Υπολογιστική στατική και δυναμική μελέτη βελτιστοποίησης βάσεων πίσω πτέρυγας αγωνιστικού μονοθεσίου

Μαντέλος, Μάριος; Mantelos, Marios

dc.contributor.author	Μαντέλος, Μάριος	el
dc.contributor.author	Mantelos, Marios	en
dc.date.accessioned	2021-11-10T08:50:27Z
dc.date.available	2021-11-10T08:50:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54051
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21749
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Απόσβεση κραδασμών	el
dc.subject	Μονοθέσιο	el
dc.subject	Finite element method	en
dc.subject	Dynamics	en
dc.subject	Race Car	en
dc.subject	Energy dissipation	en
dc.subject	Πίσω πτέρυγα	el
dc.subject	Rear wing	en
dc.subject	Βάσεις	el
dc.subject	Mounts	en
dc.subject	Yπολογιστική μηχανική	el
dc.subject	Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.subject	Στατική ανάλυση	el
dc.subject	Δυναμική ανάλυση	el
dc.subject	Computational mechanics	en
dc.subject	Static structural analysis	en
dc.subject	Κράματα	el
dc.subject	Alloys	en
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Composite materials	en
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	FEM	en
dc.title	Υπολογιστική στατική και δυναμική μελέτη βελτιστοποίησης βάσεων πίσω πτέρυγας αγωνιστικού μονοθεσίου	el
dc.title	Numerical static and dynamic analysis for the optimization of FSAE race car’s rear wing mounts	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.classification	Επιστήμη και Τεχνική Μεταλλικών Υλικών	el
heal.classification	Σύνθετα Υλικά	el
heal.classification	Computational Mechanics	en
heal.classification	Material Science	en
heal.classification	Composite Materials	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-08
heal.abstract	Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι ο μηχανολογικός σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση των βάσεων της πίσω αεροδυναμικής πτέρυγας (rear wing mounts) αγωνιστικού μονοθεσίου. Η λειτουργία των βάσεων είναι η μεταφορά των αεροδυναμικών φορτίων που αναπτύσσονται από την πίσω πτέρυγα (rear wing) στο κεντρικό πλαίσιο-σασί (chassis). Αξιοποιείται η πειραματική συλλογή δεδομένων αεροδυναμικών φορτίων από δοκιμές εξέλιξης στην πίστα από το μονοθέσιο της ομάδας PROM Racing, μέσω των οποίων ορίζονται οι συνοριακές συνθήκες φόρτισης της κατασκευής. Χρησιμοποιώντας το ANSYS¬TM, υπολογιστικό πακέτο προσομοιώσεων βασισμένο στη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM), επιλύονται οι διαφορικές εξισώσεις των αντίστοιχων φαινομένων. Οι βάσεις της πίσω πτέρυγας υπόκειται σε πλήρη και εκτενή έλεγχο υπό στατική και δυναμική φόρτιση. Μέσω της Στατικής Ανάλυσης, η οποία εξετάζει τη συμπεριφορά της κατασκευής υπό στατικό φορτίο, αναζητάται η βέλτιστη επιλογή υλικών και διαμόρφωσης. Συγκρίνονται δύο κατασκευές, μία από αεροπορικού τύπου κράμα αλουμινίου Al-7075T6, και μία σύνθετου υλικού τύπου sandwich-με περίβλημα πολύστρωτο CFRP και πυρήνα PVC. Εξετάζονται διαφορετικές διαμορφώσεις της μεταλλικής βάσης με τη χρήση ελαφρωμάτων (lightening holes) και διαφορετική διαστρωμάτωση της σύνθετης βάσης . Στόχος της βελτιστοποίησης, λόγω της φύσης της εφαρμογής των βάσεων ως εξαρτήματα αγωνιστικού μονοθεσίου, είναι η κατασκευή να έχει μικρή μάζα, να εμφανίζει χαμηλή συγκέντρωση τάσεων και χαμηλές παραμορφώσεις. Η βέλτιστη βάση είναι μεταλλική, καθώς εμφανίζει 63% υψηλότερες επιδόσεις (ανηγμένη ως προς τη μάζα κατευθυντική δυσκαμψία) και 4x υψηλότερη αξιοπιστία (ανηγμένος ως προς τη μάζα παράγοντας ασφαλείας) από την βάση τύπου sandwich. Αντίθετα, η βάση από το σύνθετο υλικό αν και επιτυγχάνει 40% μείωση βάρους (205.61g) και καλύτερη κατανομή των διατμητικών τάσεων, ενώ οι τάσεις και οι παραμορφώσεις που εμφανίζει είναι υψηλότερες (SF=5.2). Στο δεύτερο σκέλος, πραγματοποιείται η ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς της βέλτιστης μεταλλικής βάσης, αξιοποιώντας την πλήρη δειγματοληψία των αεροδυναμικών φορτίων συναρτήσει του χρόνου. Η Ιδιομορφική Ανάλυση (Modal Analysis) δίνει τις ιδιοσυχνότητες και τις ιδιομορφές της κατασκευής. Με εφαρμογή του μετασχηματισμού Fourier, βρίσκονται οι κυρίαρχες συχνότητες φόρτισης, και συγκρίνονται με τις ιδιοσυχνότητες. Η μέγιστη συχνότητα φόρτισης (=2.8Hz) απέχει από την 1η ιδιοσυχνότητα της κατασκευής (=45.35Hz), άρα αποκλείεται το φαινόμενο του συντονισμού. Στηριζόμενοι στην αρχή της υπέρθεσης των κυμάτων προσεγγίζουμε τη συνολική φόρτιση με μία σειρά ημιτονοειδών συναρτήσεων με συχνότητες τις κυρίαρχες του μετασχηματισμού Fourier. Οι συναρτήσεις αυτές εισάγονται στη Φασματική Ανάλυση (Harmonic Response Analysis), η οποία εξετάζει την απόκριση της κατασκευής υπό ημιτονοειδή φόρτιση σε ορισμένο εύρος συχνοτήτων. Επιπλέον, με βάση τη πλήρη δειγματοληψία, αξιοποιείται ο επιλύτης της Πεπλεγμένης Δυναμικής Ανάλυσης για την Ανάλυση της Χρονικής Ολοκλήρωσης-Απόκρισης (Transient Analysis). Αποδεικνύεται πως τα αποτελέσματα της Φασματικής Ανάλυσης αποκλίνουν σε σχέση με την πιο ρεαλιστική Ανάλυση της Χρονικής Ολοκλήρωσης-Απόκρισης, δίνοντας αποτελέσματα με υψηλότερη συντελεστή ασφαλείας, ενώ το πραγματικό σφάλμα της Στατικής Ανάλυσης ανέρχεται περίπου στο 20%. Στο τελευταίο σκέλος μελετάται η απορρόφηση κραδασμών με βάση τη διαμόρφωση αλλά και το υλικό, χρησιμοποιώντας τον επιλύτη της Μη Πεπλεγμένης Δυναμικής Ανάλυσης (Explicit Dynamics). Εισάγεται κατάλληλη πλευρική φόρτιση έπειτα από βιβλιογραφική αναζήτηση πλευρικών επιταχύνσεων σε απότομες αλλαγές κατεύθυνσης, και μελετάται η διάδοση του εγκάρσιου μηχανικού κύματος κατά μήκος της γεωμετρίας. Η σύγκριση μεταξύ των διαμορφώσεων πραγματοποιείται με βάση το μέτρο της εσωτερικής ενέργειας σε ορισμένα κρίσιμα σημεία. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν τη θετική επίδραση του πάχους στη μεταλλική κατασκευή και επαληθεύουν την καταλληλόλητα των κατασκευών από σύνθετα υλικά, και ειδικά των πολύστρωτων στην απορρόφηση ενέργειας (damping). Η βέλτιστη βάση είναι μεταλλική, και σύμφωνα με την Ανάλυση Χρονικής Ολοκλήρωσης-Απόκρισης, η οποία δίνει τα πιο ρεαλιστικά αποτελέσματα, ο παράγοντας ασφαλείας είναι ίσος με 25.77 και η μέγιστη παραμόρφωση ίση με 0.219mm. Τα αποτελέσματα της Μη Πεπλεγμένης Δυναμικής Ανάλυσης αναφορικά με την απορρόφηση κραδασμών δεν λήφθηκαν υπόψη στην επιλογή της βέλτιστης βάσης, καθώς η θετική επίδραση που έδειξε η αύξηση του πάχους οδηγεί τη μάζα σε μη επιτρεπτά επίπεδα.	el
heal.abstract	The target of this thesis is the design and the optimization of the rear wing mounts of a single-seated, open-wheel race car. The principal role of the mounts is the load transfer from the rear wing to the chassis of the car. By deploying the aerodynamic data from on-track testing of PROM Racing Team’s Race Car, the boundary loading conditions are determined. Using ANSYSTM, a commercial simulations package based on the Finite Element Method (FEM), the differential equations describing the problem are solved. The rear wing mounts are subjected to full and extensive static and dynamic tests. In the Static Structural Analysis, which examines the structure’s behavior under static loading, the optimal material choice and structure configuration are sought. Two structures are compared, one manufactured from the aluminum alloy Al-7075T6, and the other a composite sandwich structure, with CFRP skins and PVC core. Different configurations of the alloy structure are examined with the use of lightening holes, and also the lamination for the sandwich composite. Target of the optimization, due to the nature of the structure as a racing car part, is the lightweight of the structure, low stress magnitudes and low deflections. The optimal mount is the alloy one, which shows 63% higher part performance (directional stiffness) and 4x higher reliability (SF/g) compared to the sandwich mount. On the contrary, although the composite structure is 40% lighter and shows better shear stress distribution, the magnitude of stress and strain is higher. In the second part of the project, the dynamic response of the optimal metallic mount is examined, by utilizing all the aerodynamic time dependent loading data. The Modal Analysis gives the eigenfrequencies and eigenmodes of the structure. The application of the Fourier Transform provides the dominant loading frequencies, which are afterwards compared with the natural frequencies. The maximum loading frequency (=2.8Hz) is greatly distanced from the 1st natural frequency (=45.35Hz), so the resonance phenomenon is avoided. Based on the wave superposition principle, the total loads are approached with a series of sinusoidal functions with frequencies those dominant frequencies of the Fourier Transform. These interferenced waves are inserted in the Harmonic Response Analysis, which examines the response of the structure under sinusoidal loading in a particular frequency range. Furthermore, using the whole aerodynamic data, the full Transient Analysis is actualized by utilizing the implicit dynamics solver. The optimistic deviation of the Harmonic Response results from the truer Transient ones is proven. Meanwhile, the true error of using the Static Structural Analysis amounts to nearly 20%. In the last part, the vibration absorption is examined, as far as the material choice and the configuration are concerned. The Explicit Dynamics solver is utilized to solve the conservation of momentum equations. A suitable lateral force is introduced after bibliographic research of lateral accelerations in direction change (sudden steering) and the stress shear wave propagation through the mount is thoroughly examined. The comparison is made regarding the internal energy in particular critical points of the structure. The results show the positive effect of the mount’s thickness and confirm the suitability of the composite structures, especially the sandwich type in energy damping. The optimal rear wing mount is metallic, and according to the more pessimistic Transient Analysis, the Safety Factor is 25.77 and the maximum Total Deformation 0.219 mm. The Explicit Dynamics results were not borne in mind in the optimal choice because the positive influence of higher thickness led to non-permitted mass.	en
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Καβουσανάκης, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Στεφανίδης, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	164 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false