The Formula Sae team of the Polytechnic University of Marche is working on reducing the weight of the car that took part at the events of the 2019 season, with the aim of improving its performance. The objective of this study is to determine the optimal geometry of the carbon fiber rim that will be mounted on the new car for the 2020 season. To complete the project, a software for finite element analysis was used, exploiting the topological optimization function, which allows to obtain an optimal geometry based on the boundary conditions entered by the user; the simulations were carried out with the aim of reducing the volume of the starting component, maximizing the resistance. Before moving on to using the software it was necessary to understand which loads are applied on the rim and quantify them, this was possible starting from the results of some specific simulations performed with Optimum Lap, a basic software for analyzing the dynamic behavior of a vehicle. In particular, the values ​​of the lateral and longitudinal accelerations were useful to calculate the forces. Once the model of the rim war created in "Hypermesh", several optimizations were performed, trying to refine the simulation results through the optimization constraints. OptiStruct was used as solver while Hyperview as result viewer. To obtain a well-sized rim for all cases (cornering, braking, acceleration), the analysis were carried out by applying to the rim all the forces previously calculated simultaneously and every 15 ° considering the rotation of the wheel around its own. axis. Carbon fiber has been approximated with an isotropic material, specifically aluminum, in order to lighten the simulations and simplify them. Once the final result has been obtained, it is possible to create a CAD model following the geometry suggested by the solver, obviously more FEM analyzes will follow, and a central metal insert will also be designed, before making the component.

La squadra di Formula Sae dell'università Politecnica delle Marche, sta lavorando alla riduzione del peso della vettura che ha preso parte agli eventi della stagione estiva 2019, con lo scopo di migliorarne le prestazioni. L'obiettivo di questo studio è quello di determinare la geometria ottimale del cerchio in carbonio che sarà montato sulla nuova vettura per la stagione 2020. Per portare a termine il progetto si è fatto uso di un software per analisi agli elementi finiti, sfruttando la funzione di ottimizzazione topologica, la quale permette di ottenere una geometria ottimale in base alle condizioni al contorno inserite dall'utente; nel caso specifico le simulazioni sono state svolte con l'obiettivo di diminuire il volume del componente di partenza, andando a massimizzare la resistenza. Prima di passare all'utilizzo del software è stato necessario comprendere quali carichi agissero sul cerchio e quantificarli, questo è stato possibile partendo dai risultati di alcune simulazioni specifiche eseguite con Optimum Lap, un sotware basilare per l'analisi del comportamento dinamico di un veicolo. In particolare sono stati utili i valori delle accelerazioni laterali e longitudinali da cui si sono calcolati i carichi nei casi di curva limite e frenata. Una volta realizzato il modello del cerchio da dover ottimizzare nel software "Hypermesh" sono state eseguite più ottimizzazioni, cercando di affinare la simulazione tramite i valori associati ai vincoli dell'ottimizzazione, affinché si ottenesse una geometria finale soddisfacente e realizzabile. Come solutore è stato impiegato OptiStruct mentre Hyperview come visualizzatore dei risultati. Per ottenere un cerchio ben dimensionato per tutti i casi (curva, frenata, accelerazioni improvvise), le analisi sono state svolte applicando al cerchio tutti le forze in precedenza calcolate contemporaneamente ed ogni 15° considerando la rotazione della ruota attorno al proprio asse; per quanto riguarda il materiale, la fibra di carbonio è stata approssimata con un materiale isotropo, nello specifico alluminio, con il fine di alleggerire le simulazioni e semplificale. Una volta ottenuto il risultato definitivo è possibile realizzare un modello CAD seguendo la geometria suggerita dal solutore; ovviamente seguiranno analisi FEM più approfondite tenendo conto degli strati di carbonio costituenti il manufatto e si progetterà anche un inserto metallico centrale prima di realizzare il componente.

