Modeling the effect of surface defects on fatigue life performance of marine propellers

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-11-07

Department

Major/Subject

Production Engineering

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering
Konetekniikan maisteriohjelma
Magisterprogrammet i maskinteknik

Language

en

Pages

83

Series

Abstract

This thesis investigates the effect of surface defects on the fatigue life of marine propellers. The research is part of the Digital Twin World Flagship research program at the Department of Energy and Mechanical Engineering. The aim of the work is to develop and validate a methodology for creating a low-fidelity but efficient statistical model that can reduce the time required to obtain accurate predictions of propeller fatigue damage and its remaining lifetime. The study begins with a comprehensive literature review, where the most relevant publications related to the formation and modeling of propeller surface defects are identified using systematic literature review methods. Based on the findings, a numerical finite element method (FEM) model is developed in Salome-Meca software to simulate propeller blades, surface defects, and the remaining fatigue life. The propeller blade was approximated to a flat rectangular metal plate, and a simplified loading curve was defined. The developed FEM model is validated against a simplified analytical calculation model. Using the obtained results, a static simulation framework is constructed following the design of experiments (DoE) approach to evaluate the effects of surface defects on propeller fatigue life. The key outcome of the thesis is a validated method for creating a statistical surrogate model capable of providing fast and reliable fatigue life estimations for marine propellers. Additional outcomes include a finite element model that accounts for surface defects, an analytical validation model, and an extensive literature review summarizing the current state of research in this field. The statistical surrogate model developed in this study produced consistent results with the validation model and accurately predicted the simulation outcomes used in the research. Therefore, the DoE approach appears to be well-suited for developing surrogate models for efficient fatigue life estimation of simple geometries. However, the assumptions made during the simulation phase, particularly regarding the failure criterion of the propeller, represent a limitation of this study. As a result, the surrogate model does not yet fully capture the actual fatigue behaviour of a real propeller, and its direct use for practical fatigue life assessment is not recommended without further refinement of the simulation setup.

Lopputyö tutkii pintavaurioiden vaikutusta laivan potkurin väsymisikään. Se on osa Energia- ja Konetekniikan laitoksen tutkimusohjelmaa Digital Twin World Flagship. Lopputyön tavoitteena on kehittää validoitu menetelmä kevennetyn staattisen ennustemallin luomiseksi, jonka avulla voidaan nopeuttaa luotettavien ennusteiden tekemistä laivan potkurin väsymisvaurioitumisesta pintavaurioiden perusteella. Tutkimus alkaa kirjallisuuskatsauksella, jossa käsitellään potkurin pintavaurioiden syntymekanismeja sekä potkurin väsymisiän mallintamista pintavaurioiden perusteella. Katsauksen laatimisessa hyödynnetään systemaattisen kirjallisuushaun menetelmiä merkittävimpien artikkelien löytämiseksi. Kirjallisuuskatsausta hyödyntäen Salome-Meca-ohjelmistolla luodaan yksinkertaistettu numeerinen elementtimenetelmä (FEM) -malli pinnaltaan vaurioituneesta potkurin lavasta potkurin väsymisiän simuloimiseksi. Kehitetty simulaatiomalli validoidaan yksinkertaistetulla käsilaskentamallilla. Simulaatioista saatujen tulosten perusteella Design of Experiments (DoE) -menetelmällä luodaan staattinen ennustemalli potkurin väsymisiän arvioimiseksi pintavaurioiden perusteella. Tutkielman tärkein lopputulos on validoitu menetelmä, jolla luodaan staattinen ennustemalli nopeisiin ja luotettaviin ennusteisiin laivan potkurin väsymisiästä. Lisäksi tutkimuksessa tuotetaan FEM-simulaatiomalli pintavaurioiden vaikutusten mallintamiseen, käsilaskentamalli FEM-mallin validointia varten sekä kattava kirjallisuuskatsaus pintavaurioiden synnystä ja niiden vaikutusten mallintamisesta. Tutkimuksessa luotu kevennetty ennustemalli antoi yhdenmukaisia tuloksia validointimallin kanssa ja ennusti hyvin tutkimuksessa käytetyn simulaation tuloksia. Näin ollen DoE-menetelmä vaikuttaa soveltuvan hyvin yksinkertaisen geometrian omaavan kappaleen väsymisikää arvioivan ennustemallin kehittämiseen. Kuitenkin simulaatiovaiheessa tehty valinta potkurin hajoamisperusteesta osoittautui yksinkertaistavan liikaa potkurin hajoamista, eikä ennustemalli siksi vastaa täysin todellisen potkurin väsymiskäyttäytymistä. Tämän vuoksi sen käyttöä ei voida suositella ilman simulaatiomallin jatkokehittämistä.

Description

Supervisor

Marquis, Gary

Thesis advisor

Galagedarage Don, Mihiran

Keywords

fatigue life, marine, propeller, surface defect, surrogate, model

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512169337

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG