Onderwerp: Een koolstof midzwaard ontwerpen en bouwen

Hi,

Zoals sommigen hier wel weten ben ik al jaren actief in de Javelin. In 2011/2012 hebben we de stap genomen om een hele nieuwe romp aan te schaffen en naar eigen inzicht in te richten. In grote lijnen zat dat zo degelijk in elkaar dat er eigenlijk weinig aan is veranderd, maar er zijn vanaf het begin een paar dingen geweest die beter konden. Afgelopen seizoen heb ik de moed gevonden om die aan te pakken en de boot hier en daar écht anders te maken. Spannend, maar noodzakelijk. En leuk om weer eens te doen.
Voor deze winter staat het zwaard op mijn lijstje. Destijds hebben we, om verschillende, ons moverende redenen gekozen voor een glas-epoxy zwaard. In de jaren daarna hebben vergelijkbare boten met koolstof zwaarden het altijd ietsje beter gedaan, dus ik heb eigenlijk altijd spijt van die keuze gehad, maar je koopt niet zo maar even een ander zwaard...
Deze winter heb ik me voorgenomen om iets helemaal nieuws te bedenken en te maken. Ik heb een oud, houten zwaard gekregen om mee te experimenteren en te rommelen, dus als alles misloopt, gaan we gewoon door als vanouds.

Een zwaard ontwerpen is best ingewikkeld. Dat is een van de redenen om dit voor me uit te schuiven. Ik ben ook niet zo'n held met wis- en natuurkunde, en vroeg of laat moet je daar toch een beetje mee aan de slag om tot het beste resultaat te komen.
Het grootste probleem is de dikte: Bij een roerblad maakt de dikte niet zoveel uit. In de praktijk kies je een bewezen, werkend profiel (NACA00.. bv) en afhankelijk van de vorm van je blad, rolt daar een dikte uit. Niks aan de hand.
Een zwaard moet in de kast passen. In de Javelin is de max. dikte zelfs vastgelegd in de klasseregels. Meer dan 27mm is niet toegestaan en dat is dun als je met de bekende NACA00.. profielen wilt werken.
Alternatief zou een laminair profiel (NACA63..) zijn, maar die zijn bewezen slecht bij lage snelheden en relatief hoge aanstroomhoeken. Verschillende experts op het internet komen tot dezelfde conclusie: Niet doen.

Het werd dus even helemaal terug naar af:
- Bepalen van het oprichtend moment Dat kan hier
- Berekenen van de lift die tegenover dit oprichtend moment staat.
- Berekenen van de benodigde oppervlakte om die lift te genereren.

Voor die laatste twee stappen heb ik vertrouwd op anderen om te bepalen hoe dit wordt berekend, hierover is op het net een heleboel zinnigs te vinden. Ik heb de formule om het oppervlak te berekenen in Excel gezet en gevarieerd met een aantal variabelen, nl het oprichtend moment en de snelheid van de boot. Dit levert een heleboel data op (voor wie mee wil denken; ik zal de hele sheet bijvoegen), maar wat moet je daar mee?

De grote truuk is dit: Voor alle bekende vleugelprofielen is empirische data waarbij oa de relatie tussen de aanstroomhoek en liftcoëfficient wordt uitgewerkt. Die Cl is een beetje magisch; een constante die aangeeft hoe goed een profiel presteert bij gegeven omstandigheden. Ik heb er even over gedaan om het te snappen. Voor een zwaard zoek je een profiel met een zo groot mogelijke Cl, bij een hoek van ongeveer 5 graden.
Een ander magisch getal: Het Reynolds getal. Een dimensieloos getal, afhankelijk van snelheid, lengte van het profiel en dichtheid van het medium (water dus). Een Javelinzwaard werkt in de praktijk in Re van maximaal 1.000.000 (neem dit maar van mij aan )

Uiteindelijk komt dit allemaal bij elkaar: er is een bepaald, relatief optimaal, oppervlak. Er is een aantal profielen mogelijk die goed presteren bij de gevraagde aanstroomhoek, Cl en Re. Op deze site vond ik uiteindelijk een profiel dat aan mijn eisen voldoet. Voordeel is ook nog, dat de grootste dikte op 22,9% van de koorde ligt. Zonder hier al te diep op in te gaan, was al gebleken dat dat de voorkeur heeft, dus dat gaat goed.
Ik ben dus gaan ontwerpen met S9027-il. Bij een koorde van 325mm blijf ik binnen de 27mm en is het oppervlak nog acceptabel. Als ik het draaipunt van het zwaard nog wat verplaats, komt het iets dieper uit en compenseren we ook nog wat.

