Σχεδιασμός, μελέτη και κατασκευή αεροδυναμικού τιμονιού απο ανθρακονήματα για ποδήλατο δρόμου

Abstract

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή αγωνιστικού αεροδυναμικού τιμονιού ποδηλάτου δρόμου από ανθρακονήματα. Οι κύριες απαιτήσεις από ένα τέτοιο προϊόν είναι: ελάχιστη αεροδυναμική αντίσταση, εργονομία και χαμηλό βάρος. Ο σχεδιασμός θα γίνει με την βοήθεια του 3D CAD προγράμματος SolidWorks της Dassault Systemes. Για τον σχεδιασμό της διατομής του βασικού στελέχους της αερόμπαρας θα γίνει επιλογή μεταξύ 17 διαδεδομένων αεροτομών . Σύμφωνα με τους κανονισμούς της UCI το προφίλ του τιμονιού πρέπει να έχει minimum αναλογία .Για την μελέτη CFD (Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής) θα χρησιμοποιήσουμε την εφαρμογή Flow Simulation του SolidWorks, όπου και θα γίνει η επιλογή της αεροτομής που εμφανίζει την μικρότερη αεροδυναμική αντίσταση για τις επιλεγμένες συνθήκες που ανταποκρίνονται σε ρεαλιστικές συνθήκες αγώνα ατομικής χρονομέτρησης. Στην συνέχεια θα προσομοιώσουμε κάποια σενάρια καταπόνησης βασισμένα στο πρότυπο EN 14781 (European Standard, Racing bicycles-Safety requirements and test methods) για τιμόνια ποδηλάτων δρόμου. Στην αρχή οι προσομοιώσεις θα γίνουν με υλικό αλουμίνιο για να διαπιστώσουμε αν υπάρχει κάποια έντονη σχεδιαστική αδυναμία και εν συνεχεία θα γίνει μελέτη πεπερασμένων στοιχείων (FEA) για την επιλογή της ακριβούς διαστρωμάτωσης των προεμποτισμένων υφασμάτων από ανθρακονήματα. Έπειτα θα σχεδιαστεί το καλούπι από αλουμίνιο (χρήση Solidworks Mold Tools) και θα ελεγχθεί η παραμόρφωσή του κάτω από τις συνθήκες κατασκευής (πίεση 8 bar, θερμοκρασία 120oC). Το καλούπι θα κατασκευαστεί σε CNC κέντρο κατεργασιών Hitachi Seiki τριών αξόνων (x,y,z). Θα περιγραφούν τα βήματα της διαδικασίας κατασκευής. Θα προχωρήσουμε στον σχεδιασμό δύο εναλλακτικών τύπων αεροδυναμικών επεκτάσεων για το τιμόνι μας, ευθείες και S-bend και θα σχεδιαστεί ένα καλούπι με δυνατότητα κατασκευής και των δύο τύπων. Θα εξαχθούν τα σχήματα των πατρόν των υφασμάτων του carbon για το βασικό στέλεχος, θα κοπούν και θα λάβει χώρα η διαδικασίας της χειρωνακτικής διαστρωμάτωσης. Ακολουθεί ο σχεδιασμός του πνευματικού κυκλώματος , η κατάστρωση του θερμικού κύκλου cure και ο προγραμματισμός του PLC του κλιβάνου. Τέλος , θα γίνει σχολιασμός του τελικού προϊόντος και θα αναφερθούν προβλήματα που παρουσιάστηκαν κατά την κατασκευή.

The goal of this study is the design and construction of a racing bicycle aerobar made of carbon fiber. The main requirements of such a product are: minimized aerodynamic drag, ergonomics and lightweight design. The component design will take place using Solidworks,a Dassault Systemes 3D CAD program. For the basebar profile design there will be an initial selection among 17 most reckoned airfoils. According to UCI regulations the handlebar is subjected to the 3:1 rule, thus the ratio between the length and the maximum thickness will not exceed 3. For the Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis we will use Solidworks Flow Simulation Tool so as to choose the airfoil with the minimum drag under specified ambient conditions and velocity parameters that respond realistically to a time trial race. Subsequently we will run failure diagnostic tests according to EN 14781 (European Standard, Racing bicycles-Safety requirements and test methods) for road bike handlebars. At first the simulations will be held with aluminum in order to make a rough assessment of any design weaknesses and then a Finite Element Analysis will take place using the actual material (prepreg carbon fiber) to determine the exact stacking sequence. Then the mold will be designed using SolidWorks Mold Tools and we will check via simulation its deformation during the curing cycle conditions (8 bar pressure, 120oC temperature). The mold will be produced in a three axis Hitachi Seiki machining center (x,y,z) . There will be a description of the manufacturing process steps. We will proceed to the design of two alternative aero extension designs for our aerobar, straight and S-bend and we will design a mold that will allow us to produce both types. The flat carbon fabric patterns for the basebar will be extracted, and they will be cut off the roll and laid up by hand. Following the components and connections for the pneumatic circuit will be determined, the curing cycle plotted and the oven’s PLC programmed. Eventually there will be a report about the final product and the problems that immerged during the prototype production.