“50 ft Daysailer’s Preliminay Design” - master's degree thesis by Stefano Marano. General plans, sail plan, performance prediction, stability and scantlings according to ISO regulations, canting keel, zero-emission propulsion, rig design

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA NAVALE
TESI DI LAUREA
PROGETTO DI MASSIMA DI UN DAY SAILER DI 15m LFT
RELATORE:
CH.MO
PROF. ING. CARLO BERTORELLO
CANDIDATO:
MARANO STEFANO
Matricola M66/036

2. Day sailer…Belle di giorno
•
Lunghezza FT compresa tra 30 e 60 ft
•
Carena veloce e performante
•
Piano Velico per vento leggero
•
Semplicità di utilizzo
•
Manovre automatizzate e a scomparsa
•
Ampi spazi vivibili sul ponte
•
Interni essenziali o assenti
•
Linee semplici

3. Indagine statistica

4. Indagine statistica
6.0
SA/d2/3 = 1,1325LWL + 16,562
5.0
4.0
L/B 3.0
2.0
L/
1/3
= 0,0114LWL + 0,55
1.0
0.0
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
L/B = 0,109LWL + 2,4097
20
LWL
50.0
40.0
SA/d2/3
LWL = 14,90 m
30.0
20.0
10.0
0.0
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
LWL
1.0
L/
0.8
L/
1/3
L/Bmax = 4,00
0.6
1/3
= 0,72
Sa/d2/3 = 33,44
0.4
0.2
Wzav / = 0,38
0.0
9
10
11
12
13
14
15
LWL
16
17
18
19
20
= 8870 kg
d = 8,65 m3
Wzav = 3380 kg
Bmax = 3,78 m
Sa = 140 m2

5. La Carena
Lunghezza al galleggiamento
LWL
14.93
m
B
3.87
m
Larghezza al galleggiamento
BWL
2.97
m
Area fig. di galleggiamento
AW
30.2
m2
Superficie bagnata
SW
33.6
m2
Posizione centro di carena :
LCB
7.1
m
VCB
6.47
m
Volume (corpo canoa)
V
8.32
m3
Coef. prismatico
CP
0.58
Coef. di blocco
CB
0.36
Coef. finezza sez. maestra
CM
0.62
CW
0.68
L/B
3.87
B/T
7.46
Larghezza massima
Coef. finezza fig. di
galleggiamento
Rapporti:

6. Layout

7. Piano velico

8. Piano velico
Superficie velica effettiva di
bolina
SAeff
105,0
m2
SAR
88,0
m2
Superficie velica di
riferimento
P
17,40 m
E
5,93
I
15,42 m
J
4,80
m
Randa
70
m2
Fiocco
35
m2
Code 0
100
m2
Gennaker
145
m2
m
Pinna di deriva = Alk = 2,5 % SAR = 2,2 m2 - NACA 65-015
Timone = Al rud = 1,2% SAR = 1,00 m2
Lead = 2,8% LWL = 0,42 m
-
NACA 0009

9. Forze aereodinamiche
Forza motrice : FM = PA sen
Forza laterale: FH = PA cos
AW
AW
- RA cos
- RA sen
Momento sbandante: HM = FH h cos
AW
AW

10. Resistenza al moto
Rtotale a barca diritta = RCC + RK + Rrud + Rapp + RA
Rcc= resistenza del corpo canoa
RK = Resistenza della chiglia
Rrud = Resistenza del timone
Rapp = Resistenza altre appendici
RA = Resistenza di aria e di vento
Rtotale a barca sbandata = Rtot diritta + RK + RCC
Rcc= Incremento di resistenza dovuto allo sbandamento del corpo canoa
RK = Incremento di resistenza dovuto allo sbandamento della chiglia
Rbarca sbandata e scarroccio = Rtot sbandata + Rik + Ricc
Rik = R dovuto alla resistenza indotta della chiglia

11. Resistenza a barca diritta
Corpo canoa
Linea d’attrito ITTC’57
Rcc = RRc + RFc
Polinomio di Delft serie 4 del ‘96
Appendici, aria, vento
RVkeel + Rrudder + Rbulbo + Rsaildrive
RV app= ½ V2CFappAWapp (1+k)
(1+k) = 1+2(t/c) + 60 (t/c)4
Albero, sartiame, opera morta
RAi = ½
V2CDAi

12. Resistenza a barca diritta
Chiglia
Polinomio di Delft
Rk = RVk + Rik +Rrk
Portanza e Resistenza indotta , l’angolo di scarroccio
Ri (
k
)= ½
CRi ALatV2
Angolo di scarroccio ipotizzato
CP = a
= 2°

13. Incremento di resistenza a barca
sbandata
R( ) = Rr cc( ) + Rf cc( ) + Rr keel( )
Polinomi di Delft
Polinomio di Delft

14. Resistenza al moto

15. Resistenza al moto
Velocità (kn)

16. Equilibrio
F = FM – Rtot = 0
M = Msbandante – Mraddrizzante = 0
Input:
Velocità vento reale VTW
Angolo al vento reale TW
Punto di funzionamento:
RHM = RA
VAW
AW
FM
FH
HM
Ipotesi:
Velocità barca V
FM1
FM1
V1

17. Equilibrio
Chiglia al
centro
Velocità
Angolo al
Velocità
vento
vento
vento reale apparente apparente
VTW
VAW
Kn
Kn
Bolina
Bolina
Bolina
6,00
8,00
10,00
10,70
13,20
18,28
Bolina larga
Bolina larga
10,00
15,00
4,96
14,82
Condizione
Forza
laterale
Velocità Sbandame
della barca
nto
FH
VB
N
Kn
28,50
28,00
27,00
2858
4327
7700
6,40
7,00
11,00
10°
16°
31°
69,50
69,00
1276
3048
7,60
10,40
5°
12°
Chiglia
Basculante
AW
Velocità Angolo al
Velocità
vento
vento
vento reale apparente apparente
VTW
Condizione
Bolina chiglia
sbandata
Bolina chiglia
sbandata
Bolina chiglia
sbandata
VAW
Kn
Kn
8,00
13,30
10,00
15,00
Forza
laterale
Velocità Sbandame
della barca
nto
FH
VB
N
Kn
29,00
4756
7,80
2°
16,80
28,00
7000
9,70
10°
23,70
28,00
13000
12,30
32°
AW

18. Heel Angle Trim Angle
Origin
Righting
Area
Arm
Stabilità
Notes
(m-Rad)
(deg)
(deg)
Depth
(m)
(m)
0.00
0.00a
0.517
0.000
0.000
5.00p
0.08a
0.502
0.163
0.007
10.00p
0.07f
0.462
0.304
0.028
15.00p
0.28f
0.403
0.426
0.060
20.00p
0.52f
0.328
0.534
0.102
Righting Arm
A
r
25.00p
0.80f
0.239
0.632
0.153
R. Area
m
30.00p
1.12f
0.135
0.724
0.212
Equil ibrium
s
35.00p
1.48f
0.016
0.810
0.279
GMt
40.00p
1.88f
-0.118
0.893
0.353
n
45.00p
2.32f
-0.267
0.974
0.434
m
50.00p
2.76f
-0.423
1.042
0.523
55.00p
3.17f
-0.579
1.092
0.616
60.00p
3.55f
-0.733
1.124
0.713
65.00p
3.89f
-0.881
1.142
0.812
70.00p
4.18f
-1.023
1.149
0.912
75.00p
4.38f
-1.143
1.210
1.014
80.00p
4.50f
-1.255
1.235
1.121
85.00p
4.57f
-1.368
1.197
1.228
90.00p
4.56f
-1.468
1.148
1.330
95.00p
4.49f
-1.555
1.087
1.428
100.00p
4.34f
-1.627
1.016
1.519
105.00p
4.13f
-1.684
0.936
1.605
110.00p
3.85f
-1.727
0.849
1.683
115.00p
3.51f
-1.755
0.756
1.753
120.00p
3.12f
-1.768
0.657
1.814
121.24p
3.01f
-1.770
0.632
1.828
125.00p
2.68f
-1.769
0.554
1.867
130.00p
2.20f
-1.759
0.447
1.911
135.00p
1.71f
-1.739
0.337
1.945
140.00p
1.20f
-1.711
0.229
1.970
145.00p
0.69f
-1.675
0.124
1.985
150.00p
0.18f
-1.634
0.029
1.992
151.69p
0.01f
-1.619
0.000
1.992
Righting Arms vs. Heel
Equil
Heel angle (Degrees)
0.0s
50.0p
100.0p
150.0p
1.0
0.5
0.0
FldPt
RaZero
Allagamento
Capovolgimento
i

19. Stabilità – ISO 12217-2
mMOC = 8430 kg LCG= 7.04m VCG = 0.06m
Monohull Stability Index (STIX)
INPUTS
DOWNFLOODING ANGLE
Required downflooding angle
cat A & B
Expected downflooding angle
D(R) =
40°
D = 121,24°
ANGLE OF VANISHING STABILITY
Displ.
mMOC
8430kg
Required angle of vanishing stability
Cat. A
113,1°
V(R)
Expected angle of vanishing stability
V
151,7
°
DOWNFLOODING HEIGHT
Minima altezza richiesta secondo
annexA
Limiti secondo categoria:
hD(R)
0,49 m
cat A:
0,5 < hD(R) < 1,41
cat B:
0,4 < hD(R) < 1,41
Altezza prevista :
hD
0,63
m
Overall Hull Length
Length Waterline
Flooded Buoyancy
(Y/N)
Beam Waterline
Beam
Displacement MOC
Displacement Max
Height of CE above
DWL
Height of CLR below
DWL
Angle of vanishing
stability
Downflooding angle,
(Afl)
GZ at downflooding
angle
GZ at 90 degrees
Sail Area
Area to flooding (Agz)
Area to AVS
RESULTS
15,00
14,95
m
m
Base Length Factor (LBS)
FL
14,97
1,06
N
2,95
3,88
8430,00
9000,00
m
m
kg
kg
Displacement Length Factor (FDL)
FB
Beam Displacement Factor (FBD)
FR
Knockdown Recovery Factor (FKR)
0,89
2,02
0,98
6,10
1,38
7,39
m
Inversion Recovery Factor (FIR)
1,27
0,78
m
Dynamic Stability Factor (FDS)
0,50
151,70
deg
Vaw (Only if Dfl<90)
0,00
121,24
deg
Wind Moment Factor (FWM)
1,00
0,61
1,15
107,30
1,83
1,99
m
Downflooding Factor (FDF)
m
sq.m
m.rad STIX
m.rad
DESIGN CATEGORY
Wave height max
Windspeed max.
1,25
0,00
39,62
A
7 metres
Force 10

20. Strip Planking
Compensato
Fianco
Fondo
Chiglia

21. Dimensionamento Strutturale – ISO 12215-2
Carichi
•
•
•
•
•
•
•
Design category factor kDC
Dynamic load factor nCG
Longitudinal pressure distribution factor kL
Area pressure reduction factor kAR
Hull side pressure reduction factor kZ
Superstructure pressure reduction factor kSUP
Light and stable sailing craft pressure correcting
factorfor slamming kSLS

22. Dimensionamento Strutturale – ISO 12215-2
Fasciame
Fasciame
Elemento
strutturale
Density
Essenza
Mogany, American
Red cedar
Strip plank del fianco
Strip plank del fondo
Compensato
Elemento
strutturale
Fasciame del fondo
Fasciame del fianco
W
Mogany, American
Cedar
uf
Ultimate
shear strenght
u
kg/m3
N/mm2
N/mm2
497
368
40
31
10,0
6,8
Plywood Density
Essenza
Ultimate
flexural
strenght
PW
kg/m3
600
400
Number of
ply
Nply
7
7
Elastic modulus
Ef//
Efpp
2 N/mm2
N/mm
8698
7176
Ultimate flexural
strenght
uf//
Desig stress
ufpp
1218
1005
Ultimate shear
strenght
u
N/mm2 N/mm2 N/mm2
43
33
35
27
Spessore
N/mm2
t
mm
20,0
15,5
30,0
30,0
d
Elastic modulus
Ef//
Efpp
N/mm2 N/mm2
5538
3644
4114
2707
Desig stress
d
N/mm2
21,5
17,5
Spessore
t
mm
20
20