Het resultaat ziet er op het scherm als volgt uit:





Omdat dit toch wel wezenlijk anders is geworden dan wat er nu is, ben ik nog met wat mensen in conclaaf, of mijn ideeën wel helemaal kloppen. Zelf ben ik redelijk zeker dat ik dit zou willen proberen.
Als de kogel door de kerk is, dan zal ik hier mijn werk in de praktijk posten...

Gr, Arent

Ik kan je alleen maar succes wensen, Arent, ik heb voor de Javelin een roer en zwaard gemaakt met de beschikbare kennis die ik kon vinden, de roerkop brak (dat was nog een oude die ik niet zelf gemaakt heb) en ik heb via jou van Hans, een ander volledig roer gekregen. En daarmee stuurt de boot ook anders. Kortom er is relatie tussen roer en zwaard, logisch ook. Als je een zwaard ontwerpt moet je ook naar het roerblad en profiel kijken wil ik maar zeggen.

Oeeh, gaaf! Ga ik volgen!

Zwaan kleef aan

Interessant draadje!

Arent schreef :
Mooi stukje studie.
Ik was wel even de draad kwijt bij het bovenstaande. Je haalt de maximum lift van het zwaard uit het hellend moment dat bemanning en boot kunnen opvangen. Begrijp ik dat je dat zo doet:

De lift van het zwaard + roer (+ romp) is gelijk aan de dwarskracht op de zeilen. Zeg L.
Het hellend moment veroorzaakt door de zeilen en zwaard+roer is
L x (hoogte aangrijpingspunt zeilkracht boven water + ½ diepgang).
Als dit hoger zou zijn dan het maximale oprichtend moment van de bemanning + romp, moet je ‘depoweren’ (dus L verlagen).
De maximale dwarskracht Lmax wordt dan
max oprichtend moment/(hoogte aangrijpingspunt zeilkracht boven water + ½ diepgang)?
Is dat hoe je het hebt uitgerekend?

(Dit is even simpel opgeschreven want je moet ook het roer meenemen natuurlijk)

Mbt het excel-blad:

Een zeemijl is 1852 meter, er zitten 3600 seconden in een uur, dus om van knopen naar [m/s] te gaan moet je de snelheid in knopen vermenigvuldigen met 1852/3600 = 0,514
Ik zie dat consistent vermenigvuldigd is met 1,03 ; daar zit een factor 2 tussen die ik niet kan volgen.
Betekent dat de berekende oppervlakken een factor 4 groter zouden worden.

JotM schreef :
Ik vermoed dat je 'consequent' bedoelt?

JotM schreef :
O, help Daar heb ik in alle gedoe een fout gemaakt, geloof ik...
Ik ben dus niet zo'n held met getallen, blijkbaar heb ik iets verkeerd overgenomen. Terug naar de tekentafel dus. Ik hoop niet dat het al teveel verschil gaat opleveren

Gr, Arent

Edit: even snel de excel aangepast, en dat ziet er idd heel anders uit. Plotseling moet er heel wat meer snelheid gegenereerd worden om met dit oppervlak uit te komen....
Lastig genoeg kan het ook niet veel groter, dus ik vraag me af of er een betere oplossing is

triXXS schreef :
Pcies, niet mijn specialiteit, maar met wat hulp van het internet komen we een heel eind

Arent schreef :
No panic. Hoe nodig is het om bij een wind waarmee je 1,5 kn weet te halen beiden uit te hangen?

Met andere woorden: Als er weinig wind is, cq je net uit een overstag oid komt en de schijnbare wind nog niet zo groot is, genereren je zeilen ook nog niet zoveel lift. Toch?

Hoe gebruik je dat Excel sheet? Je kiest een bepaalde situatie (trapeze, uithangen, snelheid), probeert eens een zwaardoppervlak, en leest af wat dan de Cl (en dus de drifthoek) wordt? en daar speel je mee tot je wat redelijks hebt?
En doe je ook nog wat met de weerstand? Je was nu op een kleiner zwaardoppervlak uitgekomen, dus hogere Cl bij gelijke dwarskracht en snelheid, dus hogere geinduceerde weerstand, maar lagere wrijvingsweerstand. Lastig om hier een optimum te vinden lijkt me.

Arent: "In de jaren daarna hebben vergelijkbare boten met koolstof zwaarden het altijd ietsje beter gedaan"

Weet je iets van de gewicht en flex verschillen? Zijn er (in de UK) maten of vormen te vinden? Dat nieuwe project met die laatste boot? Was dat het enige verschil en heb je dat goed geregistreerd? Techniek en bediening en dan ook die ene vlaag... (Dit even als side markering, dat koolstofzwaard moet er natuurlijk onder!)
Farnborough International on 24-25 February 2024 Showt de nieuwe Javelin.

