1 Opis projektu pt. “ Projekt, badania wytrzymałościowe oraz

Opis projektu pt. “ Projekt, badania wytrzymałościowe oraz wykonanie innowacyjnej
struktury nośnej z włókna węglowego typu monocoque do pojazdu Formula Student.”
W związku z chęcią ciągłego rozwoju oraz zamiłowania do podejmowania wyzwań, zespół WUT Racing
zdecydował się na wdrożenie nowego typu konstrukcji nośnej – monokoku. Naszą ambicją jest pokazanie, że
studenci potrafią zaprojektować oraz wykonać jeden z najbardziej zaawansowanych technologicznie elementów
konstrukcji, wykorzystanym zarówno w naszym projekcie jak i innych tj. formuła 1, nowoczesne samoloty,
supersamochody, helikoptery, jachty i wszelkie inne które charakteryzują się wysoką wytrzymałością przy
stosunkowo niskiej masie.
W celu uzyskania najlepszych osiągów bolidu jesteśmy zmuszeni do redukcji masy pojazdu.
Zastosowanie skorupowej konstrukcji nośnej, której miejsca ustąpi dotychczas stosowana rama stalowa, pozwoli
na trzykrotne zmniejszenie masy tego podzespołu. Przełoży się to na osiągnięcie lepszych wyników na
międzynarodowych zawodach Formula Student oraz pozwoli na rywalizację z najlepszymi uczelniami
technicznymi świata o najwyższe stawki.
Wzbogacenie działalności naszego koła o niniejszy projekt to poszerzenie wiedzy w zakresie
projektowania, testowania oraz wykonania konstrukcji kompozytowych, zdobywających coraz większą
popularność ze względu na korzyści wynikające z ich zastosowania. Powyższe przedsięwzięcie ze względu na
złożoność oraz konieczność zapewnienia kompatybilności z resztą podzespołów bolidu wymaga zaangażowania
większości członków zespołu, co odpowiednio wpływa na wzrost umiejętności konstruktorskich studentów,
inżynierów.
Proces opracowania oraz wdrożenia konstrukcji do bolidu WUT Racing składa się z następujących etapów,
powtarzanych kilkukrotnie w celu otrzymania prawidłowego produktu.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Analiza warunków ograniczających:
a. Regulamin zawodów Formula SAE,
b. Kompatybilność podzespołów bolidu,
c. Finanse.
Wykonanie modelu 3D, zapewnienie ergonomii kokpitu.
Wykonanie obliczeń wytrzymałościowych.
Rzeczywiste testy wytrzymałościowe w celu dowiedzenia słuszności obliczeń analitycznych.
Opracowanie technologii wykonania.
Wykonanie monokoku.
Wykonanie modelu 3D wymagało powiązania wielu aspektów:

Zapewnienia bezpieczeństwa kierowcy - zastosowanie przestrzeni nienaruszalnej podczas zderzenia,
stref energochłonnych, przestrzeni umożliwiającej ewakuacje z bolidu w czasie mniejszym niż 5 sekund.

Stworzenie modelu umożliwiającego prawidłowe przeprowadzenia analiz metodą elementów
skończonych – MES.

Kształtu zapewniającego odpowiednią wytrzymałość.

Prawidłowy sposób mocowania podzespołów bolidu.

