Université du Québec à Chicoutimi · Université du Québec à Chicoutimi MODULE D’INGÉNIERIE GÉNIE MÉCANIQUE PROJET DE CONCEPTION EN INGÉNIERIE 6GIN333 Rapport final préliminaire

Université du Québec à Chicoutimi

MODULE D’INGÉNIERIE

GÉNIE MÉCANIQUE

PROJET DE CONCEPTION EN INGÉNIERIE

6GIN333

Rapport final préliminaire

Mécanisme de déploiement d’un hydrofoil en fonctio n de la vitesse

Préparé par

Nadia Néron

Vanessa Girard

Frédéric Poirier

Pour

Germain Côté

GENCOTECH

Le vendredi 16 Avril 2010

CONSEILLÈRE : Marie-Isabelle Farinas

Mécanisme de déploiement d’un hydrofoil 2010

I

COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing

Approbation du rapport pour diffusion

Nom du conseiller

Date

Signature


II

Remerciements Nous tenons tous particulièrement à remercier Mme. Marie-Isabelle Farinas pour l’aide

technique et le support qu’elle nous à apporter tout au long de ce projet.

De plus, M. Germain Coté nous à offert sur un plateau d’argent ce fabuleux projet qui à sue

nous tenir animer tout le long de la session.

Merci à tous!


III

Résumé

Certains amateurs d’embarcations de plaisance tentent de bien des façons de repousser les limites physiques de leur bateau. L’effet recherché est de pouvoir aller plus vite. L’installation d’hydrofoils, qui élimine une bonne partie du frottement entre la coque et l’eau, est l’une des façons d’arriver à ces fins. Présentement, ce type de système peut être placé sur un très grand éventail d’embarcations, qu’elles soient à moteur ou à voile. Dans certains cas, les hydrofoils sont rétractables manuellement lorsque le bateau est en position stationnaire. L’objectif est de concevoir un mécanisme permettant aux hydrofoils de se déployer automatiquement, et ce, en fonction de la vitesse de l’embarcation. Pour ce faire, certaines contraintes ont été identifiées :

· Le type de mécanisme utilisé; · L’aérodynamisme des flotteurs; · L’absence d’intervention humaine.

Considérant que ce pouvait être une solution plausible, la possibilité d’utiliser un mécanisme composé d’un treuil électrique et d’une poulie a été étudiée.

Tout d’abord, les multiples recherches effectuées ont permis de choisir une embarcation : le Windrider Rave, un trimaran biplace possédant un système de déploiement manuel des hydrofoils. Ensuite, les recherches se sont concentrées sur les types de mécanisme pouvant être utilisés. Finalement, certains calculs et simulations ont été effectués sur Solidworks dans le but d’évaluer l’effet des forces appliquées sur l’hydrofoil soit, celles de l’eau et du mécanisme.

Suite à l’ébauche et à la comparaison de plusieurs modèles de mécanismes, un système de treuil utilisant une poulie permettant de guider un câble jusqu’à l’hydrofoil a été conçu. Il permettra d’automatiser le déploiement de l’hydrofoil et de l’adapter à la vitesse du trimaran. Le treuil étant fixé au bras de liaison1, le positionnement des diverses composantes du mécanisme n’affecte en rien l’aérodynamisme et la forme des flotteurs. Lesdites composantes ajoutent, cependant, du poids à l’embarcation. Par ailleurs, les calculs et simulations ont permis de prouver que le système est réalisable, car aucune déformation et aucune contrainte dans les composantes ne sont critiques.

1 Éléments important permettant de relier les éléments de la plate-forme.


IV

Table des matières Remerciements ................................................................................................................................ II

Résumé ............................................................................................................................................ III

Liste des tableaux ............................................................................................................................ V

Liste des figures ............................................................................................................................... V

Nomenclature ................................................................................................................................. VI

Introduction ...................................................................................................................................... 1

Présentation du projet ..................................................................................................................... 2

1. Description de l’équipe de travail ......................................................................................... 2

2. Problématique et état de l’art reliés au projet ..................................................................... 2

3. Objectifs généraux et spécifiques du projet ......................................................................... 2

Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet .................................................. 3

4. Recherches préliminaires ...................................................................................................... 3

5. Sélection du modèle de base ................................................................................................ 4

6. Conception du mécanisme .................................................................................................... 8

7. Calculs .................................................................................................................................. 13

7.1. Valeur de la largeur du foil ........................................................................................... 13

7.2. Force appliquée par le moteur .................................................................................... 14

7.3. Rétraction de l’hydrofoil .............................................................................................. 16

8. Dessins des composantes .................................................................................................... 17

9. Analyse de la résistance ...................................................................................................... 17

9.1. Simulation pour l’hydrofoil avec une jambe de force pleine ...................................... 18

9.2. Simulation pour l’hydrofoil avec une jambe de force vide .......................................... 21

Bilan des activités ........................................................................................................................... 23

10. Arrimage formation pratique/universitaire .................................................................... 23

11. Travail d’équipe ............................................................................................................... 24

12. Respect de l’échéancier ................................................................................................... 24

Analyse et discussion...................................................................................................................... 25

Conclusion et recommandations ................................................................................................... 26


V

Bibliographie .................................................................................................................................. 27

Annexe A ........................................................................................................................................ 28

Annexe B ......................................................................................................................................... 29

1. Calculs effectués avec Mathcad .......................................................................................... 29

Liste des tableaux Tableau 1 Embarcations sur le marché .......................................................................................................................... 5

Tableau 2 Mécanismes de déploiement existants.......................................................................................................... 6

Tableau 3 Type de foil existant ....................................................................................................................................... 7

Tableau 4 : Systèmes potentiels ..................................................................................................................................... 8

Tableau 5 : Comparaison entre le câble et la corde plasma......................................................................................... 10

Tableau 6 Variables pour le calcul de la rétraction de l'hydrofoil ................................................................................ 16

Tableau 7 Vitesse minimal pour qu’un hydrofoil se rétracte par force de portance selon différentes masse

d’hydrofoil. ................................................................................................................................................................... 17

Liste des figures Figure 1 Schéma calcul de tension du câble ................................................................................................................... 9

Figure 2 Treuil électrique sélectionné ............................................................................................................................. 9

Figure 3 Corde plasma.................................................................................................................................................. 10

Figure 4 Schéma calcul de la force maximale sur la poulie .......................................................................................... 11

Figure 5 Poulie sélectionnée ......................................................................................................................................... 11

Figure 6 Windrider Rave ............................................................................................................................................... 12

Figure 7 Assemblage mécanisme et embarcation ........................................................................................................ 13

Figure 8 DCL des forces ................................................................................................................................................ 15

Figure 9 Application des forces .................................................................................................................................... 17

Figure 10 Contrainte VonMises ................................................................................................................................... 18

Figure 11 Distribution facteur de sécurité .................................................................................................................... 18

