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

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.