Моделирование энергопоглощающего элемента гоночного автомобиля класса «Formula Student» согласно требованиям регламента
|
Введение 3
1 Обзор аттенюаторов гоночных болидов 5
2 Подготовительный этап конечно-элементного анализа 26
2.1 Геометрическая модель аттенюатора 26
2.2 Расчетная модель аттенюатора 31
3 Сравнительный анализ моделей аттенюаторов 41
3.1 Анализ аттенюатора конусной формы 41
3.2 Анализ аттенюатора пирамидальной четырехгранной формы 46
3.3 Анализ аттенюатора пирамидальной шестигранной формы 51
3.4 Анализ аттенюатора пирамидальной восьмигранной формы 56
4 Анализ аттенюатора улучшенной конфигурации 61
Заключение 67
Список используемых источников 69
1 Обзор аттенюаторов гоночных болидов 5
2 Подготовительный этап конечно-элементного анализа 26
2.1 Геометрическая модель аттенюатора 26
2.2 Расчетная модель аттенюатора 31
3 Сравнительный анализ моделей аттенюаторов 41
3.1 Анализ аттенюатора конусной формы 41
3.2 Анализ аттенюатора пирамидальной четырехгранной формы 46
3.3 Анализ аттенюатора пирамидальной шестигранной формы 51
3.4 Анализ аттенюатора пирамидальной восьмигранной формы 56
4 Анализ аттенюатора улучшенной конфигурации 61
Заключение 67
Список используемых источников 69
Formula Student - это студенческие инженерные соревнования, где группы студентов проектируют, создают и управляют своим гоночным болидом.
Началось все это в 1981 году в Америке, а после распространилось по Европе, Азии, Южной Африке и Австралии. Несколько сотен международных команд участвуют в соревнованиях формулы, которые проводятся по всему миру.
В отличие от обычных гонок, команды набирают очки в 8 различных дисциплин, команда с наибольшим количеством очков, за все дисциплины в сумме, побеждает. Есть 3 статические дисциплины: отчет о стоимости, бизнес-презентация и защита конструкции. И 5 динамических дисциплин: ускорение, восьмерка, автокросс, топливная эффективность и гонка на выносливость, которая тестирует производительность машины и водителей на треке. Эта оценочная система и показывает, что успех - это тщательно сбалансированные аспекты конструкции машины.
История конструирования гоночных болидов в Тольяттинском государственном университете (ТГУ) претерпела несколько значимых этапов.
В конце 2007 года в ТГУ была организована, на тот момент, 3-я российская команда SPC Formula TSU, занимающаяся разработкой гоночных болидов для участия в проекте Formula Student. Со своим первым гоночным болидом «Sprint 01», который был разработан и сконструирован за 9 месяцев, команда успешно выступает на предварительном этапе соревнований Formula Student Russia 2008. Там она презентует свой бизнес-проект по реализации выпуска тысячи подобных гоночных болидов в России. Необходимо было обосновать экономическую выгоду их производства и определить пункты их реализации. По итогам этапа данная презентация становится лучшей, специалисты признают её конкурентоспособной с презентациями именитых иностранных команд.
Одним из важных аспектов при проектировании гоночного автомобиля является необходимость анализа его поведения при столкновении, то есть необходимо обеспечить болид конструктивными элементами - ударными аттенюаторами или краш-боксами, которые способны поглотить большую часть кинетической энергии и защитить водителя от серьезных травм во время столкновения. Для того, чтобы отвечать требованиям регламента Formula Student, аттенюатор должен быть разработан в соответствии с установленными размерами и отвечать специфичным показателям, таким как усредненная перегрузка при ударе и величина деформации. В частности, конструкция и сборка аттенюатора должны удовлетворять следующим требованиям:
- аттенюатор должен быть, по меньшей мере, 200 мм высотой вдоль главной оси гоночного болида;
- аттенюатор иметь 200 мм в ширину и 100 мм в высоту на расстоянии
200 мм от защитной пластины;
- аттенюатор должен быть установлен на передней перегородке, посредством сварки или, по крайней мере, на 4 болта М8, класса 8.8;
- аттенюатор не должен проникать за защитную пластину при ударе;
- аттенюатор должен гарантировать безопасность пилота в ходе внеосевого или смещенного относительно центра болида ударе.