Zwaardopzee schreef :
Ik kan het heel simpel 'bewijzen': In 2011 haalden we 575 voor een vriend en 576 voor ons tegelijk op. Beide boten zijn ongeveer gelijk ingericht en uitgerust en met ongeveer vergelijkbare bemanning. Alleen hebben wij een glas-epoxy zwaard en 575 koolstof. We zijn zelden beter aan de wind en dat is vrij irritant, omdat ik er van uit ga dat het verschil in het zwaard zit.
Onze vorige boot had een koolstof zwaard en daarmee hoorden we in elk geval met meer wind bij de betere teams. keuzes, keuzes..... Tijd om hier wat aan te doen.
Overigens, die nieuwe boot op de dinghy show, dat wordt twijfelachtig...

Gr, Arent

triXXS schreef :
Goeie vraag..
In principe was ik op zoek naar een bruikbaar oppervlak, omdat de koorde van het zwaard korter zou moeten worden om er een fatsoenlijk profiel in te krijgen.
Eerlijk gezegd ben ik een beetje kwijt waar ik het gevonden heb, maar de berekening komt op het volgende neer:Lift bereken je aan de hand van het oprichtend moment. Het tooltje dat ik eerder heb gelinkt heeft de mogelijkheid om aan te geven of je zit, hangt of in trapeze staat, dus die opties heb ik allemaal uitgewerkt.
Snelheid is duidelijk, al is het omrekenen naar m/s kennelijk lastig
Cl is een gegeven en afhankelijk van de prestaties van je foil. Die gegevens staan allemaal in de database op het internet. Bij het selecteren van het profiel kies je (in dit geval) een profiel met een zo hoog mogelijke Cl bij een aanstroomhoek van ongeveer 3-5 graden
Het blijft misschien en beetje abracadabra, maar ik denk dat mijn excel-sheet vooral goed aangeeft dat je behoorlijk snelheid nodig hebt om voldoende lift te genereren. Anders gezegd, zal je in situaties met lage snelheid (overstag bv) niet te snel teveel druk moeten opbouwen, omdat je dan meteen je zwaard overtrekt en zal verlijeren.
Weerstand ben ik niet zo mee bezig, omdat ik denk dat dat minder invloed heeft in deze situatie.

Gr, Arent

Die formule is eigenlijk gewoon de definitie van CL, dus dat klopt.
Even voor de zekerheid: De CL is niet alleen van het soort foil afhankelijk maar vooral van de invalshoek. Bij hoeken beneden stall is de CL ongeveer evenredig met de invalshoek. Je hebt de CL gekozen bij een graad of 4?, en berekent daaruit het oppervlak, dan krijg je (in die omstandigheden) ook die graad of 4 drift.
Zou je naar een groter oppervlak gaan, dan heb je in dezelfde situatie een lagere CL, en krijg je dus bij hetzelfde profiel een kleinere drifthoek.

Het optimale oppervlak komt dan denk ik toch uit een afweging van lift en weerstand. Die afweging is lastig, omdat de rompweerstand ook toeneemt met drift. Nou kun je zeggen dat de ontwerper van de Javelin die som wel ongeveer goed gemaakt heeft, en dat je dus in de buurt van het door hem gekozen oppervlak gaat zitten. Met een beter profiel en betere planform misschien. En zeker als je de diepgang zou mogen vergroten, gaat het vast helpen, maar dat mag vast niet?

Aha, dit is het soort input wat ik wel een beetje nodig heb.
Dus volgens jou heb ik nu oppervlaktes voor een vaste hoek. Dan bepaalt het gekozen profiel in feite de drifthoek. Daar hoort dan een bepaalde weerstand bij, Toch?

Bij de Javelin ligt alleen de dikte van het zwaard vast. De vorm wordt (uiteraard) beperkt door de zwaardkast. De positie van de bout is vrij, zolang je maar niet tijdens het varen kunt verstellen. Ik kan dus gemakkelijk de bout verplaatsen om het zwaard iets dieper te laten steken.

Ben er nog niet helemaal uit of het verstandig is om het oppervlak te verkleinen, hoewel ik niet direct een andere oplossing zie om een gangbaar profiel in 27mm te proppen..

