Design and manufacturing project for the chassis of a solar competition car made of carbon fibre
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Título: Design and manufacturing project for the chassis of a solar competition car made of carbon fibre
Autor: Majchrowicz, Robin
Resumen:
[ES] Este trabajo se centra en el diseño y la producción de un chasis monocasco de fibra de carbono ligero y resistente para un vehículo de competición alimentado por energía solar. El proyecto se ha desarrollado para el equipo Helios race que competirá en el Illumen Solar Challenge 2026 en Zolder, Bélgica. El objetivo principal es utilizar materiales compuestos avanzados para mejorar el diseño, la resistencia estructural y la aerodinámica, al tiempo que se promueve un transporte sostenible y eficiente. A través de simulaciones y cálculos, el proyecto garantiza que el diseño cumpla con los estándares de seguridad y rendimiento para las carreras solares, lo que facilita que el equipo utilice nuevas técnicas de fabricación de forma independiente. El proyecto comienza con un estudio bibliográfico sobre laminados, materiales compuestos, estructuras centrales y sus propiedades. A esto le sigue un análisis del cálculo de las tensiones y deformaciones en laminados compuestos bajo carga, con un enfoque en las matrices de rigidez A, B y D. Tras el estudio bibliográfico, el diseño del monocasco y el diseño de la barra antivuelco se realizan en función del estudio bibliográfico, las regulaciones IESC y las aportaciones de otros subequipos de Helios race . El diseño del monocasco también tiene en cuenta la aerodinámica, la seguridad, la rigidez torsional y la ergonomía del conductor. Estos diseños son la base de las simulaciones de análisis de elementos finitos (FEA) con Simcenter 3D en Siemens NX. Se calculan las propiedades clave del material, seguidas del cálculo de las matrices de rigidez plana A, la matriz de rigidez a la flexión B y la matriz de rigidez de acoplamiento D para diferentes opciones de laminado. Se seleccionan las mejores capas de laminado [45°/45°/0°/núcleo/45°/45°/0°] y [45°/0°/45°/núcleo/45°/0°/45°] en función de la rigidez. Para minimizar las tensiones interlaminares, se prefiere la capa [45°/0°/45°/núcleo/45 °/0°/45°]. Se realizan simulaciones de análisis de elementos finitos para evaluar el rendimiento del monocasco en condiciones de impacto frontal, lateral y superior y en condiciones de torsión. Las capas seleccionadas, [45°/0°/45°/núcleo/45°/0°/45°] y [0°/45°/0°/núcleo/0°/45°/0°], se prueban para la seguridad del conductor durante estos impactos, mostrando que el diseño funciona bien para impactos frontales. La simulación FEM del impacto lateral muestra cierta falla del laminado en el borde libre del monocasco. Para mejorar la seguridad, se coloca una capa adicional de material que absorbe la energía entre el conductor y la pared exterior del monocasco. Las capas también se prueban para la rigidez torsional, ambas capas superan la rigidez torsional objetivo de 4000 Nm/grado, lo que significa que el diseño tiene una rigidez torsional aceptable. Para el análisis de impacto superior, se prueba la barra antivuelco de acero. Los resultados de FEA muestran que la barra antivuelco necesita soporte adicional, específicamente una segunda barra trasera, para brindar una mejor protección al conductor. El diseño también se beneficia de la reducción de ángulos y del uso de diferentes formas de tubo para evitar zonas de alta tensión en las barras. La sección final de la tesis se centra en la producción del monocasco, incluidos los materiales utilizados y los diferentes métodos de construcción. Abarca los pasos necesarios para fabricar el molde positivo, el molde negativo y la laminación del monocasco.
