Optimización topológica para fabricación aditiva de mangueta de vehículo de Formula Student

Abstract

La Formula Student es la competición estudiantil más importante que existe en el mundo del automovilismo. En esta, universitarios de todo el mundo diseñan y fabrican un monoplaza para competir en prestigiosos circuitos. En este contexto se desarrolla el siguiente trabajo cuyo objetivo es el rediseño de la mangueta delantera del vehículo del equipo ARUS para reducir el peso de la pieza. Este nuevo diseño está enfocado para ser fabricado mediante tecnologías de fabricación aditiva metálica. La mangueta es un elemento de la suspensión que debe soportar las cargas derivadas de la conducción, por tanto, debe ser lo suficientemente robusta para no romper. Esto hace que sea una de las piezas más grandes del sistema de suspensión. Además, al tratarse de un componente que forma parte de la masa no suspendida se verá que la repercusión del peso eliminado es más significativa que en elementos de la masa suspendida como puede ser el chasis. El siguiente paso será evaluar las cargas que recibe la mangueta durante la conducción. Para ello se emplea un registro de aceleraciones longitudinales y laterales obtenido en una competición oficial, FSN. Se van a establecer cinco situaciones dinámicas: aceleración, frenada, entrada en curva, curva y salida de curva. A partir del mencionado registro se van a obtener las aceleraciones máximas en cada una de las cinco situaciones. Con los valores de aceleraciones obtenidos y los datos de la geometría del vehículo se va a elaborar un modelo de transferencia de peso. Mediante el modelo se obtendrán las fuerzas originadas en la huella de contacto del neumático con el asfalto. Posteriormente, se realizará un análisis de elemento finitos para evaluar con cuanto margen la mangueta antigua soporta las cargas a las que se ve sometida. Dado que el resultado de este análisis es satisfactorio se determina que la pieza tiene margen para ser optimizada. En base al resultado anterior se desarrollará el proceso de optimización. Primero se definirá que es la optimización topológica y su relación con la fabricación aditiva. Se seleccionará la tecnología de fabricación más conveniente, PBF, fundamentando la decisión en datos de la industria y ventajas del proceso. Luego se elaborará la optimización haciendo uso del programa Altair Inspire, definiendo como objetivo de la optimización maximizar la rigidez. Finalmente se efectuará el rediseño de la pieza usando como referencia los resultados de la optimización. La nueva geometría se analizará mediante un ensayo de elementos finitos para asegurar que es capaz de soportar las cargas calculadas. También se llevará a cabo un análisis a fatiga para averiguar si el número de ciclos soportado por la pieza es suficiente para cubrir las necesidades del equipo.

Formula Student is the most important student competition in the world of motorsport. In this competition, students from all over the world design and manufacture a single-seater to compete in prestigious circuits. In this context, the following work is developed with the aim of redesigning the front upright of the ARUS team vehicle in order to reduce the weight of the part. This new design is focused to be manufactured by metal additive manufacturing technologies. The upright is an element of the suspension that must withstand the loads derived from driving, so it must be robust enough not to break. This makes it one of the largest parts of the suspension system. In addition, since it is a component that is part of the unsprung mass, it will be seen that the impact of the weight removed is more significant than in elements of the sprung mass such as the chassis. The next step will be to evaluate the loads that the upright receives during driving. For this purpose, a record of longitudinal and lateral accelerations obtained in an official competition, FSN, will be used. Five dynamic situations will be established: acceleration, braking, corner entry, cornering and corner exit. From this record, the maximum accelerations in each of the five situations will be obtained. With the acceleration values obtained and the vehicle geometry data, a weight transfer model will be elaborated. The model will be used to obtain the forces generated in the contact patch of the tire with the asphalt. Subsequently, a finite element analysis will be carried out to evaluate the extent to which the upright supports the loads to which it is subjected. Since the result of this analysis is satisfactory, it is determined that the part has margin to be optimized. Based on the previous result, the optimization process will be developed. First, topological optimization and its relation to additive manufacturing will be defined. The most suitable manufacturing technology, PBF, will be selected, basing the decision on industry data and process advantages. Then, the optimization will be elaborated using the Altair Inspire program, defining as optimization objective to maximize stiffness. Finally, the part will be redesigned using the optimization results as a reference. The new geometry will be analyzed by means of a finite element test to ensure that it is able to support the calculated loads. Also, a fatigue analysis will be carried out to find out if the number of cycles supported by the part is sufficient to cover the needs of the equipment.