Figure 12 Facteur de sécurité <10 ................................................................................................................................ 19

Figure 13 Déplacement résultant statique ................................................................................................................... 20

Figure 14 Déformation ................................................................................................................................................. 20

Figure 15 Contrainte VonMises .................................................................................................................................... 21

Figure 16 Distribution facteur de sécurité .................................................................................................................... 21

Figure 17 Facteur de sécurité <10 ................................................................................................................................ 22


VI

Nomenclature a CL

Long m

m ρ mv

Fm W P La Pui Sh

S, Sf

Vma

Vmax Vmin

Va

Accélération Coefficient de portance Longueur du plan porteur de l’hydrofoil Masse Masse de l’hydrofoil Masse volumique Masse volumique de l’hydrofoil Force du moteur Poids de l’embarcation (masse & capacité) Portance Profondeur du plan porteur de l’hydrofoil Puissance Surface du plan porteur de l’hydrofoil Surface de l’hydrofoil Vitesse instantanée Vitesse maximale Vitesse minimale Volume approximé de l’hydrofoil

m/s2

m kg kg kg/m3 kg/m3 N N N m Watt m2

m2

m/s m/s m/s m3


1

Introduction

La navigation est présentement une activité de plus en plus populaire dans la région du

Saguenay-Lac-St-Jean. Les gens sont de plus en plus attirés par les loisirs peu couteux à long

terme, c’est pourquoi ils optent pour les embarcations à voile. Le fait est que l’augmentation

continue du prix de l’essence pousse la population à choisir des moyens gratuits de profiter des

plaisirs extérieurs. Il est évident que la pratique sportive des embarcations à voiles a ses limites

au niveau de la vitesse. Par le fait même, certains spécialistes de la navigation, ayant des

connaissances en mécanique des fluides, ont permis de repousser ces dites limites. Pour ce

faire, « Emmanuel Denis Farcot, inventeur des hydrofoils en 1869, décida d’installer plusieurs

petits foils le long d’une coque pour ainsi diminuer la traînée tout en soulevant le bateau »[10].

Avec le temps, les hydrofoils ont été modifiés de différentes façons, premièrement pour

permettre au bateau à moteur faisant le transport entre les îles d’Hawaï d’effectuer le trajet

beaucoup plus rapidement et en second, pour optimiser au maximum la rapidité des bateaux à

voiles de compétitions. Aujourd’hui, le principe des hydrofoils se retrouve sur un éventail

grandissant d’embarcations, que ce soit à moteur ou à voile. Dans le cadre de ce projet,

l’embarcation qui sera utilisée comme base sera le trimaran de marque Windrider Rave lui-

même possédant des hydrofoils. Ce bateau à voile est composé de trois coques, une centrale et

deux autres de chaque côté, là sont situés les hydrofoils utilisés pour la conception.

Dans certain cas les hydrofoils peuvent être descendus dans l’eau ou bien tout simplement

inactifs. C’est ici que le projet entre en jeu, car pour tous les principes rétractables existant sur

le marché, aucun n’est automatique. Le but premier de ce projet est donc de concevoir un

mécanisme de rétractation de l’hydrofoil fonctionnant automatiquement, sans aucune

intervention manuelle. Ici, un seul flotteur sera utilisé pour les tests.

Le mécanisme autonome devra répondre à certains critères de base. Premièrement, les

contraintes de poids doivent être respectées, aucun surplus ne devra être ajouté sur les

flotteurs ou la coque de l’embarcation. De plus, en aucun cas l’aérodynamisme ne pourra être

changé, ce serait un retour en arrière. Finalement, les contraintes par rapports l’environnement

auquel le mécanisme devra être exposé par exemple, l’eau et le vent, est à prendre en

considération lors de la sélection des pièces.


2

Présentation du projet

1. Description de l’équipe de travail

Dans le cadre de ce projet, M. Germain Coté, ingénieur pour l’entreprise

GENCOTECH est le promoteur et Mme Marie-isabelle Farinas professeur au département

des sciences appliquées, est la conseillère.

2. Problématique et état de l’art reliés au projet

Dans ce projet, la problématique principale était de comprendre le principe d’une

embarcation à voile, plus spécifiquement le trimaran. Après avoir passé une majeure

partie du temps sur la recherche d’indications pour le fonctionnement de ce type de

bateau, il était essentiel de choisir un modèle qui devait être utilisé comme base du

projet. Suite au choix de l’embarcation, une nouvelle problématique est apparue. Pour

être en mesure d’assurer une conception réaliste, il était nécessaire de connaître les

spécifications sur les dimensions du Windrider Rave. Ces données étant disponibles en

très faible quantité, l’approximation visuelle a été utilisée en grande majorité pour

déterminer les dimensions du flotteur et de l’hydrofoil. Par contre, le poids, la longueur

de l’hydrofoil et sa largeur étaient connus, ce qui a permis de connaître la portance et la

force nécessaire au niveau du moteur électrique. De plus, certaines notions de

mécanique et dynamique des fluides ont été utilisées pour la conception du système de

rétractation automatique.

3. Objectifs généraux et spécifiques du projet

L’objectif est de concevoir un mécanisme permettant aux hydrofoils de se

rétracter ou bien de se déployer automatiquement, et ce, en fonction de la vitesse de

l’embarcation. Dans le plan de travail, il était spécifié que le système serait conçu pour

être installé sur un trimaran monoplace. Cependant, le projet a pris une orientation

quelque peu différente. En effet, l’embarcation utilisée pour l’implantation du

mécanisme automatique de déploiement des hydrofoils est maintenant un trimaran

biplace, soit le Windrider Rave. Ce choix s’explique par le fait que cette embarcation

possède déjà des hydrofoils qui se rétractent manuellement lorsque désiré. Il a donc été

convenu qu’il serait plus simple de concevoir un mécanisme de déploiement

automatique à partir de quelque chose qui existe déjà. On a pu, par la suite, se

concentrer sur l’objectif principal du projet qui est la conception du système mécanisme

en soi.


3

Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet

4. Recherches préliminaires

Tout d’abord, certains termes doivent être définis pour parvenir à comprendre

clairement le sujet étudié. Le secteur nautique englobe une multitude d’expressions,

c’est pourquoi les premières recherches sont basées sur celles-ci.

Le trimaran[1] est un bateau à voile muni de 2 flotteurs disposés de chaque côté

d’une coque principale qui est beaucoup plus volumineuse. Cette embarcation est

souvent utilisée pour la navigation de plaisance et la compétition en haute mer. Sur

certains trimarans, il est possible de positionner un objet leur permettant pratiquement

de voler, on le nomme le foil et dans certains cas l’hydrofoil. Le foil[1] est défini comme

un plan porteur ayant la capacité de permettre au bateau de s’élever au-dessus de l’eau

lorsque leur vitesse augmente. L’hydrofoil[1] se décrit comme l’ensemble, dans le sens où

il est formé d’une jambe de force rattachée au foil. Dans certains cas, la jambe est

remplacée par une géométrie quelconque (voir tableau 2). Lorsque l’on parle de coque[1]

centrale ou de flotteur[1], il s’agit des éléments principaux de la conception d’un bateau.

