Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat

Mast and rigs of a sailboat are the structural components responsible for transferring sail loads to the ship’s hull, thus, converting wind energy into kinetic energy. Masts are long and slender structures which should have sufficient stiffness and strength properties to effectively carry sail loads...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Πέππας, Γεώργιος
Άλλοι συγγραφείς: Peppas, Georgios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15900
id nemertes-10889-15900
record_format dspace
spelling nemertes-10889-159002022-09-05T14:09:35Z Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat Δομικός σχεδιασμός ιστού από προηγμένα σύνθετα υλικά για ελαφρύ ιστιοπλοϊκό σκάφος Πέππας, Γεώργιος Peppas, Georgios Mast Structural design with composites Shell model FEA Pretension of shrouds Κατάρτι Δομικός σχεδιασμός Σύνθετα υλικά Πεπερασμένα στοιχεία Προένταση στα ξάρτια Mast and rigs of a sailboat are the structural components responsible for transferring sail loads to the ship’s hull, thus, converting wind energy into kinetic energy. Masts are long and slender structures which should have sufficient stiffness and strength properties to effectively carry sail loads without buckling or exhibiting material failure. Composite materials are chosen when designing a mast tube not only due to their high strength- and stiffness-to-weight ratios but also due to the customizable properties of the final product their anisotropic nature offers. In this thesis, a composite mast of the 14m long sailboat ‘Oneiro’ is structurally analyzed and redesigned accordingly. An Analytical Method, based on Nordic Boat Standard, and a Finite Element (FE) Method, based on a Germanischer Lloyd Guideline, are selected and compared for the dimensioning and structural validation of mast, spreaders and shrouds. Buckling and material failure of the mast tube is assessed through these analyses. Moreover, an additional FEA, considering pretension of shrouds is performed, in purpose of evaluating the effect of this ‘real-life’ procedure on the elastic behavior and structural integrity of the mast and its components. However, in these FEA mast tube is generated from beam elements, thus, the various openings for different attachments along its length are not considered. For this reason, a FE Model of the mast with shell elements, including each real hole and opening, is structurally analyzed. Material failure is exhibited on critical mast segments close to openings, thus, patches with extra fabric plies are placed accordingly to offer sufficient support and eradicate failure. Το κατάρτι, οι σταυροί και τα ξάρτια ενός ιστιοπλοϊκού σκάφους είναι απαραίτητα για την μεταφορά των φορτίων από τα ιστία στη γάστρα, με αποτέλεσμα την μετατροπή της ενέργειας του αέρα σε κινητική ενέργεια του σκάφους. Το κατάρτι είναι μία λεπτότοιχη και ψηλή κατασκευή η οποία πρέπει να διαθέτει την κατάλληλη δυσκαμψία και αντοχή ώστε να συνεισφέρει στην αεροδυναμική του σκάφους και δέχεται τα φορτία από τα ιστία δίχως να αστοχεί σε λυγισμό ή λόγω αντοχής των υλικών. Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή καταρτιών λόγω των μεγάλων ειδικών ιδιοτήτων τους αλλά και της δυνατότητας που προσφέρει η ανισότροπη φύση τους για εξατομίκευση των ιδιοτήτων της τελικής κατασκευής. Σε αυτή την εργασία γίνεται ο δομικός σχεδιασμός για το κατάρτι του 14-μέτρων ιστιοπλοϊκού «Όνειρο» το οποίο κατασκευάζεται από σύνθετα υλικά. Μία Αναλυτική Μέθοδος, βασισμένη στο Nordic Boat Standard, και μία μέθοδος με Πεπερασμένα Στοιχεία (ΠΣ), όπως περιγράφεται στο πρότυπο του Germanischer Lloyd, χρησιμοποιούνται και συγκρίνονται για την ανάλυση και διαστασιολόγηση του καταρτιού αλλά και των σταυρών και των ξαρτιών του σκάφους. Επιπλέον, ακόμη μία ανάλυση με ΠΣ εκτελείται, προσομοιώνοντας