Formula Student rungon vääntöjäykkyyden ja painon optimointi

Abstract

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.

This Bachelor's thesis was made relating to the 2018 Tampere UAS Motorsport Formula Student racing car. The purpose of the thesis was to optimize the torsional stiffness and weight of a tube frame race car. The goal was set to increase the torsional stiffness and reduce weight compared to original structure. Formula Student rules set limitations regarding to the frame structure. The necessary rules were explained. Limit condition was set to keep the line geometry of the frame unchanged and therefore optimization should only be carried out with changes in the tube profiles. All the profiles in the original frame were circular in cross section. Circular cross sections were chosen also for optimized structure.

The theory part of the thesis discusses principles of frame design. The loading modes of a frame are presented. The requirements and definitions for frames are examined, such as torsional and bending stiffness. The strength analyses regarding to beam structures are studied to gain knowledge which physical quantities affect to torsional stiffness and weight optimization.

FEM simulation was performed on the original and optimized frame. The simulation was documented and the calculation results were analyzed. Based on the results, weights and torsional stiffnesses were determined. All analyzes were carried out with Ansys program version 18.2. The simulation documentation shows the selected element types and modeling methods, and why these choices were made. The advantages and limitations resulting from the modeling methods are presented. Methods to improve mathe-matical model and accuracy are discussed. In addition, other measures that are required before the optimized structure can be utilized, are presented (tests, structural strength verification).

Based on the source literature, a sufficient value for the torsional stiffness of a FS frame is about 2200 Nm/◦, if stiffness of the suspensions is about equal. Higher stiffness doesn’t have a significant effect to the performance and the weight grows unnecessarily high. The torsional stiffness of the original structure is 1648.2 Nm/° and weight 31.31 kg according to the calculation results. The optimized structure has a torsional stiffness of 1661.3 Nm/° and a weight of 30.96 kg. As a result of the optimization, the torsional stiffness was 0.8% better and the weight loss was 1.1%. The results show that the original structure has already been quite good and optimization of the tube sizes can´t make major changes. The structure could still be lightened, but the torsional stiffness would decrease slightly. More effective optimization requires changes in line geometry. However, there is more way to go to achieve the sufficient 2200 Nm/◦ value.