Ces deux termes désignent l’objet servant à assurer la flottabilité des embarcations

nautiques.


4

5. Sélection du modèle de base

Les différents modèles de bateau trouvés et correspondant à nos critères sont

listés dans le tableau 1 soit l’Astusboat, le Virusboat et le Windrider Rave. En observant

les différentes caractéristiques de chacun d’eux, le WindRider Rave est l’embarcation de

référence idéale parce qu’il est déjà conçu avec des hydrofoils.

Dans le tableau 2, on a répertorié les types de mécanisme existants sur le marché

et ceux possédant un brevet. Chacun de ces dispositifs possède leurs avantages et

inconvénients. Dans la majorité des cas, le système est soit trop encombrant, trop lourd

ou bien non adapté à l’embarcation qui a été choisie. Finalement, le choix a été facile, le

principe de quille rétractable est pour le projet le système le plus avantageux. Étant

donné que le WindRider Rave possède déjà ce mécanisme, ce dispositif est sans doute

adapté pour ce type d’embarcation et ne brime en aucun cas l’aérodynamisme des

flotteurs.

Dans ce tableau 3, les types d’hydrofoil existant y sont comparés. Pour être en

mesure de faire un choix éclairé, on a séparé les avantages des inconvénients pour

chaque type. Certains modèles d’hydrofoil ne facilitent pas la conception d’un système

de rétractation. C’est pourquoi nous avons encore sélectionné le modèle existant sur

l’embarcation choisie. Le modèle en T est beaucoup plus solide et diminue les risques de

ventilation. Où la ventilation est une dépression qui descend en dessous de la pression

atmosphérique, l’air est « aspiré » vers le bas et cause un « trou dans l’eau ». Outre un

sillage plus important, ce phénomène cause surtout une perte d’efficacité du foil,

particulièrement désagréable autour du safran d’un gouvernail.


5

Tableau 1 Embarcations sur le marché

Modèle de bateau à voile Caractéristiques

L’Astusboat

• Longueur de 4,18m

• Largeur de 2,5m

• Transporte facile

• Capacité d’embarquement :

maximum de 2 personnes

• Restriction par rapport à la

grosseur

Virusboat

• Longueur de 5,5m

• Largeur de 4,3 m

• Très léger, facilement

transportable

• Capacité d’embarcation :

maximum de 4 personnes

Windrider Rave

• Longueur de 5,2 m

• Largeur de 5,2 m

• Très léger : 400 lb

• Facile à transporter

• Capacité maximum de 2

personnes

• Déjà muni d’hydrofoils sur

chaque flotteur


6

Tableau 2 Mécanismes de déploiement existants

Mécanisme Brevet ou Lien Défauts Avantages

L'hydrofoil est monté à

l'arrière des flotteurs, les

deux flotteurs sont ouverts

à l'arrière pour permettre

la descente des foils

http://www.rivieres.info/antho

/principe_elfe/ensemble.htm

• Encombrement de l'embarcation par le mécanisme

• Ajout de poids sur les flotteurs

Très résistant aux contraintes de l'eau

Système hydraulique

permettant la monté et la

descente de l'hydrofoil.

Pour grandes

embarcations

http://www.maritimedynamics

.com/retractable_tfoil.pdf

Adapté seulement aux grosses embarcations propulsées à moteur

Système automatisé contrôler par ordinateur, avancé technologiques

Hydrofoil élevé sur le coté

à l'aide d'un pivot

http://marine.bdg.com.au/spitf

ire_features.html#hydrofoils

Lorsqu'elles sont élevées

sur le côté, surplus de

poids sur les flotteurs

• Simple et peu couteux

• Pas d'encombrement de corde

Système hydraulique

permettant de monter

l'hydrofoil sur le coté de

l'embarcation

http://www.google.com/paten

ts/about?id=WGh1AAAAEBAJ&

dq=retractable+foil

• Trop encombrant pour un trimaran monoplace

• Le type de foil utilisé pour ce mécanisme n'est pas convenable

Principe de quille

rétractable, le foil entre et

sort du flotteur

http://www.youtube.com/watc

h?v=ZqL1ly9uLM4

L'embarcation est encombrée par la quantité élevée de cordage

• Simple, facile à utilisé, pratique pour l'embarcation que l'on veut utiliser

• Idéal pour les petites embarcations

http://home.earthlink.net/~

deanrdh/deanhubbardsravet

rimaranfoilerpage/id16.html


7

Tableau 3 Type de foil existant

Types d’hydrofoils Avantages Inconvénients

Foils en

V

• Pas besoin de régulateur • Longueur plus grande donc

amélioration de la finesse du foil

• Suit le mouvement de la surface, ce qui peut créer un inconfort lors d’une mer agité

• Doivent être plus long donc plus encombrant

• Sensible au moment de chavirement

Foils en

T

• Moins de risque de ventilation pour la partie portante

• Moins sollicité par les perturbations de l’eau

• Moins long donc plus résistant. De par son architecture, il est plus solide car sa portance est transmise verticalement par la jambe de force

• Obligation d’un système de stabilisation

• Le mouvement du plan porteur peut générer des décrochages

Foils en

échelles

• Complexité de construction

• Forte traînée du aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs

Foils en cuillères

• Diminue les risques de ventilations

• Développe une meilleure portance et une meilleure force antidérive pour une même profondeur par rapport aux autres types

• Plus facile à gérer

• Occasionne de grandes instabilités de portances

• Principalement utilisé sur les trimarans de 60 pieds et plus

• Difficile à construire

Foils en L

Permet de supprimer la jonction entre la jambe de force et un coté du foil. Donc réduction de la traînée

Difficile à concevoir et beaucoup plus exposé à la ventilation.


8

6. Conception du mécanisme

Avant de faire la conception finale, il faut d’abord penser à quelques idées de mécanisme et les mettre sur papier. À partir de là, une décision est prise en ce qui concerne le choix du mécanisme qui sera conçu. Les différents systèmes qui auraient pu être susceptible d’être choisi sont énumérés dans le tableau ci-dessous.

Tableau 4 Systèmes potentiels

Système Avantages Désavantages

Engrenage-crémaillère

• On a de la force autant en descendant qu’en remontant l’hydrofoil.

• Lubrification nécessaire (Environnement)

• Besoin d’un moteur électrique (ajoute du poids sur les flotteurs).

• La crémaillère doit être installée directement sur l’hydrofoil (Difficile à faire et en plus cela augmenterait la traînée sur l’hydrofoil).

Vérins pneumatiques

• Système simple

• Aucun système de blocage nécessaire; la position de l’hydrofoil est contrôlé par la pression de l’air à l’intérieur du vérin.

• Confortable; le débit et la pression de l’air sont réglable, on peut donc contrôler la vitesse de déploiement.

• Besoin d’un compresseur à air à bord (bruyant et pas très pratique).

• Contrainte d’espace (Les hydrofoils mesurent plus d’un mètre et doivent être déployés au complet).

• La tige des vérins est en acier et devra être immergée (corrosion et sable).

• Légère lubrification des tiges

Treuil et poulies

• Aucune lubrification

• Presque pas d’entretien

• On doit utiliser deux treuils par hydrofoils ; un pour le déployer et un pour le remonter (beaucoup de poids de plus et risque de débalancement des flotteurs)

• Coût élevé (2 treuils par hydrofoil)

• On doit trouver une alternative au câble en acier du treuil (corrosion).

À la suite de cette analyse c’est le système de treuil et de poulie qui a été choisi. Cependant, certaines améliorations ont été apportées au concept original. Après avoir effectué le calcul nécessaire, il a été démontré que les hydrofoils, lorsque débarrés, seront capables de remonter par eux-mêmes grâce à la force de portance de l’eau. Il n’est donc plus nécessaire d’avoir deux treuils par hydrofoils.


9

Avant de procéder à la sélection des composantes, il était crucial de connaître les forces à considérer dans la conception du mécanisme. Pour pouvoir choisir un treuil qui convenait, il a fallu déterminer la tension dans le câble. Tout d’abord, il fallait connaître la force nécessaire au déploiement de l’hydrofoil. Ensuite, il suffisait de considérer cette force comme la composante y du vecteur de la tension dans le câble. Finalement, quelques manipulations trigonométriques ont permis de la déterminer. Elle vaut donc 1725,4 lbs. Rappelons que le calcul à été effectué en supposant un angle de 10˚ entre le câble et l’axe des abscisses. Cette hypothèse permet d’évaluer la tension maximale dans le câble. La figure 1 montre le schéma servant au calcul.

Figure 1 Schéma calcul de tension du câble

Il a fallu chercher sur Internet pour tenter de trouver le treuil idéal pour le système. Les nombreuses recherches effectuées ont conduit au choix d’un treuil électrique de marque Dutton-Lainson StrongArm.

Figure 2 Treuil électrique sélectionné

Source : http://www.etrailer.com/Electric-Winch/Dutton-Lainson/DL24870.html

C’est ce treuil qui a été choisi, car il a un boîtier qui résiste aux chocs ainsi qu’aux intempéries. Il est très compact et c’est celui qui était le moins lourd comparativement à sa capacité maximale.

Treuil électrique Dutton-Lainson StrongArm

Code DL24870

Poids 32 lbs

Capacité maximale 3000 lbs

Dimensions (pouces) 10 1/8 long X 4 3/8 large

Moteur électrique 12 Volt DC

Prix 399.95$

Câble 7 x 19 câble en acier galvanisé de type aircraft. Diamètre : 7/32’’ Longueur : 25’


10

Il permet d’obtenir un facteur de sécurité de 1,9 sur la tension dans le câble lorsqu’il est à sa capacité maximale. Lors de l’achat, le treuil vient avec un câble en acier galvanisé. Pour assurer une meilleure durée de vie au câble, ce dernier doit être légèrement lubrifié. Étant en présence d’eau, l’utilisation de lubrifiant est déconseillée à cause de l’environnement. L’idéal est donc de trouver une alternative au câble d’acier. Cette alternative est la corde plasma. C’est une corde tressée qui n’absorbe pas l’eau. Elle est très résistante. Le tableau 5 compare le câble du treuil et la corde plasma de dimension semblable. On peut voir une photo de cette corde à la figure 3.

Tableau 5 Comparaison entre le câble et la corde plasma

Câble Corde plasma Diamètre (pouces) 7/32 1/4

Poids (lbs/100 ft) 8.6 1.6

Limite élastique (lbs) - 6600

Limite à la rupture (lbs) 5600 -

Prix par treuil (25 pieds) 26,38 33,25

Prix total (3 treuils) 79,14 99,75

Sources : Rope Inc. Et James town distributors

Figure 3 Corde plasma

Source : Rope Inc.

La corde plasma qui a été sélectionné est de la AmSTEEL 12-STRAND et elle est produite par Samson Rope Technologies. Il est à noter que même si la corde à un diamètre plus grand que celui du câble, ça ne devrait pas avoir de conséquence sur la place qu’elle occupera sur le baril du treuil.


11

Avant de procéder au choix de cette composante, il était nécessaire de faire divers calculs. Encore une fois, il fallait s’organiser pour déterminer la force maximale qu’aura a supporté la poulie. Pour ce faire, lorsque la tension dans la corde est maximale, on suppose que l’angle entre la poulie et l’axe des abscisses est de 10˚ de chaque côté de la poulie. On additionne ensuite les composantes x des deux côtés de la poulie. On obtient donc une force maximale de 600,2 lbs. Le schéma servant au calcul de cette force est illustré à la figure 4. La figure 5, quant à elle, montre la poulie qui a été sélectionné à partir de ce calcul.

Figure 4 Schéma calcul de la force maximale sur la poulie

Figure 5 Poulie sélectionnée

Poulie

Distributeur Grainger

No. item 1VN54

Marque Tuf-Tug

Diamètre de corde max. 5/16’’

Poids 2 lbs

Capacité maximale 2000 lbs

Fini Zinc (résiste à la corrosion)

Source : Grainger

Cette poulie a une capacité maximale de 2000 lbs, ce qui veut dire qu’on a un facteur de sécurité de 3,33. De plus, son fini lui permet de résister à la corrosion. C’est une bonne chose, car le mécanisme est exposé à l’eau. Comme on peut le voir sur la figure 6, le bras de liaison sur lequel doit être positionné le treuil ainsi que la poulie n’est pas alignée avec l’hydrofoil.

2665,4 N (600,2 lbs)


12

Figure 6 Windrider Rave

Source : http://foils.wordpress.com/2009/09/23/palper-en-avant-ou-en-

arriere%C2%A0/

Étant donné que le bras de liaison est rond, il est assez difficile de fixer des composantes dessus. C’est pourquoi une plaque de plastique d’une certaine épaisseur, sur laquelle sera fixé le treuil ainsi que la poulie, devra être solidement installée à la poutre grâce à des bandes d’acier inoxydable épousant les contours de la poutre et de la plaque. Ces dernières seront liées à la plaque avec des vis à têtes hexagonales et des écrous. En ce qui concerne l’anneau de levage galvanisé avec épaulement, il a été sélectionné à partir du site de McMaster-Carr. Son numéro de série est 4843T16. La partie filetée de ce dernier possède les caractéristiques d’un boulon M14x2. Un écrou hexagonal en acier inoxydable a également été sélectionné afin de le fixer à l’hydrofoil. Il a été choisi sur le même site et son numéro de série est 93850A350. On peut voir l’anneau de levage sur la figure 7 de la page suivante. Cette figure montre l’assemblage complet du système. Il est à noter que ni la corde ni le crochet au bout de celle-ci ne sont présents sur la figure.


