Optimization of Composite Laminates for Aeroelastic Design of Flexible Aerodynamic Components through Coupled Aero-Structural Simulation

Abstract

Este Trabajo Fin de Máster presenta el diseño y optimización del laminado compuesto de un alerón trasero de Fórmula 1 con el objetivo de obtener una deformación aeroelástica controlada bajo carga aerodinámica que reduzca la resistencia aerodinámica en recta sin comprometer la carga aerodinámica en curva ni el cumplimiento de la normativa FIA 2025. Para ello, se desarrolla una metodología que combina selección de materiales, ingeniería inversa, modelado CAD, simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), análisis estructurales mediante elementos finitos (FEM), interacción fluido-estructura (FSI), análisis modal y una optimización multiobjetivo del laminado. El proceso de optimización evalúa veinte configuraciones diferentes de laminado, variando tanto el número de capas como la orientación de las fibras para alcanzar el mejor equilibrio entre masa, rigidez y deformación dinámica. Como resultado, se obtiene una configuración óptima basada en un laminado híbrido de fibra de carbono T700 y núcleo de espuma Rohacell RH71, capaz de alcanzar una deformación dinámica de 20 mm bajo carga aerodinámica manteniendo una elevada rigidez frente a las pruebas estáticas exigidas por la FIA. El diseño final cumple todos los requisitos establecidos: presenta una deflexión estática inferior a 2 mm, una frecuencia natural del primer modo de vibración de 64,9 Hz, una deformación cortante máxima de 0,016 y una masa total de 1,051 kg. Además, el análisis aeroestructural demuestra que la flexión controlada mejora el rendimiento del vehículo, permitiendo incrementar la velocidad máxima en aproximadamente 11,7 km/h y reducir el tiempo empleado en la recta principal del circuito de Monza en cerca de 0,49 segundos. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto el potencial del diseño aeroelástico de materiales compuestos y del acoplamiento CFD-FEM como herramientas para optimizar componentes de altas prestaciones en el ámbito del automovilismo.This Master's Thesis presents the design and optimization of the composite laminate of a Formula 1 rear wing to achieve controlled aeroelastic deformation under aerodynamic loading. The objective is to reduce aerodynamic drag on straights while maintaining downforce in corners and ensuring full compliance with the 2025 FIA Technical Regulations. To accomplish this, a comprehensive methodology is developed, combining material selection, reverse engineering, CAD modeling, Computational Fluid Dynamics (CFD), Finite Element Method (FEM) structural analysis, Fluid–Structure Interaction (FSI), modal analysis, and multi-objective laminate optimization.

The optimization process evaluates twenty different laminate configurations by varying both the number of plies and the fiber orientations to achieve the best balance between mass, stiffness, and dynamic deformation. The optimal solution consists of a hybrid laminate made of T700 carbon fiber with a Rohacell RH71 foam core, capable of achieving a target dynamic deformation of 20 mm under aerodynamic loading while maintaining sufficient stiffness to satisfy all FIA static load tests.

The final design successfully meets every design requirement, achieving a static deflection below 2 mm, a first natural frequency of 64.9 Hz, a maximum shear strain of 0.016, and a total mass of 1.051 kg. Furthermore, the aero-structural analysis demonstrates that controlled wing deformation enhances vehicle performance by increasing the maximum speed by approximately 11.7 km/h and reducing the travel time along Monza's main straight by nearly 0.49 seconds. These results highlight the potential of aeroelastic composite design and coupled CFD–FEM simulations as effective tools for optimizing high-performance automotive components, demonstrating how controlled structural flexibility can improve aerodynamic efficiency without compromising structural integrity or regulatory compliance.