αυτή τη φορά την προένταση στα ξάρτια, με σκοπό την εκτίμηση της επίδρασης αυτής της πραγματικής διαδικασίας στην ελαστική συμπεριφορά και αντοχή του καταρτιού. Παρ’ όλα αυτά στις προαναφερθείσες αναλύσεις με ΠΣ το κατάρτι μοντελοποιείται με στοιχεία δοκού (beam elements) και συνεπώς δεν λαμβάνονται υπ’ όψιν οι διάφορες τρύπες και ανοίγματα πάνω σε αυτό, για τη σύνδεση του με τους σταυρούς και τα ξάρτια. Για το λόγο αυτό ένα μοντέλο του καταρτιού με ΠΣ κελύφους (shell), που περιλαμβάνει τα διάφορα ανοίγματα, κατασκευάζεται και αναλύεται δομικά. Τελικώς, επιθέματα με επιπλέον στρώσεις πανιών τοποθετούνται στις περιοχές κοντά σε αυτά τα ανοίγματα όπου παρατηρείται αστοχία. 2022-03-03T06:23:11Z 2022-03-03T06:23:11Z 2022-03-02 http://hdl.handle.net/10889/15900 en application/pdf
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Mast
Structural design with composites
Shell model
FEA
Pretension of shrouds
Κατάρτι
Δομικός σχεδιασμός
Σύνθετα υλικά
Πεπερασμένα στοιχεία
Προένταση στα ξάρτια
spellingShingle Mast
Structural design with composites
Shell model
FEA
Pretension of shrouds
Κατάρτι
Δομικός σχεδιασμός
Σύνθετα υλικά
Πεπερασμένα στοιχεία
Προένταση στα ξάρτια
Πέππας, Γεώργιος
Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat
description Mast and rigs of a sailboat are the structural components responsible for transferring sail loads to the ship’s hull, thus, converting wind energy into kinetic energy. Masts are long and slender structures which should have sufficient stiffness and strength properties to effectively carry sail loads without buckling or exhibiting material failure. Composite materials are chosen when designing a mast tube not only due to their high strength- and stiffness-to-weight ratios but also due to the customizable properties of the final product their anisotropic nature offers. In this thesis, a composite mast of the 14m long sailboat ‘Oneiro’ is structurally analyzed and redesigned accordingly. An Analytical Method, based on Nordic Boat Standard, and a Finite Element (FE) Method, based on a Germanischer Lloyd Guideline, are selected and compared for the dimensioning and structural validation of mast, spreaders and shrouds. Buckling and material failure of the mast tube is assessed through these analyses. Moreover, an additional FEA, considering pretension of shrouds is performed, in purpose of evaluating the effect of this ‘real-life’ procedure on the elastic behavior and structural integrity of the mast and its components. However, in these FEA mast tube is generated from beam elements, thus, the various openings for different attachments along its length are not considered. For this reason, a FE Model of the mast with shell elements, including each real hole and opening, is structurally analyzed. Material failure is exhibited on critical mast segments close to openings, thus, patches with extra fabric plies are placed accordingly to offer sufficient support and eradicate failure.
author2 Peppas, Georgios
author_facet Peppas, Georgios
Πέππας, Γεώργιος
author Πέππας, Γεώργιος
author_sort Πέππας, Γεώργιος
title Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat
title_short Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat
title_full Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat
title_fullStr Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat
title_full_unstemmed Structural design of mast and rigging made of FRP composites for a racing sailing boat
title_sort structural design of mast and rigging made of frp composites for a racing sailing boat
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/15900
work_keys_str_mv AT peppasgeōrgios structuraldesignofmastandriggingmadeoffrpcompositesforaracingsailingboat
AT peppasgeōrgios domikosschediasmosistouapoproēgmenasynthetaylikagiaelaphryistioploïkoskaphos
_version_ 1771297219297673216