23. Dimensionamento Strutturale – ISO 12215-2
Rinforzi
= 0 x strip planking
be=
= 0,5 / 1 x compensato
Area efficace fasciame associato Ap = KE0-90 x tp x be
Compensato Rinforzi
Elemento
strutturale
Elementi di
rinforzo
Essenza
Mogany, American
Plywood Density
PW
Number of
ply
Nply
kg/m3
600
Ultimate flexural
strenght
uf//
ufpp
Ultimate shear
strenght
u
N/mm2
7
N/mm2
N/mm2
40
32
12
Elastic modulus
Desig stress
Ef//
Efpp
2 N/mm2
N/mm
N/mm2
5375
4250
d
18,0

24. Dimensionamento Strutturale
Confronto
PESO (kg)
costruzione in
costruzione in
strip planking
compensato
Fasciame del fondo
562,3
473,3
Fasciame del fianco
449,9
331,4
Rivestimento in vetroresina
124,7
124,7
Paratie
168,3
168,3
Rinforzi
194,0
178,0
1499,2
1275,6
ELEMENTO
Peso Scafo

25. Chiglia basculante

26. Chiglia basculante

27. Confronto bracci di stabilità
Chiglia diritta
Chiglia a 38°
Hm chiglia a 38°
Sopravvento
Sottovento

28. Chiglia basculante
t = 8s
m
W
P
L2
L1
Fc
R
3383
33,19
2,60
2,4
0,5
159
-192
kg
kN
kN
m
m
kN
kN
Poliuretano
VTR
Acciaio inox
25
Massa zavorra
Peso
Lift (scarroccio 3°, V=7Kn)
braccio peso
braccio leva
Sforzo sul pistone
Reazione cerniera

29. Chiglia basculante
Indice di stabilità
Chiglia al
Chiglia
inclinata di 38 sopravvento
centro
inclinata a 38
Base Length Factor (LBS)
14,97
14,97
FL
1,06
1,06
Displacement Length Factor (FDL)
0,89
0,89
FB
2,02
2,02
Beam Displacement Factor (FBD)
0,98
0,89
FR
6,10
5,00
Knockdown Recovery Factor (FKR)
1,38
1,29
Inversion Recovery Factor (FIR)
1,27
1,06
Dynamic Stability Factor (FDS)
0,50
0,50
Wind Moment Factor (FWM)
1,00
1,00
Downflooding Factor (FDF)
1,25
1,25
39,62
33,33
Confronto tra le condizioni di chiglia al centro e chiglia
STIX
Ripristino superficie di
deriva

30. Propulsione ausiliaria zero emission
PE (W)
Potenza al freno
10000
9000
8000
D = 0,60
M=
7000
0,85
V = 5kn
Vento di prua 5kn
Incremento effetto mare 20 %
PB = 4529 W
6000
5000
4000
PE
3000
2000
1000
0
0.00
2.00
4.00
6.00
V (kn)
Capacità fornita:
7,5 kW
Regolatore di tensione: 48 V
RPM massimi:
1000
Tecnologia del motore: asincrono
Peso :
40kg
8.00
10.00

31. Propulsione ausiliaria zero emission
BATTERIE LITIO IONI - MLI ULTRA 24/5000
180 Ah
Rendimento
s
0,95
Energia totale
richiesta
Eb
27648
DOD
0,80
numero batt. in serie
Ns
2
tensione singola batt
VB
24
V
tensione capi serie
VS
48
V
34239
Wh
713
Ah
Profondità di carica
Capacità
Q
Numero serie
n
4
Capacità serie
Qs
178
Wh
Ah
Numero batterie
8
Peso accumulatore
58
kg
Capacità accumulatore
180
Ah
Peso banco
464
kg

32. Albero e sartiame.
Dimensionamento secondo standard NBS
Carico di progetto: RM(30°) = 90674 Nm
Sartie: Tondino acciaio Nitronic 50
Sartia
Sigla
Diametro
Carico di
Peso
rottura
mm
kg
kg/mm
D1
SRR 16,7
16,76
30000
1,74
D2
SRR 8,5
8,50
7858
0,44
D3 e V2
SRR 7,1
7,10
5670
0,31
V1
SRR 12,7
12,70
18409
1,00
Strallo
SRR 9,5
9,5
10220
0,56
Albero: alluminio sparcraft S830
Carico di progetto
PT 81688 N
Minimo momento di inerzia trasversale
Ix
714
cm4
Minimo momento di inerzia longitudinale Iy
2037
cm4