W związku ze zmieniającymi się warunkami klimatycznymi oraz potrzebą redukcji śladu węglowego, w ostatnich latach znacznie wzrosła wartość rynku łodzi elektrycznych. W 2015 roku w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie pojawiła się idea utworzenia koła naukowego budującego łodzie zasilane energią słoneczną, zdolne do pływania przez wiele godzin, bez zatrzymywania się. W przyszłym roku mija 10 lat od utworzenia koła naukowego AGH Solar Boat, za którym stoi grupa studentów budujących najbardziej efektywne łodzie elektryczne, rywalizujące z sukcesami od wielu lat w międzynarodowych zawodach. Zapraszamy do przeczytania artykułu „Jak oprogramowanie Ansys uskrzydliło proces projektowania wyścigowej łodzi solarnej rywalizującej w zawodach w Monako” opisującego proces projektowania łodzi “Celka”, w którym kluczową rolę odegrały symulacje MES w środowisku Ansys.
Spis treści
- Zespół
- Symulacje MES – kalibracja sztywności i wytrzymałości modelu tkaniny w Ansys ACP
- Kadłub
- Pylon
- Hydroskrzydła
- Podsumowanie
Zespół
Zespół koła naukowego AGH Solar Boat składa się z blisko 100 studentów z różnych wydziałów Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Wszystkich łączy cel budowania doskonałych konstrukcji zmieniających branżę wodnej elektromobilności. Jak dotąd w wyniku prac koła powstały dwie łodzie autonomiczne oraz dwie łodzie solarne. Najnowsza z łodzi solarnych – „Celka” – odniosła w lipcu tego roku wielki sukces podczas prestiżowych zawodów Monaco Energy Boat Challenge, gdzie zdobyła 3 miejsce (rys. 2).
Rys. 1. Zespół AGH Solar Boat podczas Monaco Energy Boat Challenge 2024
„Celka” to sześciometrowa łódź wyścigowa napędzana wyłącznie energią pochodzącą z paneli fotowoltaicznych umieszczonych na pokładzie. Łódź mierzy 6 m długości, 1,70 m szerokości, a jej masa wynosi 130 kg. W celu zapewnienia najwyższej możliwej efektywności łodzi „Celka”, wyposażono ją w system hydroskrzydeł minimalizujących opory hydrodynamiczne oraz pozwalających na osiąganie wyższych prędkości.
Rys. 2. „Celka” podczas zawodów Monaco Energy Boat Challenge 2024
Symulacje MES – kalibracja sztywności i wytrzymałości modelu tkaniny w Ansys ACP
Z założenia „Celka” miała posiadać jak najniższą masę, co było kluczowe w maksymalizacji sprawności łodzi podczas wyścigów. Chcąc zrealizować ten cel, postawiono na wykonanie jak największej liczby elementów nośnych z ultralekkich materiałów kompozytowych.
Podczas projektowania „Celki” wykonano setki próbek materiałowych przeznaczonych do testów wytrzymałościowych oraz kalibracji materiałów w Ansys Mechanical. Materiał skalibrowano pod względem sztywności tak, aby w modelu MES uzyskiwać odkształcenia zgodne z wynikami pomiaru próbek.
Rys. 3. Pomiar wytrzymałości na rozciąganie
Rys. 4. Symulacja rozciągania próbki – kalibracja sztywności modelu materiału
Rys. 5. Próba trójpunktowego zginania przeprowadzana dla próbki z tkaniny jednokierunkowej
Kolejnym etapem po skalibrowaniu sztywności było porównanie rzeczywistej próbki i tej uzyskanej z analiz MES (rys. 3).
Z porównania eksperymentu z MES wynikało, że średnia siła niszcząca próbkę wyznaczona z eksperymentu była zaledwie o 1,5% większa, niż wynikało to z obliczeń numerycznych (rys. 4 i 5).
Kadłub
Spośród wszystkich obliczeń MES przeprowadzonych podczas projektowania „Celki” największym wyzwaniem okazała się analiza kompozytowej struktury nośnej łodzi. Została ona zaprojektowana jako monokok, czyli kadłub trwale połączony z pokładem oraz wewnętrznym użebrowaniem. Materiały użyte do budowy kadłuba to głównie węglowe tkaniny preimpregnowane, aramidowe przekładki honeycomb oraz rdzenie piankowe o różnej gęstości. Laminaty wchodzące w skład struktury łodzi zostały zamodelowane z użyciem modułu ACP jako elementy powłokowe oraz w nielicznych miejscach elementy bryłowe, np. lite wstawki wokół gniazd do osadzenia łożysk.
Na rys. 7 przedstawiono wybrane scenariusze obciążeń „Celki”, które okazały się najistotniejsze przy ocenie wytrzymałości. Były to między innymi:
a) siły hydrodynamiczne przenoszone na łódź przez pylony,
b) ciśnienie wywierane na różne powierzchnie kadłuba w związku z uderzeniem fali bądź spadkiem łodzi do wody podczas lotu,
c) lokalne obciążenia wywierane przez sternika podczas wchodzenia na łódź bądź podczas ewakuacji z łodzi na różne (w tym niepożądane) punkty podparcia.
Na rys. 8. i rys. 9. pokazano przykładowe mapy wytężenia laminatów w kadłubie oraz w użebrowaniu uzyskane w jednej z pośrednich iteracji projektu. Na ich podstawie planowane były dalsze wzmocnienia oraz optymalizacja struktury. W myśl zasady fail safe łódź była projektowana w taki sposób, aby w ekstremalnych warunkach obciążenia przewyższających oczekiwania, ewentualne zniszczenia występowały preferencyjnie w obszarach możliwych do naprawy i nie prowadzących do całkowitej katastrofy konstrukcji. Na rys. 10. przedstawiono wyniki analizy progressive damage przeprowadzonej dla jednego z krytycznych przypadków obciążenia. Wykazano, że lokalne pęknięcie pokładu w rejonie wokół sternika będzie propagować wzdłuż jednego z głównych kierunków włókien w laminacie i doprowadzi do przerwania ciągłości odcinka pokładu, jednak nie będzie stanowić zagrożenia dla integralności reszty struktury kadłuba.
Rys. 9. Mapy wytężenia laminatów w użebrowaniu
Pylon
W projekcie łodzi „Celka”, symulacje przepływowe CFD zostały zastosowane szczególnie jako źródło danych do symulacji MES oraz jako kryterium efektywności komponentów ze względu na generowane siły nośne i oporu.
Kluczowym do przeprowadzenia analizy wytrzymałościowej pylonów była symulacja CFD przepływu wody z wysoką prędkością pod niekorzystnym kątem, co miało odzwierciedlić ostry skręt lub awarię steru łodzi.
Domena obliczeniowa została zamodelowana o długości równej 50 krotności cięciwy pylonu, zaś szerokość i wysokość domeny równa była 20 krotności cięciwy pylonu. Zadano na ścianie geometrii warunek brzegowy no-slip.
Liczba Reynoldsa w symulacji wyniosła ok. 1 miliona, jako parametr Y+ przyjęto wartość równą 50. Siatka numeryczna została zagęszczona z wykorzystaniem body of influence oraz warstw inflacyjnych. Liczba elementów wielościennych wyniosła 16 milionów.
Processing przeprowadzono w programie Ansys Fluent, z zadaną prędkością wody na wpływie równą 12 m/s zrzutowanej pod kątem 30 stopni. Wykorzystano model turbulencji k-omega SST. Otrzymane wyniki zaimportowano i wykorzystano w symulacji MES.
Rys. 13. Zaimportowany do Ansys Mechanical rozkład ciśnienia na pylonie
Największe ryzyko zniszczenia w materiale kompozytowym, z którego zbudowany jest pylon, sygnalizowane jest przez kryterium maksymalnych odkształceń, wskazujące na spękanie osnowy kompozytu (żywicy), co jest spowodowane wciskaniem pylonu w oś prowadzącą. Można również zauważyć na mapie wytężenia, że kompozyt na okładkach pylonu jest poddawany dużym naprężeniom zginającym. Rdzeń piankowy analizowany był pod kątem naprężeń ścinających.
