Tillverkning av komponenter för robotsegelbåt

Transcription

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