13

Figure 7 Assemblage mécanisme et embarcation

La position exacte des composantes comme la poulie et le treuil ne peuvent être déterminées, car on ne connait pas les dimensions du crochet qui s’attache à l’hydrofoil. On suppose donc une distance raisonnable pour éviter que le crochet (pas présent sur la figure 5) n’atteigne la poulie avant le déploiement complet de l’hydrofoil.

7. Calculs

Les calculs ont été effectué avec le logiciel Mathcad qui sont à l’annexe B.

7.1. Valeur de la largeur du foil

La première étape des calculs consistait à supposer la profondeur du foil. L’utilisation du logiciel

Mathcad a permis de trouver le résultat rapidement. En premier lieu, les constantes connues

ont étés définie. La masse volumique a été définie par celle de l’eau douce soit de 998kg/m3.

La constante de portance est de 0.3. Elle a été choisie telle que celle sur le site de l’Elfe[11]

puisque le profile exact du profilé du foil n’était pas une donnée connue. La vitesse minimale où

le trimaran se soulève, c’est-à-dire, la vitesse lorsque le trimaran est porté par les foils, n’était

pas spécifié. La vitesse minimale est celle obtenue lors de la conversation téléphonique avec un

fournisseur du Windrider Rave, Trimaran Montréal. La largeur du foil et la longueur de la

jambe2 de l’hydrofoil ont aussi été obtenues à ce moment. La masse de l’embarcation a été fixé

à partir de la masse et de la capacité maximale fournie dans la spécification des caractéristiques

du Windrider Rave sur le site du fabricant [12].

2 La jambe de l’hydrofoil est la tige verticale (voir la figure 2).


14

Pour déterminer la valeur de la profondeur du foil, la portance doit être égale au poids maximal

de l’embarcation, soit la masse de celle-ci ajouté à la capacité maximale. L’équation de la

portance utilisée est:

Équation 1

où la surface

Équation 2

Les variables sont :

Masse volumique : ρ = 998 kg/m3

Constante de portance :

CL = 0.3

Vitesse minimale : Vmin = 20 km/h = 5.55 m/s

Vitesse maximale : Vmax = 30 km/h = 8.33 m/s

Poids : W = 3570.84 N Longueur : Long = 36 po = 0.9144 m

Largeur : La = inconnue Nombre de foil : n = 3

La résolution avec Mathcad a permis de trouver une largeur de foil de 0.125m.

7.2. Force appliquée par le moteur

Tout d’abord, la force sera appliquée qu’à un seul hydrofoil. La force du moteur a été

déterminée avec la deuxième loi de Newton, soit :

Équation 3

La vitesse à laquelle l’hydrofoil sera déployé a été fixée à une vitesse moyenne qui sera par la

même occasion la vitesse instantanée du moteur. Il n’y a donc pas d’accélération lié au

déploiement de l’hydrofoil. La sommation des forces sera alors égale à :

Équation 4


15

En supposant que le foil est fixe dans l’espace comme si l’hydrofoil est sur

la berge, le moteur devra exercer une force égale au poids du trimaran

incluant la capacité maximale. Les forces sont présenté sur le «DCL» de la

figure 8.

On désire que les hydrofoils soient déployés entre 5 et 10 secondes et il a

été évalué que 0.9m de la jambe de force devra être déployé. La vitesse

de déploiement sera alors entre 0.09 et 0.18 m/s. Le moteur exercera une

force maximale pour un déploiement à une vitesse maximale de 0.18 m/s.

En supposant que la vitesse maximale est la vitesse instantanée, la puissance instantanée sera :

Équation 5

Équation 6

Avec une force du moteur qui est égale à 1190N et une vitesse instantané de 0.18 m/s, la

puissance est de 214.25 Watt. Ce qui est équivalent à 0.2873 HP.

Figure 8 DCL des forces


16

7.3. Rétraction de l’hydrofoil

Afin de vérifier s’il est nécessaire que les foils soient rétractés par un moteur, la possibilité que

les hydrofoils se rétractent par la force de portance a été évaluée. L’idée est d’évaluer si la

vitesse minimale (pour que la force de portance soit égale au poids de l’hydrofoil) est inférieure

à la vitesse minimale de 20km/h où le trimaran peut être soulevé.

Tout d’abord, la masse d’un hydrofoil a été supposé à l’aide des variables calculés. Le tableau 6,

ci-dessous présente les variables utilisées pour les calculs :

Tableau 6 Variables pour le calcul de la rétraction de l'hydrofoil

Masse volumique hydrofoil en aluminium galvanisé :

ρ = mv = 2680 kg/m3

Largeur du foil : La = 0.125m

Surface moyenne du foil : Sf = 0.114m2

Hauteur jambe de l’hydrofoil : 1.219m

Constante de portance : CL = 0.3

Vitesse minimale : Vmin = vitesse recherché

Supposition de la surface totale de l’hydrofoil :

Équation 7

Le volume de l’hydrofoil en supposant qu’il a une épaisseur moyenne de 3cm est de :

Équation 8

Alors, la masse approximée peut être calculée comme ci-dessous :

Équation 9

= 4.288 kg


17

Suite à la détermination de la masse de l’hydrofoil, il est possible de trouver la vitesse minimum

à laquelle un hydrofoil peut être rétracté par la seule force de portance. L’équation 1 a servi

pour trouver la valeur de la vitesse minimale. Avec le logiciel Mathcad, la vitesse minimale a été

évaluée avec trois masses différentes de l’hydrofoil. Les résultats sont présentés dans le tableau

7 ci-dessous :

Tableau 7 Vitesse minimal pour qu’un hydrofoil se rétracte par force de portance selon différentes masse d’hydrofoil.

Essai Masse (Kg) Vitesse (m/s) Vitesse (km/h)

1 4.288 1.109 3.992

2 7 1.417 5.101

3 10 1.693 6.095

Puisque, pour un hydrofoil ayant un poids de 10 kg, la vitesse à laquelle il peut se rétracter

par la force de portance est de 6.095 km/h et plus petite que 20km/h. On peut être supposé

que les hydrofoils peuvent être rétractés par la force de portance.

8. Dessins des composantes

9. Analyse de la résistance

Les simulations ont permis de déterminer si les forces ajoutées sur l’hydrofoil par l’ajout du

mécanisme et du moteur sont trop grande et brise l’hydrofoil.