Ottimizzazione geometrica di un cerchio in carbonio per vettura di Formula Sae

PACIONI, SERGIO
2019/2020

Abstract

The Formula Sae team of the Polytechnic University of Marche is working on reducing the weight of the car that took part at the events of the 2019 season, with the aim of improving its performance. The objective of this study is to determine the optimal geometry of the carbon fiber rim that will be mounted on the new car for the 2020 season. To complete the project, a software for finite element analysis was used, exploiting the topological optimization function, which allows to obtain an optimal geometry based on the boundary conditions entered by the user; the simulations were carried out with the aim of reducing the volume of the starting component, maximizing the resistance. Before moving on to using the software it was necessary to understand which loads are applied on the rim and quantify them, this was possible starting from the results of some specific simulations performed with Optimum Lap, a basic software for analyzing the dynamic behavior of a vehicle. In particular, the values ​​of the lateral and longitudinal accelerations were useful to calculate the forces. Once the model of the rim war created in "Hypermesh", several optimizations were performed, trying to refine the simulation results through the optimization constraints. OptiStruct was used as solver while Hyperview as result viewer. To obtain a well-sized rim for all cases (cornering, braking, acceleration), the analysis were carried out by applying to the rim all the forces previously calculated simultaneously and every 15 ° considering the rotation of the wheel around its own. axis. Carbon fiber has been approximated with an isotropic material, specifically aluminum, in order to lighten the simulations and simplify them. Once the final result has been obtained, it is possible to create a CAD model following the geometry suggested by the solver, obviously more FEM analyzes will follow, and a central metal insert will also be designed, before making the component.
2019
2020-12-19
Geometric optimization of a carbon fiber rim for a Formula Sae car
La squadra di Formula Sae dell'università Politecnica delle Marche, sta lavorando alla riduzione del peso della vettura che ha preso parte agli eventi della stagione estiva 2019, con lo scopo di migliorarne le prestazioni. L'obiettivo di questo studio è quello di determinare la geometria ottimale del cerchio in carbonio che sarà montato sulla nuova vettura per la stagione 2020. Per portare a termine il progetto si è fatto uso di un software per analisi agli elementi finiti, sfruttando la funzione di ottimizzazione topologica, la quale permette di ottenere una geometria ottimale in base alle condizioni al contorno inserite dall'utente; nel caso specifico le simulazioni sono state svolte con l'obiettivo di diminuire il volume del componente di partenza, andando a massimizzare la resistenza. Prima di passare all'utilizzo del software è stato necessario comprendere quali carichi agissero sul cerchio e quantificarli, questo è stato possibile partendo dai risultati di alcune simulazioni specifiche eseguite con Optimum Lap, un sotware basilare per l'analisi del comportamento dinamico di un veicolo. In particolare sono stati utili i valori delle accelerazioni laterali e longitudinali da cui si sono calcolati i carichi nei casi di curva limite e frenata. Una volta realizzato il modello del cerchio da dover ottimizzare nel software "Hypermesh" sono state eseguite più ottimizzazioni, cercando di affinare la simulazione tramite i valori associati ai vincoli dell'ottimizzazione, affinché si ottenesse una geometria finale soddisfacente e realizzabile. Come solutore è stato impiegato OptiStruct mentre Hyperview come visualizzatore dei risultati. Per ottenere un cerchio ben dimensionato per tutti i casi (curva, frenata, accelerazioni improvvise), le analisi sono state svolte applicando al cerchio tutti le forze in precedenza calcolate contemporaneamente ed ogni 15° considerando la rotazione della ruota attorno al proprio asse; per quanto riguarda il materiale, la fibra di carbonio è stata approssimata con un materiale isotropo, nello specifico alluminio, con il fine di alleggerire le simulazioni e semplificale. Una volta ottenuto il risultato definitivo è possibile realizzare un modello CAD seguendo la geometria suggerita dal solutore; ovviamente seguiranno analisi FEM più approfondite tenendo conto degli strati di carbonio costituenti il manufatto e si progetterà anche un inserto metallico centrale prima di realizzare il componente.
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