Введение 3
1 Анализ существующих требований обеспечения жесткости рамы 5
1.1 Требования Регламента FS Rules 2021 5
1.2 Анализ типовых решений несущих рамных конструкций 13
1.3 Анализ эффективности альтернативных решений несущих конструкций 21
2 Теоретические аспекты компоновочных решений основных элементов несущих конструкций в серии «Formula Student» 30
2.1 Триангуляция (фронтальная жесткость) 30
2.2 Крутильная жесткость 31
2.3 Минимизация веса 35
2.4 Материал 37
2.5 Точки подвески в узлах рамы 39
2.6 Конструктив 39
3 Математическое моделирование процессов нагружения несущих конструкций 56
3.1 Анализ рам болидов класса «Formula Student» на кручение при повороте 56
3.2 Анализ рам болидов класса «Formula Student» на кручение при торможении 60
4 Оптимизация конфигурации основных элементов несущей конструкции болидов «Формула Студент» 66
4.1 Построение эффективной конструкции рамы болида «eScorpion 2021» 66
4.2 Прочностные исследования жёсткости рамы болида eScorpion 2021 68
4.3 Практические рекомендации при проектировании рамы 76
Заключение 79
Список используемых источников 81
Формула Студент - международные студенческие соревнования, где студенты собственными силами должны спроектировать и построить гоночный болид, который будет соответствовать всем требованиям регламента соревнований. Данные соревнования позволяют развить инженерное мышление у студентов и вырастить квалифицированных специалистов, готовых к решению любых творческих задач.
Одним из самых важных моментов при построении болида является проектирование рамы, так как она является основой всего болида.
Перед началом проектирования рамы необходимо внимательно изучить требования регламента, так как если рама имеет не соответствия, то команда не получит необходимую наклейку для доступа к динамическим дисциплинам. В большинстве случаев исправить не соответствие регламенту невозможно после изготовления рамы. Также в начале проектирования рамы необходимо учитывать все основные элементы болида и приблизительно понимать, где они будут располагаться, сколько свободного пространства для них нужно. Это необходимо для того, чтобы правильно расположить центр тяжести, так как при проверке на опрокидывание болид наклоняют под углом 60 градусов, в этот момент все 4 колеса должны соприкасаться с поверхностью.
При проектировании рамы необходимо понимать смысловую нагрузку каждой трубы в конструкции, так как именно это позволяет построить достаточно легкую конструкцию с необходимой жесткостью.
В погоне за минимальным весом конструкции, забывают про жесткость рамы, и исключают необходимые трубы. А начинающие команды, наоборот стремятся к большей жесткости конструкции, добавляя в раму не нужные трубы, тем самым утяжеляя раму, что приводит к снижению технических характеристик болида.
Поэтому в данной работе будут подробно рассмотрены все элементы конструкции рамы и их геометрические параметры, а также проведен прочностной анализ каждой части рамы с различным вариантом расположения труб. Данный анализ позволит понять, как влияет геометрия секций рамы на жесткость конструкции.
Цель работы: дать практические рекомендации по разработке рамных конструкций болидов класса «Формула Студент».
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить требования регламента «Formula Student» к построению рамной конструкции.
2. Рассмотреть аналоги типовых решений несущих рамных конструкций.
3. Разработать теоретические аспекты расчета прочности рамы на кручение.
4. Промоделировать существующие рамные конструкции команды «Togliatti Racing Team».
5. Провести сравнительный анализ существующих рамных конструкций команды «Togliatti Racing Team» и выбрать оптимальный.
В данной работе были решены следующие задачи:
1. Рассмотрены требования регламента «Formula Student» к построению рамной конструкции.
2. Рассмотрены аналоги типовых решений несущих рамных конструкций.
3. Разработаны теоретические аспекты расчета прочности рамы на кручение.
4. Промоделированы существующие рамные конструкции команды «Togliatti Racing Team».
5. Проведен сравнительный анализ существующих рамных конструкций команды «Togliatti Racing Team» и выбрана оптимальная геометрия.
В первой главе были подробно рассмотрены требования регламента к рамной конструкции гоночного болида класса «Формула Студент. Были проанализированы существующие рамные конструкции команд «Формулы Студент», которые имеют свои плюсы и минусы. Рассмотрены требования и особенности изготовления монокока.
Во второй главе была подробно рассмотрена геометрия всех основных элементов рамы, и проведены прочностные расчеты. Данные расчеты показали, как влияет геометрия определенной части рамы на ее жесткость. Так же в данной главе были рассмотрены варианты минимизации веса. Рассмотрено что такое триангуляция и что она дает. Рассчитана жесткость для рамы гоночного болида «Scorpion G2».
В третьей главе были рассмотрены существующие рамные конструкции команды «Togliatti racing team» и проведены прочностные расчеты. По результатам прочностных анализов лучшей оказалась рама гоночного болида Scorpion «G3» за счет оптимальной геометрии. Также был проведен сравнительный анализ, который показал отличительные особенности каждой рамы, которые повлияли на жесткость конструкций.
В четвертой главе была разработана оптимизированная рамная конструкция для болида «eScorpion 2021» на основе рамы гоночного болида «Scorpion G3». Так как по результатам нагружения в 3 главе, данная рамная конструкция оказалась оптимальной. Также в оптимизированной раме «eScorpion 2021» был добавлен боковой каркас безопасности. Рассмотрен оптимальный вариант расположения распорок главной дуги. Рассмотрено влияние на жёсткость диагональной трубы в основании рамной конструкции. И проведены прочностные анализы, на основе которых были сделаны выводы об оптимальной геометрии для рамной конструкции «eScorpion 2021».
На основе всего изученного были получены практические рекомендации по разработке рамной конструкции для болидов класса «Formula Student» в 4 главе.
Таким образом задачи, поставленные в начале работы, были выполнены, а цель достигнута.