Lors des simulations, la jambe de force a été fixée puisque cet élément de

trimaran est en place dans le flotteur. La force appliquée sur le foil est la

force de portance. Elle a été appliquée à la verticale avec une valeur de 1190

N. Puis, la force que le moteur exerce sur l’hydrofoil par le câble a été

appliquée à la verticale vers le bas sur l’anneau de levage. Cette force est

aussi de 1190 N. La force totale appliquée sur l’hydrofoil est alors de 2380N.

La figure 9 illustre, en vert, la tige qui est fixée puis, en magenta, les forces

appliquées. Puisque le matériau de l’hydrofoil est de l’aluminium galvanisé, e

matériel utilisé pour les analyses est l’aluminium 5052-H38 qui se retrouve

dans la bibliothèque de matériaux de Solidworks.

Figure 9 Application des forces

Jambe de l’hydrofoil


18

9.1. Simulation pour l’hydrofoil avec une jambe de force pleine

Figure 10 Contrainte VonMises

La figure 10, ci-contre, illustre les contraintes de VonMises qui sont présente lors d’une force de 2380N. Au niveau de l’anneau de levage, la contrainte est de 7.32 MPa. Puis, celle au niveau de la jonction de soudure est de 31.20 MPa. Puisque la limite élastique est de 255 Mpa, l’hydrofoil ne risque pas d’atteindre la limite élastique.

Figure 11 Distribution facteur de sécurité

La figure 11 représente la distribution du coefficient de sécurité. Le coefficient de sécurité est le rapport de la contrainte limite sur la contrainte calculée. Les coefficients de sécurité sondés sur l’hydrofoil révèlent un coefficient de 9.51 sur le dessus du foil et un coefficient de 32.27 à l’endroit de l’épaulement de l’anneau de levage.


19

Ici, la figure 12 représente les zones où la distribution de contrainte est en dessous de 10. La valeur sondée du coefficient de sécurité au dessus du foil est de 8.

Les facteurs de sécurité relevés confirment qu’une force sur l’hydrofoil de 2380N n’engendre pas l’atteinte de la limite élastique du matériau qui est de 255MPa.

Figure 12 Facteur de sécurité <10


20

Figure 13 Déplacement résultant statique

Celle-ci (figure 13), représente le déplacement résultant statique de l’hydrofoil. La plus grande mesure du déplacement est de l’ordre de 2.1mm et se situe aux extrémités du foil.

Figure 14 Déformation

Cette dernière (figure 14) représente la déformation de l’hydrofoil. La valeur moyenne de la déformation est de l’ordre de 8.032x10-20. C’est-à-dire qu’il n’y a pratiquement aucune déformation.

Les résultats de la simulation de l’hydrofoil plein confirment que les hydrofoils pourront

supporter la charge supplémentaire que le moteur exercera par rapport à une embarcation non

muni d’un mécanisme de rétraction.

Par contre, sachant qu’il est plus probable que les hydrofoils du trimaran soient vides.

L’hydrofoil a aussi été modélisé avec une jambe de force vide. L’épaisseur de la jambe à été

supposé et modélisé à 1 cm.


21

9.2. Simulation pour l’hydrofoil avec une jambe de force vide

Figure 15 Contrainte VonMises

Tout comme avec une jambe de force pleine, la contrainte de VonMises est faible. La figure 15 représente la distribution de la contrainte de VonMises. La contrainte au niveau de l’anneau de levage est de 36.9 MPa et celle à l’endroit de la jonction entre la jambe de l’hydrofoil et du plan porteur est de 27.6 MPa. Puisque ce sont les contraintes les plus élevé du modèle, la limite d’élasticité n’est pas atteinte avec une force de 2380 N pour l’hydrofoil avec une jambe de force vide.

Figure 16 Distribution facteur de sécurité

La distribution du coefficient de sécurité pour l’hydrofoil avec une jambe de force vide (figure 16) est quelque peu différente que celle étant peine. Le coefficient de sécurité au niveau du foil est de 10.20. Celui au niveau de l’épaulement est nettement moins grande que celle la précédente. Il est de 16.16 au lieu de 32.27 comme celui où la jambe de force est pleine.


22

Figure 17 Facteur de sécurité <10

La figure 17 représente les endroits où la distribution de contrainte est inférieure à 10. Les endroits où les contraintes sont inférieure à 10 sont les mêmes que lorsque la jambe de l’hydrofoil est pleine.

L’étude de déplacement résultant statique et celle de la déformation, pour l’hydrofoil avec une

jambe vide, sont identiques à celles avec une jambe pleine.

Les distributions de coefficient de sécurité démontrent que l’hydrofoil peut supporter l’ajout

d’une force de 2380 N. La distribution de contrainte critique sera concentrée au niveau de la

soudure entre la jambe et le foil de l’hydrofoil. Une étude plus poussée avec les dimensions

réelles de l’hydrofoil pourra évaluer si l’hydrofoil peut réellement supporter une force

additionnelle de 2380 N. Pour ce qui est du perçage, il n’a pas été évalué avec Solidworks que la

l’anneau de levage est retenu par un boulon dans le cas de la jambe pleine et de deux boulons

dans l’autre cas. Il faut alors considérer que les contraintes qui sont plus grandes à cet endroit

seront moindre en réalité. En fait, les forces seront réparties dans un boulon, si la jambe est

pleine, ou deux boulons si la jambe est vide.


23

Bilan des activités

10. Arrimage formation pratique/universitaire

Lors de la réalisation de ce projet, l’analyse des principes physiques a permit de comprendre

les forces appliquées sur les composantes utiles à ce projet. La base des cours de « Dynamique »

et « Statique » à été utilisé dans le calcul des forces. De plus, pour être en mesure de faire la

représentation virtuelle ainsi que les analyses de résistances des composantes, les notions

acquise lors du cours de « Conception assisté par ordinateur » ont permis d’effectuer cette

partie du travail sur solidworks. D’autre part, lorsqu’il a été question du calcul de la portance

dans le but de trouver la force du moteur, le cours de « mécanique des fluides » à été un outil

bien apprécié. Ensuite, il a été possible de mettre en pratique les connaissances apprises lors du

cours « d’Introduction au projet d’ingénierie», tel que les principes fondamentaux de la

recherche de documentation, le travail d’équipe ainsi que la création de rapports. Finalement,

le choix du moteur, des poulies et de la courroie ont été faits à partir des connaissances

acquisse lors des cours « Éléments de machine » et « Matériaux pour ingénieurs ».

Dans un autre ordre d’idée, plusieurs nouvelles connaissances ont été acquisse lors de la

réalisation de ce projet. Notamment, le principe et l’utilisation des hydrofoils sont des sujets

très intéressant à développer. Cette technique qui existe depuis déjà plusieurs années était,

jusqu’à aujourd’hui, pratiquement inconnue d’une grande majorité de personne. Par le fait

même, il sera peut-être intéressant, à long terme, de créer ou d’améliorer ces fameuses ailes

permettant aux bateaux de « voler ».


24

11. Travail d’équipe

Le travail d’équipe a évolué tout au long du projet. Tous et chacun avait un rôle égal au sein

de l’équipe. Le travail à effectuer a donc été divisé de manière la plus égale possible selon ce

que chacun se sentait en mesure d’accomplir. Des rencontres de 1 à 2 fois par semaine

permettaient de faire un compte rendu sur le travail qui avait été effectué par chacun des

membres et de discuter du travail à effectuer avant la rencontre suivante.

Certains inconvénients ont été rencontrés. Les membres de l’équipe n’avaient pas

tous les mêmes attentes face à l’implication dans le projet, les mêmes intérêts. Par conséquent,

les priorités n’étaient pas les mêmes. Il y a alors eu conflit d’intérêt. Des discussions ont alors

été nécessaires pour ajusté la cohésion. Elles ont permis d’ajuster les attentes, les intérêts et

les priorités de chacun. Par exemple, le temps de travail que l’on voulait mettre par semaine au

travail du projet a été un sujet discuté. Par la suite, la cohésion c’est grandement amélioré.

La communication a été un aspect très important. Des décisions rapides ont pu être

prises puisque l’avis des autres, les idées et les opinions étaient mises en commun. Cela a aussi

permis un partage des connaissances acquises lors de projet.

12. Respect de l’échéancier

L’échéancier est à l’annexe A.

Le « Brain Storming » d’idées de mécanisme la qualification des idées de mécanismes et la

sélection des solutions apparaissant possibles sont trois tâches où la charge de travail a été

sous-estimée. La période allouée pour le « Brain Storming » a été allongée à huit jours plutôt

que trois. Puis, la qualification des idées a été élongée d’une journée. Le travail pour ces deux

tâches c’est terminé le vendredi 26 février au lieu du jeudi 18 février. La sélection des solutions

apparaissant possible est toujours d’une période de 5 jours, mais la tâche a été ajustée pour se

terminer le jeudi 4 mars. Après avoir vérifié les objectifs, l’évaluation des coûts, la tâche par

rapport aux contraintes de temps et de disponibilité, la synthèse ainsi que la matrice de décision

ont été enlevés. Une période pour effectuer des calculs préliminaires a été insérée suivi d’une

période pour les calculs finaux et l’évaluation des contraintes par rapport au mécanisme. Les

périodes de temps pour la construction et l’étude du modèle ont été modifiées afin de faire

concorder ces dernières dans le processus des tâches. De plus, du temps a été ajouté pour

effectuer les modélisations, l’étude des simulations ainsi que pour les calculs finaux et les

évaluations des contraintes. Finalement, une tâche de trois jours pour préparer la présentation

a été ajoutée.


25

Analyse et discussion Au tout début du projet, nous avions très peu de connaissance au sujet de la navigation,

des divers principes concernant les hydrofoils, des trimarans, etc. Une grande partie du projet a

donc été concentrée sur la compréhension des éléments de base tels que les hydrofoils, le choix

d’une embarcation, d’un mécanisme ainsi que d’un moteur. Ce temps a été nécessaire pour

comparer les avantages et les inconvénients de ces divers éléments afin de faire des choix

éclairés. Puis, cela a permis de proposer un mécanisme simple pouvant répondre aux

contraintes rattachées au projet.

Un système mécanique déployant les hydrofoils d’un trimaran a ensuite été conçu et des

analyses ont été effectuées. Par contre, il n’a pas été possible de concevoir le mécanisme

précisément en fonction de la vitesse. Des connaissances approfondie en aérodynamisme, en

électrique et en asservissement de système sont nécessaires pour atteindre cet élément de la

conception.

Les calculs ont permis de déterminer une dimension importante qu’il manquait pour

pouvoir analyser les forces agissant sur le système. En déterminant la largeur du foil, il a été

possible d’évaluer si le mécanisme devait aussi rétracter l’hydrofoil. Les calculs dans la partie

7.3 du rapport ont permis de conclure que la force de portance est assez grande pour pousser le

foil à la position initiale dans le flotteur. Avec des démarches similaires, la force nécessaire

devant être appliquée sur l’hydrofoil pour soulever le trimaran hors de l’eau a été évaluée.

L’ajout de trois treuils électriques ajoute un poids total de 43.53kg. Cela réduit la

capacité maximale à 136.47kg. C’est-à-dire une capacité d’environ 300 lbs qui peut être

représenté par 2 personnes ayant un poids de 150lbs. Puis, avec les 2 plaques, les poulies et la

batterie qui alimente les treuils, on peut supposer une diminution de la capacité maximale à

environ 128 kg ou 281lbs.

Les analyses effectuées avec Solidworks avaient pour but de vérifier si la force appliquée

sur l’hydrofoil pour soulever le trimaran était trop considérable. Les études ont confirmé que

les hydrofoils peuvent supportés la charge lors du déploiement des hydrofoils. Les résultats des

analyses démontrent que l’hydrofoil peut supporter une charge de 2380N sans que la limite

élastique soit atteinte. Le fait que le modèle supporte une telle charge démontre que

l’hydrofoil peut supporter 2 fois le poids de l’embarcation répartie à un hydrofoil qui est de

1190N (chaque hydrofoil supporte le tier du poids de l’embarcation totale de 3570.84 N) .Le

modèle fait ne cèderait donc pas sous une telle charge.


26

Conclusion et recommandations L’objectif du projet était de réussir à concevoir un mécanisme de déploiement d’un

hydrofoil en fonction de la vitesse. En effet, un mécanisme a été conçu. Étant donné que le principe de déploiement et de rétractation manuel existait déjà, le Windrider Rave est l’embarcation choisi puisqu’elle possède le type d’hydrofoil et de système de déploiement qui convenait le mieux pour la conception d’un mécanisme de déploiement d’hydrofoil automatique en fonction de la vitesse.

Au cours du projet, plusieurs recherches ont d’abord été nécessaires afin d’approfondir nos connaissances sur les différents sujets concernant le projet tel que les types d’embarcations, la navigation et les hydrofoils. Par manque de documentation et d’information spécifique à l’embarcation et aux hydrofoils, certaines données ont dû être approximées ou déterminées de manière hypothétique.

Puisqu’il y fallait tenir compte de plusieurs contraintes et qu’il fallait répondre aux objectifs du projet, différents types d’hydrofoils, de principes de déploiement, de mécanisme ainsi que différents types de moteur ont été comparés afin de choisir les composantes les plus avantageuses. La conception du mécanisme résulte alors d’un mécanisme de poulies où le déploiement s’effectue par la traction d’une corde plasma fixé en haut de la jambe du foil par un treuil électrique. Le treuil et la poulie sont fixés sur une plaque qui est installée sur le bras de liaison du trimaran.

Les calculs effectués ont permis de conclure que le mécanisme n’a pas à rétracter l’hydrofoil puisque la force de portance à une vitesse en dessous de 20km/h est assez grande. De plus, il a été possible de démontrer que la charge supplémentaire provoqué par le mécanisme peut être supportée par les hydrofoils parce que la limite élastique n’est pas atteinte avec l’ajout de 2380N.

Les recommandations qui suivent pourraient faire état de différents sujets pour d’autres projets de conception connexes afin de créer un prototype de déploiement d’hydrofoil automatique en fonction de la vitesse. Premièrement, des connaissances approfondies en aérodynamique permettrait dévaluer les force de l’eau agissant sur le plan porteur d’un hydrofoil lorsqu’il est abaissé dans l’eau pour soulever le trimaran ou, encore, lorsqu’il est remonté à la position initiale dans le flotteur. Deuxièmement, des connaissances en système asservis permettraient d’asservir le treuil électrique en fonction de la vitesse du trimaran. Finalement, l’alimentation en électricité du treuil n’a pas été élaborée. Il serait pertinent qu’un étudiant en génie électrique fasse l’élaboration du circuit électrique entre l’alimentation et le treuil. Nous suggérons que la batterie soit installée dans la coque centrale afin qu’elle soit à l’abri de la submersion. Aussi, nous suggérons que l’étanchéité du treuil électrique soit évaluée même si le treuil électrique choisi est résistant à l’eau et conçu pour être installé sur des embarcations.


27

Bibliographie

Web

1) La nation marine manufacturers association, « Ressource pour l’achat d’un bateau et

glossaire », sur http://fr.discoverboating.ca/resources/glossary.aspx?key=T, consultée le

lundi 1er Mars 2010.

2) Médiadico.com, « Dictionnaire des définitions, la définition des foils », sur

http://www.mediadico.com/dictionnaire/definition/foil/1, consultée le lundi 1er Mars

2010.

3) Answer.com, « Hydrofoil », sur http://www.answers.com/topic/foil, Consultée le lundi

1er Mars 2010.

4) Wikipédia, Coque, sur http://fr.wikipedia.org/wiki/Coque_%28bateau%29 , Consulté le

lundi 9 Mars 2010.

5) Foilers le blog des bateaux volant, « foils en T ou foils en V? », sur

http://foils.wordpress.com/2008/11/12/foils-en-t-ou-foils-en-v/ , Consulté le 5 Mars

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6) Astusboat, sur http://www.astusboats.com/trimarans-astusboats-voiliers-bateaux-

multicoques/astusboats-14-1-bateau-transportable-caracteristiques.php , consulté le 10

Mars 2010.

7) Sail'Innov, WindRider Rave, sur http://www.sailinnov.fr/trimarans/windrider-

rave/index.html , consulté le 19 Février 2010.

8) Virusboats, MAGNUM 18, sur http://www.virusboats.com/virus.php?langue=fr ,

Consulté le 25 Février 2010.

9) Foilers le blog des bateaux volant, « La ventilation »,

http://foils.wordpress.com/2007/03/31/la-ventilation/ , Consulté le 5 Mars 2010.

10) L’Hydroptère, « Rappel historique », http://www.hydroptere.com/rappel-historique-

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11) L’Elfe, sur http://www.rivieres.info/antho/histoire/histoire_elfe.htm, consulté le 3 Mars

2010.

12) Windrider, «Windrider Rave», http://www.windrider.com/rave.shtml, consulté le 28

Janvier 2010.

13) McMaster-Carr, http://www.mcmaster.com/, consulté le 20 Mars 2010.

Volumes

14) SCHMITT, Le Cours d’hydraulique, Mannesmann Rexroth GmbH, 1981, 226p.

15) WHITE FRANK M, Fluid Mechanics, 6th ed., McGraw-Hill, 2008, 864p.


28

Annexe A


29

Annexe B

1. Calculs effectués avec Mathcad

Démarche pour trouver la valeur de la largeur du foil

Origine 1:=

Eau : ρ 998:=

Constante de portance: CL 0.3:=

Vitesse minimal où le trimaran est soulevé: vmin20 1000⋅

3600:= vmin 5.556=

m

s

Vitesse lorsque le trimaran est porté par les foils: vmax30 1000⋅

3600:=

vmax 8.333= m

s

Note: La portace doit être égale au poids de l'embarcation pour que le trimaran soit élevé dans les aires.

w 3570.84:=

Longueur du foil: Long 0.9144:= La 0:=

Surface des foils: S= Largeur x Longeur S La( ) La Long⋅:=

De plus, la portance sera divisée par le nombre de foil.

Nombrel de foil : n 3:=

Équation de la portace: P La( ) n

2ρ⋅ S La( )⋅ CL⋅ vmax

2⋅:=

Given

P La( ) w

Find La( ) 0.125=

La largeur du foil est alors 12,5 cm.


30

Force qui devra être appliqué afin que le moteur déploie les hydrofoils.

La masse du trimaran soulevé par un foil est: m 364:= kg

Le poids du trimaran que doit porter un hydrofoil est: Wt3570.84

3:= Wt 1.19 10

3×= N

La deuxième loi de Newton servira à trouver la force que devra fournir le moteur pour déployer les hydrofoils.

Afin d'assurer que le système pourra résister, le p ire cas doit être analysé.

La portance maximal est égale au poids de l'embarcation

Eau : ρ 998:=

Constante de portance: CL 0.3:=

Surface du foil [m]: sf 0.114:= m2

La portance maximale sera alors:

N Fpmax 1190.28:=

La force maximale que devra fournir le moteur peut maintenant être trouvé.

Fmax Fpmax:=

Fmax 1.19 103×= N

La force minimale que devra fournir le moteur est:

Vitesse lorsque les foils supporte le trimaran hors de l'eau: vmoy 8.33:= m

s

La portance est égale au poids: Fpmin Wt≤


31

Fpmin 600:=

Fmin Fpmin:=

Fmin 600= N

Puissance que le moteur doit fournir:

Supposons d'abord la distance que le foil devra être déplacé. x 0.9:= m

Puis, le temps que prendra le foil pour être déployé. 5 t≤ 10≤ s

La vitesse moyenne max sera: vma0.9

5:= vma 0.18=

m

s

La vitesse moyenne min sera: vmi0.9

10:= vmi 0.09=

m

s

Vitesse instantannée: Vma 0.18:= m

s

Pui Fmax Vma⋅:=

Pui 214.25= Watt

Le moteur devra exercer une force de 1190N, c'est-à-dire, soulever le poids du trimaran et la capacité maximal qu'il peut avoir soit de 121.33 kg ou 267.49 lb. La puissance en hp de la force est de 0.2873 hp.

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Université du Québec à Chicoutimi · Université du Québec à Chicoutimi MODULE D’INGÉNIERIE GÉNIE MÉCANIQUE PROJET DE CONCEPTION EN INGÉNIERIE 6GIN333 Rapport final préliminaire