Formula Student rungon vääntöjäykkyyden ja painon optimointi
Koskinen, Aki (2018)
Koskinen, Aki
Tampereen ammattikorkeakoulu
2018
All rights reserved
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2018062614236
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2018062614236
Tiivistelmä
Tämä opinnäytetyö tehtiin vuoden 2018 Tampere UAS Motorsportin Formula Student-kilpa-autoon liittyen. Opinnäytetyön tarkoituksena oli optimoida putkirunkoisen kilpa-auton rungon vääntöjäykkyyttä ja painoa. Tavoitteeksi asetettiin, että optimoidun rakenteen vääntöjäykkyys kasvaisi ja paino samalla kevenisi alkuperäiseen rakenteeseen verrattuna. Formula Student säännöt asettavat omat reunaehtonsa rakenteelle. Sääntöjä käytiin läpi tarvittavin osin. Lisäksi reunaehdoksi asetettiin rungon viivageometrian pitäminen muuttumattomana, jolloin optimointi tuli toteuttaa pelkästään putkien profiilien muutoksilla. Alkuperäisen rungon kaikki putket olivat poikkileikkaukseltaan pyöreitä ja optimoidussa rakenteessa pitäydyttiin myös profiililtaan pyöreissä putkissa.
Työssä käydään aluksi läpi ajoneuvojen runko- ja korisuunnittelun perusteita. Korin kokemat kuormitusmuodot esitellään. Rungoille asetettuja vaatimuksia ja määritelmiä käydään läpi, kuten esimerkiksi vääntö- ja taivutusjäykkyys. Putkirungon lujuuslaskentaa käydään läpi palkkiteorian pohjalta, jotta saadaan käsitys putkirungon vääntöjäykkyyteen ja painoon liittyvistä suureista ja niiden optimoinnista.
Alkuperäiselle ja optimoidulle rungolle suoritettiin FEM-simulointi. Simulointi dokumentoitiin ja laskentatulokset analysoitiin. Tulosten perusteella määritettiin runkorakenteiden painot ja vääntöjäykkyydet. Kaikki analyysit suoritettiin Ansys-ohjelman 18.2 versiolla. Simuloinnin dokumentoinnissa esitetään valitut elementtityypit ja mallinnustavat, sekä miksi kyseisiin valintoihin päädyttiin. Mallinnustavasta johtuvat edut sekä rajoitukset esitetään ja käydään läpi toimenpiteet, joilla mallin tarkkuutta saataisiin paremmaksi. Lisäksi esitetään muut toimenpiteet, jotka tarvitaan optimoidun rakenteen käyttöönottamiseksi (testit, rakenteen lujuuden verifiointi).
Lähdekirjallisuuden perusteella riittävä arvo FS rungon vääntöjäykkyydelle on noin 2200 Nm/◦, kunhan alustan rakenteellinen jäykkyys on samaa luokkaa. Suuremmilla jäykkyyden arvoilla ei ole merkittävää vaikutusta auton suorituskykyyn ja paino kasvaa tarpeettoman suureksi. Alkuperäisen rakenteen vääntöjäykkyys on laskentatuloksien perusteella määritettynä 1648,2 Nm/° ja paino 31,31 kg. Optimoidun rakenteen vääntöjäykkyys on 1661,3 Nm/° ja paino 30,96 kg. Optimoinnin tuloksena vääntöjäykkyys saatiin 0,8% suuremmaksi ja painon säästöä kertyi 1,1 %. Tulosten perusteella voidaan todeta alkuperäisen rakenteen olleen jo varsin hyvä, eikä pelkkien putkikokojen optimoinnilla saada suuria muutoksia aikaan. Rakennetta voitaisiin vielä keventää, mutta vääntöjäykkyyden arvo laskisi hieman. Saavutettua tehokkaampaan optimointiin vaaditaan jo viivageometrian muutoksia. Parantamisen varaa kuitenkin on, jotta riittävä 2200 Nm/◦ arvo saavutettaisiin.
Työssä käydään aluksi läpi ajoneuvojen runko- ja korisuunnittelun perusteita. Korin kokemat kuormitusmuodot esitellään. Rungoille asetettuja vaatimuksia ja määritelmiä käydään läpi, kuten esimerkiksi vääntö- ja taivutusjäykkyys. Putkirungon lujuuslaskentaa käydään läpi palkkiteorian pohjalta, jotta saadaan käsitys putkirungon vääntöjäykkyyteen ja painoon liittyvistä suureista ja niiden optimoinnista.
Alkuperäiselle ja optimoidulle rungolle suoritettiin FEM-simulointi. Simulointi dokumentoitiin ja laskentatulokset analysoitiin. Tulosten perusteella määritettiin runkorakenteiden painot ja vääntöjäykkyydet. Kaikki analyysit suoritettiin Ansys-ohjelman 18.2 versiolla. Simuloinnin dokumentoinnissa esitetään valitut elementtityypit ja mallinnustavat, sekä miksi kyseisiin valintoihin päädyttiin. Mallinnustavasta johtuvat edut sekä rajoitukset esitetään ja käydään läpi toimenpiteet, joilla mallin tarkkuutta saataisiin paremmaksi. Lisäksi esitetään muut toimenpiteet, jotka tarvitaan optimoidun rakenteen käyttöönottamiseksi (testit, rakenteen lujuuden verifiointi).
Lähdekirjallisuuden perusteella riittävä arvo FS rungon vääntöjäykkyydelle on noin 2200 Nm/◦, kunhan alustan rakenteellinen jäykkyys on samaa luokkaa. Suuremmilla jäykkyyden arvoilla ei ole merkittävää vaikutusta auton suorituskykyyn ja paino kasvaa tarpeettoman suureksi. Alkuperäisen rakenteen vääntöjäykkyys on laskentatuloksien perusteella määritettynä 1648,2 Nm/° ja paino 31,31 kg. Optimoidun rakenteen vääntöjäykkyys on 1661,3 Nm/° ja paino 30,96 kg. Optimoinnin tuloksena vääntöjäykkyys saatiin 0,8% suuremmaksi ja painon säästöä kertyi 1,1 %. Tulosten perusteella voidaan todeta alkuperäisen rakenteen olleen jo varsin hyvä, eikä pelkkien putkikokojen optimoinnilla saada suuria muutoksia aikaan. Rakennetta voitaisiin vielä keventää, mutta vääntöjäykkyyden arvo laskisi hieman. Saavutettua tehokkaampaan optimointiin vaaditaan jo viivageometrian muutoksia. Parantamisen varaa kuitenkin on, jotta riittävä 2200 Nm/◦ arvo saavutettaisiin.