 • Notwendige Steifigkeit in Bezug auf globale Lasten erreicht durch Balkenelementen • Itera2ve Varia2on der Balkendimensionen und Laminatdicke bis Hauptspant-‐ Querschnig dem Mindestwiderstandsmoment entspricht • Mindestwiderstandsmoment resul2ert aus maximal erlaubter Durchbiegung 25 1. FE-‐Simula2on – Verformung FE-‐ Model Element size -‐ solids: 300mm Element size -‐ shell: 100mm TO – parameters • Weighted compliance: min • Volume frac2on: 0,1 – 0,3 • Symmetry plane: mid ship plane • Drawing direc2on for solids: Z 4 topology op2miza2ons for genera2ng final structure layout Work step 3 – EVALUATION OF STRUCTURE CONCEPT 26 1. FE-‐Simula2on – Von Mises Spannung Work step 3 27 Salonfenster-‐Layout für 2. FE-‐Simula2on Work step 3 2. FE-‐Simula2on – Verformung Work step 3 29 2. FE-‐Simula2on – Von Mises Spannung Work step 3 30 Fazit Salon-‐ Fenster 1. Frage: Entwickelte Struktur ist fähig den globalen Lasten der 46m Segelyacht „EXO“ standzuhalten. 2. Frage: Nur wo die Struktur es erfordert, ist Material angebracht worden. Die Balkenelemente folgen den vorteilhaHesten Lastpfaden, die durch die Topologie-‐Op2mierung enthüllt wurden. Ermöglichen die Integra2on großer Salonfenster. 3. Frage: Rumpfstruktur mit lasgragenden und steifigkeitserhöhenden Balken erinnert an organische Formen aus der Natur. Ø Hinsichtlich Fer2gung: arbeitsaufwändige CFK-‐Struktur Ø Ergebnisse der Studie stufen das Rumpfstruktur-‐Konzept als technisch umsetzbar ein Ø Realisierbare neu Methode zur Integra2on von großen Fensterflächen 31 Fragen? Kontakt David Leidenfrost (BEng) Schaumburger Straße 22 D-‐28205 Bremen Tel.: +49-‐1578-‐7165058 Email: [email protected] Sources Pictures on • Page 2, 3 & 11: Property of Claydon Reeves • Page 4: hgp://cellulenumeriealtro.blogspot.nl/2013/02/meraviglia-‐diatomee.html • Page 6: C.A. Brebbia, S. Hernandez. Design and Nature VI: Comparing Design in Nature With Science and Engineering. WIT Press, Southampton, 2012. ISBN-‐1845645928. • Page 8: R. Fogg, M. Meunier. Challenges Associated with Design and Build of Composite Sailing Super Yachts. Design, Construc2on & Opera2on of Super and Mega Yachts Conference, Genoa, 2009. • Page 9: E.R. Eliasson, L. Larsson. Principles of Yacht Design. Adlard Coles Nau2cal, London, 2007. ISBN-‐0713678550. 33
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