Βελτιστοποίηση συστήματος πέδησης αγωνιστικού μονοθεσίου προδιαγραφών Formula SAE με τη χρήση γενετικού σχεδιασμού

Παπαθεοχάρης, Στέφανος

Optimization of custom brake caliper of a Formula SAE race car utilizing generative design

Διπλωματική εργασία

Author

Παπαθεοχάρης, Στέφανος

Date

2023-07-27

Advisor

Μέντρεα, Κάρμεν
Παπαγεωργίου, Δημήτριος

ΔΗΛΩΣΗ-ΣΥΓΓΡΑΦΕΑ-ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ-ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ-ΕΡΓΑΣΙΑΣ.pdf (401.5Kb)

MechEng_Papatheocharis_et04413 (2).pdf (8.975Mb)

Keywords

Γενετικός σχεδιασμός ; Generative design ; Brake calipers ; Formula Student ; Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων ; Σύστημα πέδησης ; ANSYS

Abstract

Το αντικείμενο εξέτασης της εργασίας, είναι ο σχεδιασμός, η μελέτη και η βελτιστοποίηση του συστήματος πέδησης (δαγκάνες φρένων), ενός μονοθέσιου τύπου Formula Student με την χρήση του γενετικού σχεδιασμού. Το Formula Student, είναι ένας διεθνής διαπανεπιστημιακός διαγωνισμός, οπού συμμετάσχουν φοιτητές από όλο των κόσμο, με σκοπό τη σχεδίαση , τη μελέτη και την κατασκευή ενός πλήρους λειτουργικού αγωνιστικού μονοθέσιου, σύμφωνα με τους κανονισμούς που θεσπίζονται από τους διοργανωτές. Σκοπός, όλων των ομάδων είναι η διαρκής επιδίωξη υψηλών επιδόσεων. Η επίτευξη αυτού του στόχου σχετίζεται με την ελάττωση βάρους, της αύξησης της συνολικής ιπποδύναμης, αλλά και της δυνατότητας αποτελεσματικού φρεναρίσματος στις στροφές, με σκοπό γρηγορότερους χρόνους. Για αυτό τον λόγο, στο μηχανοκίνητο αθλητισμό, βλέπουμε τεχνολογίες όπως αυτές των συνθέτων υλικών και εξαρτημάτων από προσθετικές κατεργασίες (Additive Manufacturing). Τα εν λόγω υλικά και οι τεχνολογίες τους, εξαιτίας του υψηλού κόστους τους, απαιτείται ανάγκη για την μελέτη τους με υπολογιστικές μεθόδους οι οποίες προσφέρουν κατευθυντήριες γραμμές κατά το σχεδιασμό και την κατασκευή. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται η μηχανική συμπεριφορά των φρένων ενός αγωνιστικού μονοθέσιου. Γίνεται λόγος για τα διαφορετικά συστήματα πέδησης καθώς και ανάλυση για την επιρροή της τελικής διαστασιολόγησης του συστήματος πέδησης. Μελετήθηκε ο βέλτιστος αριθμός εμβολών για τις δάγκανες φρένων σε συνδυασμό με τις βέλτιστες διαμέτρους για τις ανάγκες του μονοθέσιου, αλλά και την καλύτερη κατανομή φθοράς στα τακάκια των φρένων. Για να επιτευχθεί ισορροπία μεταξύ μηχανικής συμπεριφοράς, αξιοπιστίας και βάρους, χρησιμοποιείται η μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method, FEM). Αποτελεί μια μέθοδο κατάλληλη για προβλήματα μηχανικής με αυξημένη αξιοπιστία, δεδομένης και της ευρείας χρήσης της στην έρευνα αλλά και στη βιομηχανία. Για τον σχεδιασμό του συστήματος πέδησης χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Autodesk Fusion360TM. Το συγκεκριμένο πακέτο έχει την δυνατότητα αξιοποίησης του γενετικού σχεδιασμού (Generative Design), το οποίο επιτρέπει στον σχεδιαστή να θέσει διάφορες παραμέτρους, όπως τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού, τις δυνάμεις που ασκούνται στη κατασκευή, τον επιθυμητό συντελεστή ασφάλειας, τις μέγιστες επιτρεπτές τιμές μετατόπισης, με γνώμονα το τελικό βάρος και τη μέθοδο κατασκευής. Για την επαλήθευση της κατασκευής μέσω των πεπερασμένων στοιχείων αξιοποιήθηκε το υπολογιστικού πακέτου ANSYSTM στο οποίο εισάγεται η γεωμετρία του μελετώμενου εξαρτήματος. Έπειτα από την εισαγωγή των μηχανικών ιδιοτήτων των χρησιμοποιούμενων υλικών, κατασκευάζεται πλέγμα διακριτοποίησης για την επιτέλεση των αριθμητικών υπολογισμών. Στη συνέχεια καθορίζονται οι συνοριακές συνθήκες του αριθμητικού μοντέλου, παράλληλα με την εισαγωγή των εξωτερικών δυνάμεων που ασκούνται σε αυτό. Έπειτα από την επίλυση του αριθμητικού προσομοιώματος, λαμβάνονται τιμές για τη συνολική και την αξονική παραμόρφωση του σώματος.

Abstract

This study focuses on the design, analysis, and optimization of the braking system (brake calipers) for a Formula Student single-seater vehicle, utilizing generative design techniques. Formula Student is an international inter-university competition where students worldwide participate in designing, studying, and constructing a fully functional racing single-seater vehicle, adhering to specific regulations. The primary objective for all teams is to achieve high performance, involving aspects such as weight reduction, increased horsepower, and improved braking efficiency during turns in order to achieve faster lap times. Advanced technologies, including composite materials and additive manufacturing are explored in motorsports, requiring computational methods to guide design and construction due to their high cost. This thesis delves into the mechanical behavior of the brakes in a racing single-seater vehicle, analyzing various braking systems and examining the impact of its final dimensioning. The present study investigates the optimal number of pistons for brake calipers considering vehicle needs and the ideal wear distribution on brake pads. To achieve a balance between mechanical behavior, reliability, and weight, a Finite Element Method (FEM) is employed, known for its reliability and widespread application in research and industry. The braking system is designed using Autodesk Fusion360TM software, leveraging Generative Design to set parameters, such as material properties, applied forces, safety factors, maximum allowable displacements, with the ultimate goal of weight reduction and efficient construction. Verification of the design is performed using the ANSYSTM computational package, simulating the mechanical behavior through finite element analysis. Boundary conditions and external forces are considered, leading to the determination of overall and axial deformation of the component. Through this comprehensive study, valuable insights are gained, providing significant contributions to the field of racing vehicle design and braking system optimization, with implications for the motorsport industry's continuous pursuit of high-performance solutions.