Zapewnienia wykonalności w danej technologii.
Rysunek 1. Koncepcyjna geometria struktury nośnej.
1
Rysunek 2. Pozycja kierowcy.
Kolejnym celem postawionym w projekcie jest wykonanie analiz wytrzymałościowych za pomocą metody
elementów skończonych. Przeprowadzone obliczenia numeryczne posłużą do określenia stanu wytężenia
struktury, jak również, z wykorzystaniem modułów optymalizacyjnych do redukcji masy, określenia ilości warstw
laminatu oraz ich ukierunkowania w celu otrzymania jak największej sztywności skrętnej struktury przy
najmniejszej masie. Wyzwaniem projektowym będzie przeprowadzanie analiz obciążenia węzłów konstrukcji
oraz prawidłowe ich zaprojektowanie w taki sposób aby przeniosły obciążenia działające na strukturę nośną.
Wykonane zostaną również analizy wytrzymałościowe wymaganych próbek struktury, które zostaną porównane z
wynikami rzeczywistymi oraz przeprowadzone zostaną badania próbek materiału, w celu określenia zgodności
danych materiałowych dostarczonych przez producenta. Ma to krytyczne znaczenie pod względem budowy
bezpiecznego bolidu.
Rysunek 3. Przykładowa analiza struktury nośnej typu monokok
W celu wykonania badań wytrzymałościowych monokoku konieczne będzie zbudowanie odpowiedniego
stanowiska, które pozwoli na wykonanie określonych regulaminem testów. Na testy te składają się:

test trzypunktowego zginania (Rysunek 4),

test ścinania (Rysunek 5),

test wytrzymałości mocowania pasów bezpieczeństwa.
2
Rysunek 4.Przykładowe zdjęcie obrazujące wymagany test trzypunktowego zginania
Rysunek 5.Przykładowe zdjęcie obrazujące wymagany test ścinania
Wyniki z wyżej wymienionym testów stanowią podstawę dopuszczenia pojazdu do udziału w zawodach.
Badania te, oprócz konieczności ich wykonania podyktowanej regulaminem pozwolą na sprawdzenie
wytrzymałości próbek wykonanych w różnych technologiach oraz umożliwią wybór odpowiedniej techniki
wykonania, w szczególności połączenia między laminatem węglowym, a materiałem pełniącym funkcję rdzenia.
Opracowanie technologii wykonania oraz produkcja struktury wymaga doświadczenia w zakresie
wytwarzania elementów kompozytowych oraz przeprowadzenia dokładnej symulacji procesu. Jest to etap
konfrontujący instynkt inżynierski, dotychczasowe założenia projektowe oraz przeprowadzone analizy w
poprzednich działaniach. Przeprowadzenie powyższych procesów pozwoli na praktyczne zastosowanie teorii.
Aby wykonać monokok, stworzymy modele jego geometrii z których następnie zostaną ściągnięte formy.
Złożone elementy formy zostaną wyłożone strukturą przekładkową składającą się z odpowiednio dobranych
warstw kompozytu węglowo-epoksydowego prepreg, przekładki aluminiowej o strukturze plastra miodu oraz
kolejnych warstw kompozytu. W newralgicznych miejscach mocowań zostaną zastosowane odpowiednio
zaprojektowane „inserty” pozwalające na rozproszenie sił skupionych. Cała kompozycja zostanie utwardzona w
autoklawie.
3
Rysunek 6. Model do stworzenia formy.
Rysunek 7. Proces tworzenia formy.
Rysunek 8. Utwardzenie struktury w autoklawie.
Zespół WUT Racing wprowadzi innowacyjne rozwiązanie strukturalne do projektu realizowanego na
naszej uczelni. Ponadto, wyniki badań przeprowadzonych w ramach projektu wykorzystywane będą w pracach
inżynierskich oraz przejściowych członków koła.
Należy zaznaczyć, że wyniki badań analitycznych, doświadczeń wytrzymałościowych, oraz testy bolidu
na rzeczywistym torze wyścigowym będą stanowić znakomity materiał do stworzenia artykułu naukowego, który
będzie dotyczył zastosowania struktury skorupowej w samochodach wyścigowych.
Jednym z celów projektu jest szerzenie wiedzy z zakresu materiałów kompozytowych w pojazdach
wyścigowych zarówno wśród członków zespołu, jak i sympatyków koła i fanów motoryzacji. W związku z tym na
profilu Facebook koła WUT Racing Team umieszczane będą krótkie artykuły popularnonaukowe o kompozytach
na przykładzie nowego bolidu.
4