Gr, Arent

Ik heb de indruk dat je erg met de aan de windse eigenschappen bezig bent. Is dat ook altijd waar wedstijden gewonnen of verloren worden? Uit de klassevoorschriften maak ik op dat het zwaard er in is of er uit. Dat maakt al vast de zaak iets eenvoudiger. Blijft de vraag of je met een koolstof zwaard met precies het profiel dat je nu hebt al snelheidswinst boekt vanwege de grotere stijfheid.

Hi,

Het grote doel is om de boot beter te laten presteren aan de wind. Dat is waar we altijd iets te kort komen. Als we vrij varen gaat het nog wel, maar in duels kom ik altijd nét een beetje hoogte tekort en ik ben er van overtuigd dat een ander zwaard me dat beetje extra kan brengen.
Het profiel van mijn huidige zwaard is met de hand en min of meer op het oog gemaakt. Ziet er prachtig uit, maar het kan beter... Alleen wat koolstof er overheen is een wat simpele oplossing, ik probeer het nog wat beter te doen.

Gr, Arent

Vermoedelijk geeft een aanmerkelijk betere stijfheid al veel winst. Wil niet zeggen dat je geen complete update moet doen natuurlijk.
Ga je 3d frezen?....ehhh domme vraag natuurlijk

Vraag 1 van mij is dus: is het oude zwaard inderdaad zo slap dat er flex kan optreden? En verschilt het profiel uberhaupt van de koolstof concurrent?

Koolstof en sich gaat je niks helpen. Minder flex misschien wel. Een ander profiel misschien ook. Een lichter zwaard heel misschien ook.

Heb je een idee bij welke het voordeel te halen is?

Als er flex optreedt, moet je dan niet kijken naar hoe het zwaard tordeert? Door handig je lamineerschema te kiezen kan je er voor zorgen dat de tip niet een lagere aoa ziet bij flex

De berekeningen kan ik zo niet volgen.
Bij onze boot (iso) is flex aanwezig in het zwaard. Dat lijkt mij belangrijk om met Carbon een stijf zwaard te maken.
Verder is er in de klasse geëxperimenteerd met een zwaard van een 49er. Dat is smaller en hogere aspect ratio. Door een pocket insert in de zwaard kast te maken kon er mee gevaren worden. Bleek erg goed te werken. Het is in de eenheid klasse uiteindelijk niet geaccepteerd. Maar zou voor jou wellicht een goed alternatief kunnen zijn.. test eens met een modern zwaard zoals een goed verkrijgbaar 2e hands 49er zwaard. ( zeker de old style varianten zijn goed verkrijgbaar) .

Met onze tri heb ik ook het een en ander geëxperimenteerd met het zwaard, bij mijn F31 zijn we toen overgegaan van het type deur zwaard naar een elliptical zwaard en dit was een wereld van verschil in hoogte lopen en snelheid. Het oppervlak was kleiner maar stak wel wat dieper. Bij onze F32 zijn we gelijk over gegaan naar een elliptical zwaard van de race versie die we wat hebben aangepast omdat we niet zoveel zeil als de race versie hebben en ik 225 diepgang wel erg veel vond. In het midden van het zwaardprofiel zit een balk die omwikkeld is met carbon en aan weerzijde met UD carbon is verstevigd. Kan eventueel wat lamineer schema's voor je verzorgen.
Heb een plaatje toegevoegd met de verschillende zwaard opties.

redshift schreef :
Heel simpel stonden we destijds voor de keus om een glas of een koolstof zwaard van dezelfde leverancier te kopen. Diezelfde winter zijn er nog twee boten geleverd met de koolstof variant die het allebei beter lijken te doen. Hoewel het een wat simpele benadering is, moet daar winst te halen zijn.
Omdat het ook wel een interessante puzzel is om het nóg wat beter te doen en ik er nu wat verder ingedoken, op zoek naar optimalisering... Een hele klus dus nog.

@Boarderbas: Ik wil het liefst een malletje maken en daaruit bouwen. Dan gebruik je de mogelijkheden optimaal, omdat je idd je laminaat zo kunt indelen, dat het materiaal optimaal wordt benut. Die fase komt nog.
@Holtere: Er zijn nog legio opties voor productie, variërend van old school shapen tot 3d frezen. Als de kosten binnen de perken kunnen blijven zijn alle opties nog open.
@IsoHaans: Een 49-er zwaard is geen optie, dat is een steekzwaard en dus een heel ander principe. Ik ben langzamerhand wel geneigd om eerst toch maar een experimentje te gaan doen met het zwaard dat ik heb gekregen.

Nog even geduld dus. Fijne kerstdagen!

Gr, Arent