Аттенюатор может быть установлен на гоночный автомобиль только после того как был проведен краш-тест. Во время этого динамического теста, аттенюатор и передняя часть шасси автомобиля должны быть прикреплены к платформе. Общий вес установки должен составлять 300 кг. Скорость удара о жесткий барьер должна быть равна 7 м/с. В ходе испытания средняя перегрузка не должна превышать 20g, а максимальная - 40g. При этом деформация защитной пластины не должны превышать 25 мм.
Началось все это в 1981 году в Америке, а после распространилось по Европе, Азии, Южной Африке и Австралии. Несколько сотен международных команд участвуют в соревнованиях формулы, которые проводятся по всему миру.
В отличие от обычных гонок, команды набирают очки в 8 различных дисциплин, команда с наибольшим количеством очков, за все дисциплины в сумме, побеждает. Есть 3 статические дисциплины: отчет о стоимости, бизнес-презентация и защита конструкции. И 5 динамических дисциплин: ускорение, восьмерка, автокросс, топливная эффективность и гонка на выносливость, которая тестирует производительность машины и водителей на треке. Эта оценочная система и показывает, что успех - это тщательно сбалансированные аспекты конструкции машины.
История конструирования гоночных болидов в Тольяттинском государственном университете (ТГУ) претерпела несколько значимых этапов.
В конце 2007 года в ТГУ была организована, на тот момент, 3-я российская команда SPC Formula TSU, занимающаяся разработкой гоночных болидов для участия в проекте Formula Student. Со своим первым гоночным болидом «Sprint 01», который был разработан и сконструирован за 9 месяцев, команда успешно выступает на предварительном этапе соревнований Formula Student Russia 2008. Там она презентует свой бизнес-проект по реализации выпуска тысячи подобных гоночных болидов в России. Необходимо было обосновать экономическую выгоду их производства и определить пункты их реализации. По итогам этапа данная презентация становится лучшей, специалисты признают её конкурентоспособной с презентациями именитых иностранных команд.
Одним из важных аспектов при проектировании гоночного автомобиля является необходимость анализа его поведения при столкновении, то есть необходимо обеспечить болид конструктивными элементами - ударными аттенюаторами или краш-боксами, которые способны поглотить большую часть кинетической энергии и защитить водителя от серьезных травм во время столкновения. Для того, чтобы отвечать требованиям регламента Formula Student, аттенюатор должен быть разработан в соответствии с установленными размерами и отвечать специфичным показателям, таким как усредненная перегрузка при ударе и величина деформации. В частности, конструкция и сборка аттенюатора должны удовлетворять следующим требованиям:
- аттенюатор должен быть, по меньшей мере, 200 мм высотой вдоль главной оси гоночного болида;
- аттенюатор иметь 200 мм в ширину и 100 мм в высоту на расстоянии
200 мм от защитной пластины;
- аттенюатор должен быть установлен на передней перегородке, посредством сварки или, по крайней мере, на 4 болта М8, класса 8.8;
- аттенюатор не должен проникать за защитную пластину при ударе;
- аттенюатор должен гарантировать безопасность пилота в ходе внеосевого или смещенного относительно центра болида ударе.
Аттенюатор может быть установлен на гоночный автомобиль только после того как был проведен краш-тест. Во время этого динамического теста, аттенюатор и передняя часть шасси автомобиля должны быть прикреплены к платформе. Общий вес установки должен составлять 300 кг. Скорость удара о жесткий барьер должна быть равна 7 м/с. В ходе испытания средняя перегрузка не должна превышать 20g, а максимальная - 40g. При этом деформация защитной пластины не должны превышать 25 мм.
Одним из важных аспектов при проектировании гоночного автомобиля является необходимость анализа его поведения при столкновении, то есть необходимо обеспечить болид конструктивными элементами - ударными аттенюаторами, которые способны поглотить большую часть кинетической энергии и защитить водителя от серьезных травм во время столкновения. Для того, чтобы отвечать требованиям регламента Formula Student, аттенюатор должен быть разработан в соответствии с установленными размерами и отвечать специфичным показателям, таким как усредненная перегрузка при ударе и величина деформации.
В первом разделе были рассмотрены варианты конструкций аттенюаторов для гоночного болида класса «Formula Student». Разобраны методы применяемых исследований на соответствие регламенту проекта.
В основном расчеты проводили с использованием различных пакетов конечно-элементного моделирования, таких как Ansys c типом решателя LS- Dyna. В некоторых работах исследования проводили путем комбинации с экспериментальными испытаниями, которые доказали адекватность значений, полученных посредством конечно-элементного моделирования.
Аттенюаторы предлагается изготавливать из алюминиевых сэндвич-панелей, сотовых конструкций, композиционных материалов, но в подавляющем количестве работ в качестве материала предлагается использовать алюминиевые листы различной толщины.
Во втором разделе была предложена укрупненная блок-схема методологии проектирования.
Представлены модели аттенюаторов выполненные в виде поверхностных тел в системе Компас 3D.
Рассмотрен процесс подготовки расчетной модели, выполненной в пакете анализа Ansys, работающем на платформе Workbench.
В третьем разделе проведен анализ нескольких конструкций аттенюаторов - в виде комбинированного конуса, в форме четырехгранной пирамиды, в форме шестигранной пирамиды и в форме восьмигранной пирамиды.
Ни одна из базовых конструкций не удовлетворила полностью требованиям регламента проекта «Formula Student». В основном сложности возникли при удовлетворении требований по перегрузке.
Усредненная перегрузка составила 20,8g, 17,5g, 43,6g, 23,8g для аттенюаторов конусной, четырехгранной, шестигранной и восьмигранной форм соответственно при требовании в 20g.
Максимальная перегрузка составила 45,1g, 63,8g, 76,7g, 53,6g для аттенюаторов конусной, четырехгранной, шестигранной и восьмигранной форм соответственно, при требовании в 40g.
В четвертом разделе для достижения нужных показателей по максимальной перегрузке было решено ослабить конструкцию в местах, которые подвергаются деформации в начальные моменты времени.
Для улучшения конструкции был выбран аттенюатор конусной комбинированной формы, в котором были выполнены 10 отверстий диаметром 20 мм.
Представлены результаты по полному поглощению энергии удара 7350 Дж, деформации защитной пластины 9,39 мм при ограничении в 25 мм, усредненной перегрузке 16,2g и максимальной перегрузке 33,4g.
Показано, что улучшенная форма конструкции аттенюатора позволила полностью выполнить все требования регламента проекта «Formula Student».
В первом разделе были рассмотрены варианты конструкций аттенюаторов для гоночного болида класса «Formula Student». Разобраны методы применяемых исследований на соответствие регламенту проекта.
В основном расчеты проводили с использованием различных пакетов конечно-элементного моделирования, таких как Ansys c типом решателя LS- Dyna. В некоторых работах исследования проводили путем комбинации с экспериментальными испытаниями, которые доказали адекватность значений, полученных посредством конечно-элементного моделирования.
Аттенюаторы предлагается изготавливать из алюминиевых сэндвич-панелей, сотовых конструкций, композиционных материалов, но в подавляющем количестве работ в качестве материала предлагается использовать алюминиевые листы различной толщины.
Во втором разделе была предложена укрупненная блок-схема методологии проектирования.
Представлены модели аттенюаторов выполненные в виде поверхностных тел в системе Компас 3D.
Рассмотрен процесс подготовки расчетной модели, выполненной в пакете анализа Ansys, работающем на платформе Workbench.
В третьем разделе проведен анализ нескольких конструкций аттенюаторов - в виде комбинированного конуса, в форме четырехгранной пирамиды, в форме шестигранной пирамиды и в форме восьмигранной пирамиды.
Ни одна из базовых конструкций не удовлетворила полностью требованиям регламента проекта «Formula Student». В основном сложности возникли при удовлетворении требований по перегрузке.
Усредненная перегрузка составила 20,8g, 17,5g, 43,6g, 23,8g для аттенюаторов конусной, четырехгранной, шестигранной и восьмигранной форм соответственно при требовании в 20g.
Максимальная перегрузка составила 45,1g, 63,8g, 76,7g, 53,6g для аттенюаторов конусной, четырехгранной, шестигранной и восьмигранной форм соответственно, при требовании в 40g.
В четвертом разделе для достижения нужных показателей по максимальной перегрузке было решено ослабить конструкцию в местах, которые подвергаются деформации в начальные моменты времени.
Для улучшения конструкции был выбран аттенюатор конусной комбинированной формы, в котором были выполнены 10 отверстий диаметром 20 мм.
Представлены результаты по полному поглощению энергии удара 7350 Дж, деформации защитной пластины 9,39 мм при ограничении в 25 мм, усредненной перегрузке 16,2g и максимальной перегрузке 33,4g.
Показано, что улучшенная форма конструкции аттенюатора позволила полностью выполнить все требования регламента проекта «Formula Student».
Подобные работы
- Разработка и моделирование аттенюатора для гоночного болида Formula SAE из алюминиевого профиля в системе CAD/CAE
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 5400 р. Год сдачи: 2017