Progetto strutturale, studio delle condizioni di carico e modellazione ad elementi finiti di un aliscafo in materiali compositi

The objective of this work is to assess the feasibility of a hydrofoil craft made of composite materials, whose aim is to join the Solar Boat Race, sponsored by Yacht Club de Monaco. The conceptual design of a high speed craft had to be verified through in-depth analyses, with the aim to ensure both structural strength and optimal performances. The lack of proper standards for a small hydrofoil craft required the author to create a library of suitable load conditions, which have been adopted from both the nautical and aeronautical environments. Each condition has been critically analysed in order to be adapted to the model, seeking a reliable result. Among the themes debated, it is worth mentioning a comparative analysis between ISO, BV, and DNV rules for hull scantlings. In addition to that a deterministic wave model and a critical investigation of wind-wave spectral models are provided, in order to implement adequate dynamic hydroelastic response analyses of foils and struts. Nastran™ is the software chosen to solve static and hydroelastic problems, the former of which benefit from the aeroelastic features of the solver. The most critical load conditions were obtained from a stick model. Then 5 detailed finite element models have been developed, in order to evaluate the suitability of the ISO scantlings requirements and to identify the weaknesses of the design. ISO scantlings lead to an acceptable result, which may be considered a welldefined starting point, from which further analyses are deemed essential. The appendages are of particular concern, due to the roughness of the hydrodynamic computations of this work, and in-depth CFD analyses or experimental test are required to validate the load conditions previously defined.

Nel presente lavoro di tesi è stata esaminata la realizzabilità di un aliscafo in materiale composito con rinforzo in fibra di carbonio. L’aliscafo a propulsione elettrica, se realizzato, consentirà al Politecnico di Milano di prendere parte alla Solar Boat Race, una competizione sponsorizzata dallo Yacht Club de Monaco. Il progetto preliminare di un’imbarcazione ad alta velocità ha richiesto analisi approfondite per verificare che la resistenza strutturale sia garantita, senza penalizzare le prestazioni. In assenza di normative specifiche dedicate ad aliscafi di piccole dimensioni, è stato necessario creare un’apposita libreria di condizioni di carico, derivate sia dall’ambiente nautico che da quello aeronautico. Ogni singola condizione è stata individualmente valutata e adattata al modello studiato, mirando ad un risultato robusto e affidabile. In particolare si segnala l’analisi comparata delle raccomandazioni degli enti normatori ISO, BV e DNV per il dimensionamento dello scafo. Lo sviluppo di un modello di onda deterministica e un’analisi critica degli spettri d’onda si sono rivelati indispensabili per valutare la risposta delle appendici a condizioni non-stazionarie. Per l’analisi è stato fatto uso del software Nastran™, che ha permesso di implementare sia condizioni statiche che condizioni idroelastiche stazionarie e non-stazionarie, adattando allo scopo le funzionalità aeroelastiche offerte. Ad un primo modello semplificato, necessario per selezionare le condizioni più provanti, hanno fatto seguito 5 modelli di dettaglio, in modo da valutare l’idoneità del dimensionamento da normativa e delle scelte progettuali operate. I risultati ottenuti si rivelano globalmente adeguati e sono interpretabili come un saldo punto di partenza per addentrarsi in studi più approfonditi sui singoli componenti del modello, la cui progettazione richiede ulteriori considerazioni strutturali e fluidodinamiche. Le appendici devono essere motivo di particolare attenzione, in quanto le condizioni di carico per esse implementate devono validarsi alla luce di adeguate analisi CFD o di prove sperimentali.