[EN] This thesis focuses on designing and producing a lightweight, strong carbon fibre monocoque chassis for a solar-powered competition vehicle. The project is developed for the Helios race team to compete in the Illumen Solar Challenge 2026 in Zolder, Belgium. The main goal is to use advanced composite materials to improve design, structural strength and aerodynamics, while promoting sustainable and efficient transportation. Through simulations and calculations, the project ensures the design meets safety and performance standards for solar racing, making it easier for the team to use new manufacturing techniques independently. The project starts with a literature study on laminates, composite materials, core structures and their properties. This is followed by an analysis of the calculation of the stresses and strains in composite laminates under load, with a focus on stiffness matrices A, B and D. Following the literature study, the designing of the monocoque and the designing of the roll-over bar are done based on the literature study, IESC regulations and input from other subteams of Helios race . The design of the monocoque also considers aerodynamics, safety, torsional stiffness and driver ergonomics.These designs are the foundation for Finite Element Analysis (FEA) simulations using Simcenter 3D on Siemens NX. The key material properties are calculated, followed by the calculation of plane stiffness matrices A, flexural stiffness matrix B and coupling stiffness matrix D for different laminate options. The best laminate lay-ups [45°/45°/0°/core/45°/45°/0°] and [45°/0°/45°/core/45°/0°/45°] are selected based on stiffness. To minimise interlaminar stresses, the [45°/0°/45°/core/45 °/0°/45°] layup is preferred. Finite Element Analysis simulations are performed to assess the monocoque s performance under frontal, side and top impact conditions and under torsional conditions. The selected layups, [45°/0°/45°/core/45°/0°/45°] and [0°/45°/0°/core/0°/45°/0°] , are tested for driver safety during these impacts, showing that the design works well for frontal impacts. The FEM simulation of the side impact shows some failure of the laminate at the free border of the monocoque. To improve safety, an additional layer of energy-absorbing material is placed between the driver and the monocoque outside wall. The layups are also tested for torsional stiffness, both lay-ups exceeding the target torsional stiffness of 4000 Nm/deg, meaning that the design has an acceptable torsional stiffness. For top impact analysis, the steel roll-over bar is tested. The FEA results show that the roll-over bar needs additional support, specifically a second back bar, to provide better driver protection. The design also benefits from reducing angles and using different tube shapes to avoid high-stress areas in the bars. The final section of the thesis focuses on the production of the monocoque, including the materials used and the different construction methods. It covers the steps involved in making the positive mould, the negative mould and the lamination of the monocoque.
[ES] Este trabajo se centra en el diseño y la producción de un chasis monocasco de fibra de carbono ligero y resistente para un vehículo de competición alimentado por energía solar. El proyecto se ha desarrollado para el equipo Helios race que competirá en el Illumen Solar Challenge 2026 en Zolder, Bélgica. El objetivo principal es utilizar materiales compuestos avanzados para mejorar el diseño, la resistencia estructural y la aerodinámica, al tiempo que se promueve un transporte sostenible y eficiente. A través de simulaciones y cálculos, el proyecto garantiza que el diseño cumpla con los estándares de seguridad y rendimiento para las carreras solares, lo que facilita que el equipo utilice nuevas técnicas de fabricación de forma independiente. El proyecto comienza con un estudio bibliográfico sobre laminados, materiales compuestos, estructuras centrales y sus propiedades. A esto le sigue un análisis del cálculo de las tensiones y deformaciones en laminados compuestos bajo carga, con un enfoque en las matrices de rigidez A, B y D. Tras el estudio bibliográfico, el diseño del monocasco y el diseño de la barra antivuelco se realizan en función del estudio bibliográfico, las regulaciones IESC y las aportaciones de otros subequipos de Helios race . El diseño del monocasco también tiene en cuenta la aerodinámica, la seguridad, la rigidez torsional y la ergonomía del conductor. Estos diseños son la base de las simulaciones de análisis de elementos finitos (FEA) con Simcenter 3D en Siemens NX. Se calculan las propiedades clave del material, seguidas del cálculo de las matrices de rigidez plana A, la matriz de rigidez a la flexión B y la matriz de rigidez de acoplamiento D para diferentes opciones de laminado. Se seleccionan las mejores capas de laminado [45°/45°/0°/núcleo/45°/45°/0°] y [45°/0°/45°/núcleo/45°/0°/45°] en función de la rigidez. Para minimizar las tensiones interlaminares, se prefiere la capa [45°/0°/45°/núcleo/45 °/0°/45°]. Se realizan simulaciones de análisis de elementos finitos para evaluar el rendimiento del monocasco en condiciones de impacto frontal, lateral y superior y en condiciones de torsión. Las capas seleccionadas, [45°/0°/45°/núcleo/45°/0°/45°] y [0°/45°/0°/núcleo/0°/45°/0°], se prueban para la seguridad del conductor durante estos impactos, mostrando que el diseño funciona bien para impactos frontales. La simulación FEM del impacto lateral muestra cierta falla del laminado en el borde libre del monocasco. Para mejorar la seguridad, se coloca una capa adicional de material que absorbe la energía entre el conductor y la pared exterior del monocasco. Las capas también se prueban para la rigidez torsional, ambas capas superan la rigidez torsional objetivo de 4000 Nm/grado, lo que significa que el diseño tiene una rigidez torsional aceptable. Para el análisis de impacto superior, se prueba la barra antivuelco de acero. Los resultados de FEA muestran que la barra antivuelco necesita soporte adicional, específicamente una segunda barra trasera, para brindar una mejor protección al conductor. El diseño también se beneficia de la reducción de ángulos y del uso de diferentes formas de tubo para evitar zonas de alta tensión en las barras. La sección final de la tesis se centra en la producción del monocasco, incluidos los materiales utilizados y los diferentes métodos de construcción. Abarca los pasos necesarios para fabricar el molde positivo, el molde negativo y la laminación del monocasco.
[EN] This thesis focuses on designing and producing a lightweight, strong carbon fibre monocoque chassis for a solar-powered competition vehicle. The project is developed for the Helios race team to compete in the Illumen Solar Challenge 2026 in Zolder, Belgium. The main goal is to use advanced composite materials to improve design, structural strength and aerodynamics, while promoting sustainable and efficient transportation. Through simulations and calculations, the project ensures the design meets safety and performance standards for solar racing, making it easier for the team to use new manufacturing techniques independently. The project starts with a literature study on laminates, composite materials, core structures and their properties. This is followed by an analysis of the calculation of the stresses and strains in composite laminates under load, with a focus on stiffness matrices A, B and D. Following the literature study, the designing of the monocoque and the designing of the roll-over bar are done based on the literature study, IESC regulations and input from other subteams of Helios race . The design of the monocoque also considers aerodynamics, safety, torsional stiffness and driver ergonomics.These designs are the foundation for Finite Element Analysis (FEA) simulations using Simcenter 3D on Siemens NX. The key material properties are calculated, followed by the calculation of plane stiffness matrices A, flexural stiffness matrix B and coupling stiffness matrix D for different laminate options. The best laminate lay-ups [45°/45°/0°/core/45°/45°/0°] and [45°/0°/45°/core/45°/0°/45°] are selected based on stiffness. To minimise interlaminar stresses, the [45°/0°/45°/core/45 °/0°/45°] layup is preferred. Finite Element Analysis simulations are performed to assess the monocoque s performance under frontal, side and top impact conditions and under torsional conditions. The selected layups, [45°/0°/45°/core/45°/0°/45°] and [0°/45°/0°/core/0°/45°/0°] , are tested for driver safety during these impacts, showing that the design works well for frontal impacts. The FEM simulation of the side impact shows some failure of the laminate at the free border of the monocoque. To improve safety, an additional layer of energy-absorbing material is placed between the driver and the monocoque outside wall. The layups are also tested for torsional stiffness, both lay-ups exceeding the target torsional stiffness of 4000 Nm/deg, meaning that the design has an acceptable torsional stiffness. For top impact analysis, the steel roll-over bar is tested. The FEA results show that the roll-over bar needs additional support, specifically a second back bar, to provide better driver protection. The design also benefits from reducing angles and using different tube shapes to avoid high-stress areas in the bars. The final section of the thesis focuses on the production of the monocoque, including the materials used and the different construction methods. It covers the steps involved in making the positive mould, the negative mould and the lamination of the monocoque.
URI: http://hdl.handle.net/10251/214515
Fecha: 2025-02-18
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ETSII - Trabajos académicos [10539]
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales