Analysis of different types of chassis for formula student

Ricardo Nuno Coutinho Ferreira

Key information

Authors:

Ricardo Nuno Coutinho Ferreira (Ricardo Nuno Coutinho Ferreira)

Supervisors:

Luís Alberto Gonçalves de Sousa (Luís Alberto Gonçalves de Sousa)

Published in

November 19, 2013

Abstract

The present work aims to compare different types of chassis used in Formula Student cars. This comparison is done under the same circumstances for all structures: the suspension lines and packaging of main components are fixed and a target value for torsional stiffness is estimated based on the car’s handling balance. The space frame from the FST 04e prototype is re-analysed and structural optimization is used to adjust the torsional stiffness value to the defined target while aiming for weight reduction. Since it is mandatory to prove equivalency to the steel base structure defined in the rules, when using composite materials, a quick overview of this type of materials is presented, the equivalency process is explained and a model to identify lay-ups for the different zones is developed. After identifying the candidate lay-ups, several arrangements are analysed for the semi-monocoque and monocoque, aiming for the target value for torsional stiffness and considering two processes: vacuum infusion and Prepreg. The final lay-ups for each case are analysed under the critical loads. Additionally, a local study is developed in order to define the dimensions for the inserts that must be used in the monocoques pickup points. Since most monocoques are manufactured from two bonded parts, a simple finite element model is created to compare shear stresses on the glue layers with theoretical results using Volkersen’s theory. After, a bonded joint applied to the vacuum infusion monocoque is analysed. Finally, a comparison is made between the five analysed cases. O presente trabalho tem como objetivo comparar diferentes tipos de chassis para veículos do tipo Formula Student. Esta comparação é feita com as todas as estruturas sob as mesmas circunstâncias: as linhas da suspensão e a disposição dos componentes principais são fixadas e o valor alvo para a rigidez torsional é estimado. O chassis tubular pertencente ao protótipo FST 04e é reanalisado e recorre-se a otimização estrutural para ajustar o valor da rigidez para o objetivo, procurando-se redução de peso. Sendo obrigatório provar-se equivalência à estrutura base em aço definida no regulamento quando são utilizados materiais compósitos, uma análise a este tipo de materiais é apresentada assim como o processo de equivalência e o desenvolvimento de um modelo para identificação de empilhamentos adequados às diferentes zonas das estruturas. Após identificação dos possíveis empilhamentos para dois processos (infusão por vácuo e Prepregs), são testados vários arranjos para os semi-monocoques e monocoques integrais, por infusão e Prepreg, com o objetivo de atingir o valor alvo para a rigidez torsional. Os empilhamentos finais de cada estrutura são analisados considerando-se os casos de carga críticos. Um estudo localizado aos insertos a serem dimensionados e introduzidos nas estruturas é desenvolvido. Como a maioria dos monocoques consiste na colagem de duas metades, um modelo em elementos finitos é desenvolvido de modo a comparar os resultados computacionais com resultados obtidos segundo a teoria de Volkersen. Posteriormente, a análise da colagem do monocoque por infusão é efetuada. Por fim, é realizada a comparação entre as cinco estruturas projetadas.