Rys. 14. Wyniki rozkładu naprężeń i mapa wytężenia kompozytu na pylonie
Przeprowadzone analizy potwierdziły, że pylony są w stanie wytrzymać wszystkie przewidywane obciążenia z uwzględnieniem przyjętych współczynników bezpieczeństwa (w tym pokrywających przebadany rozrzut własności materiałów kompozytowych produkowanych w warsztacie Solar Boat). Równomierny rozkład wytężenia laminatu świadczy o wysokim stopniu wykorzystania potencjału użytych materiałów.
Hydroskrzydła
„Celka” posiada 3 hydroskrzydła, z czego dwa przednie są sterowalne przez sternika. Sternik przy zmiennej prędkości łodzi dostosowuje kąt natarcia przednich płatów tak, aby „Celka” miała dostarczoną optymalną siłę nośną.
Jako największe z komponentów znajdujących się pod wodą podczas latania, płaty nośne muszą być maksymalnie efektywne oraz wytrzymałe. W Celce stworzyliśmy skrzydła złożone z profilów NACA64A715, NACA6409 oraz Eppler908.
Jako kryterium wyboru profilu i finalnego skrzydła stosujemy współczynniki siły nośnej, siły oporu oraz siły, momenty i ich rozkład na skrzydle. Skrzydła są symulowane w tej samej domenie obliczeniowej, co minimalizuje różnice wynikające z różnych ustawień symulacji. W symulacji zastosowano warunek brzegowy symetrii, pozwalający na znaczne ograniczenie czasu obliczeń. Analizę sparametryzowano w Ansys Workbench, otrzymując wyniki względem różnych prędkości wody oraz kąta natarcia płata, co było kluczowe do oceny.
Rys.16 Użytkowane w „Celce modele skrzydeł. Analizy przeprowadzono z użyciem symetrii: a) skrzydło o profilu NACA6409, b) skrzydło o profilu NACA 64A715, c) tylne skrzydło o profilu Eppler908
Rys.17. Siatka obliczeniowa stosowana w symulacji: a) przekrój domeny, b) przekrój domeny z widocznym profilem i inflacją
Wyniki porównano na wykresie, z którego wynikało, że profil NACA6409 posiada wyższą sprawność niż NACA64A715 w mniejszych kątach natarcia. Ponadto przy tej samej sile oporu generuje wyższą wartość siły nośnej.
Wykonano również analogicznie symulacje dla profilu Eppler908, który miał zostać na stałe zamocowany jako tylne skrzydło „Celki”. Z racji na brak sterowalności tylnym skrzydłem, należało określić najbardziej sprawny kąt natarcia, pod jakim zamontowano by skrzydło. Z symulacji wynika, że przy kącie natarcia –1°, skrzydło sprawuje się najlepiej.
Podsumowanie
Symulacje komputerowe w środowisku Ansys były kluczowym narzędziem użytym w procesie projektowania łodzi „Celka”. Dzięki przeprowadzeniu analiz, byliśmy w stanie określić niebezpieczne miejsca w konstrukcji kadłuba i pylonów, które mogliśmy zabezpieczyć przed awarią. Dzięki symulacjom mogliśmy wprowadzić ewentualne poprawki już na etapie projektu, oszczędzając znacznie czas i pieniądze. Symulacje pozwoliły na znaczne zwiększenie bezpieczeństwa łodzi, redukcję masy i przyczyniły się do zbudowania konstrukcji będącej w stanie rywalizować w międzynarodowych zawodach z najlepszymi.
Autorzy: Paweł Geras (pawel.geras@solarboat.agh.edu.pl), Michał Szewczyk (szewczyk.michal96@gmail.com), Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco
