Σχεδιασμός και κατασκευή πλαισίου από σύνθετα υλικά για αγωνιστικό όχημα κατηγορίας Formula Student

Abstract

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός αγωνιστικού οχήματος αποτελούν ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον αντικείμενο στο χώρο της Μηχανολογίας. Η επίτευξη της μέγιστης απόδοσης και του χαμηλότερου βάρους αποτελούν ένα μεγάλο στοίχημα για κάθε Μηχανικό που σχεδιάζει ένα αγωνιστικό όχημα καθώς καλείται να βρει τον βέλτιστο συνδυασμό παραμέτρων που θα τον οδηγήσει στην νίκη, μέσα από εκατομμύρια διαφορετικούς συνδυασμούς πιθανών εκδοχών. Μέσω αυτής της διαδικασίας, ο Μηχανικός αναπτύσσει την ικανότητα έρευνας, ανάλυσης δεδομένων, λήψης αποτελεσματικών αποφάσεων και επίλυσης προβλημάτων κάνοντας πάντα τους απαραίτητους συμβιβασμούς που θα τον οδηγήσουν στην επιτυχία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται η μέθοδος ανάπτυξης ενός πλαισίου από σύνθετα υλικά για ένα αγωνιστικό όχημα της κατηγορίας Formula Student. Το πλαίσιο ενός οχήματος αποτελεί το κέντρο όλων των υποσυστημάτων του καθώς πάνω σε αυτό εδράζονται όλα τα υπόλοιπα υποσυστήματα ενώ ταυτόχρονα καλείται να παραλάβει υψηλά φορτία και δυνάμεις. Στη σημερινή εποχή η εξέλιξη πλαισίων αγωνιστικών οχημάτων έχει σημειώσει πολύ μεγάλη πρόοδο λόγω του του συνδυασμού έρευνας, επιστήμης και νέων τεχνολογιών. Για την επίτευξη υψηλής απόδοσης απαιτείται χαμηλό βάρος και υψηλή ακαμψία, ένας συνδυασμό απαιτήσεων που έρχεται να καλύψει ο τομέας των σύνθετων υλικών. Αρχικά γίνεται εξοικείωση με τις σχετικές έννοιες και παρουσιάζεται η μηχανική που αφορά τα σύνθετα υλικά. Ύστερα γίνεται ανάλυση των σχετικών κανονισμών και περιορισμών που ορίζει ο διαγωνισμός και επεξηγούνται οι διαφορές μεταξύ ενός συμβατικού χαλύβδινου πλαισίου και ενός πλαισίου τύπου monocoque. Σύμφωνα με το υπολογιστικό εργαλείο που παρέχει ο διαγωνισμός για πλαίσια από σύνθετα υλικά, θα πρέπει να γίνεται πάντα σύγκριση με το ελάχιστο σημείο αναφοράς που είναι ένα αντίστοιχο χαλύβδινο πλαίσιο. Για την επίτευξη αυτό του στόχου πραγματοποιείται πλήθος φυσικών πειραμάτων κάμψης τριών σημείων και πειραμάτων διάτρησης έως ότου βρεθεί ο ελάχιστος αριθμός στρώσεων για τη διαστρωμάτωση κάθε επιμέρους επιφάνειας του πλαισίου. Επιπλέον πραγματοποιούνται φυσικά πειράματα καταστροφικού ελέγχου για τα διαθέσιμα υλικά προκειμένου να βρεθούν οι μηχανικές ιδιότητές τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο τομέας των πεπερασμένων στοιχείων και δημιουργείται ένα μοντέλο αντίστοιχο του πειράματος κάμψης τριών σημείων. Μέσω αυτής της προσομοίωσης υπολογίζεται η απόκλιση που φέρει η υπολογιστική μελέτη σε σχέση με το φυσικό πείραμα και ορίζονται οι βέλτιστες παράμετροι του μοντέλου για το οποίο επιτυγχάνεται σύγκλιση θεωρίας και φυσικού πειράματος. Με βάση αυτές τις παραμέτρους δημιουργείται το τελικό μοντέλο με τη γεωμετρία του τελικού πλαισίου και καθορίζονται οι τρεις βασικές περιπτώσεις καταπόνησης που θα πρέπει να μελετηθούν. Για τις τρεις αυτές περιπτώσεις προτείνονται διαφορετικές τεχνικές διαστρωμάτωσης για κάθε μέρος του πλαισίου που ορίζει ο διαγωνισμός και ελέγχεται ποιος από αυτούς τους συνδυασμούς φέρει τον καλύτερο λόγο ακαμψίας προς βάρους. Ύστερα εφόσον βρεθεί ο πιο αποδοτικός τρόπος διαστρωμάτωσης για κάθε επιμέρους περιοχή του πλαισίου, γίνεται έλεγχος αυτής της τεχνικής κατά τα χειρότερα σενάρια φόρτισης του πλαισίου σε αγωνιστικές συνθήκες. Μέσω των αποτελεσμάτων που θα προκύψουν από τις παραπάνω εξεταζόμενες περιπτώσεις, αξιολογείται η αντοχή του πλαισίου και διερευνάται εάν θα πρέπει να προστεθούν περαιτέρω στρώσεις για την ενίσχυσή του ή αν υπάρχει το περιθώριο μείωσής τους για την επίτευξη χαμηλότερου βάρους ακολουθώντας βέβαια πάντα τους κατασκευαστικούς περιορισμούς. Τέλος γίνεται η παρουσίαση της διαδικασίας κατασκευής που σχεδιάστηκε και ακολουθήθηκε προκειμένου το υπό μελέτη πλαίσιο να λάβει πραγματική μορφή.