Návrh kompozitního deformačního prvku pro vůz Formula Student

Abstract

V úvodní části této práce je přiblížena teorie nárazu vozu, která volně pokračuje popisem prostředků, které zmírňují účinky nehody na posádku. Probírá především pokročilé konstrukce kompozitních deformačních členů používaných v oblasti motorsportu, přičemž se nejpodrobněji zabývá řešeními vozů kategorie Formula Student. V další části řeší formu poruch kompozitních materiálů s uhlíkovými vlákny a vůbec nejpodrobněji rozebírá chování materiálu při zatížení nárazem. Podrobně je popsána problematika delaminace energii absorbujících struktur a jsou uvedeny jejich příklady. Tato úvodní část posloužila jako základ ke konstrukčnímu návrhu kompozitního deformačního prvku pro vůz kategorie Formula Student. Jsou stanoveny okrajové podmínky a základní konstrukční parametry. Inženýrská hodnota této práce je založena na MKP simulaci tříštění kompozitu. Za tímto účelem jsou provedeny potřebné materiálové zkoušky, podrobně popsán jejich rozbor a získání parametrů materiálového modelu. Na základě nárazových zkoušek trubkových vzorků je následně provedena validace reálné předpovědi MKP simulace. Návrhu deformačního prvku dále předcházela studie závislosti vlivu skladby laminátu na jeho absorpční vlastnosti. Úspěšně nakalibrovaný a validovaný materiálový model je posléze aplikován v MKP modelu simulace nárazu navrženého kompozitního deformačního prvku. Ta poslouží jako prostředek dimenzování konstrukce za účelem splnění daných předpisů. Konečnému výsledku předchází několik iteračních kroků, které nakonec vedou k úspěšnému návrhu. V závěru práce je popsán postup výroby jednotlivých součástí konstrukce, především se zaměřuje na postup laminace. Rozebírá jak kontaktní laminaci použitou při výrobě forem, tak technologii prepregu při výrobě deformačního členu.

Theoretical part of the thesis starts with vehicle impact theory and describes structures which reduce impact consequences. It discusses mainly advanced composite impact attenuators used in the highest level of motorsport. Structures of Formula Student cars are looked into more details. Following chapter describes carbon fiber reinforced polymers (CFRP) failure especially focused on impact collapse. It presents detailed delamination and failure process during impact and introduces basic energy absorbing structures. This theoretical part was used as a fundamental knowledge to design composite impact attenuator for the Formula Student car. Brand new developed vehicle established boundary conditions and Formula Student Rules defined basic construction parameters. Finite element analysis (FEA) of CFRP collapse was proclaimed as the basic engineering act of this thesis. It required a couple of quasistatic material tests to obtain FEA material data. Dynamic tests on tube samples were performed to validate finite element model and results were compared. Before the impact attenuator was designed the influence of laminate layup had been investigated. Successfully calibrated material data were applied in FEA of designed impact attenuator crash simulation. Its iterative results led to structure which meets all Formula Student Rules. The thesis is concluded by manufacturing process description. It is especially focused on laminate manufacturing process. It describes wet lamination used for moulds and even prepreg technology during impact attenuator manufacturing as well.