Diseño y fabricación del carenado para Formula Student

Abstract

Introducción: En el 2015 un grupo de estudiantes de la Universidad Pontificia Comillas-ICAI de apasionados del mundo del motor decidió juntarse para crear el ICAI Speed Club (ISC). Esta agrupación debutó en la competición de MotorStudent Petrol de la temporada 2015-2016. Desde entonces esta asociación ha ido generando mayor interés y congregando en cada temporada a más alumnos hasta el punto de participar en tres competiciones distintas: MotorStudent Petrol, MotorStudent Electric y FormulaStudent Electric. El equipo de FormulaStudent Electric se centra en la concepción de un monoplaza de competición eléctrico cuyo diseño del carenado para esta temporada es de lo que trata este Trabajo de Fin de Grado, ubicado en el departamento de mecánica, pero más precisamente en el subdepartamento de aerodinámica. La aerodinámica en el automovilismo es un concepto relativamente nuevo que no se llegó a explotar del todo hasta la segunda mitad del siglo XX. Se ha pasado de diseñar unos primeros coches cuyo carenado servía simplemente como barrera de protección a monoplazas de competición donde el diseño aerodinámico del carenado es un factor de absoluta relevancia para su rendimiento. Hoy en día, el diseño aerodinámico del carenado ya no solo en automóviles, sino también en aeronaves, trenes y barcos, está cobrando cada vez más importancia. La reducción de la resistencia aerodinámica y el mejor aprovechamiento del fluido en el rendimiento de estas máquinas son los principales objetivos para reducir los costes de servicio y mantenimiento, pero sobre todo para consumir menos energía y reducir la huella medioambiental. Por esto, el carenado del que se habla en este trabajo pretende cumplir con todo lo mencionado anteriormente. Será una pieza que tenga el mejor rendimiento aerodinámico posible, viable económicamente y que agrade estéticamente.

Metodología:

La forma de trabajar se divide en las dos etapas principales del trabajo que son el diseño y la fabricación de la pieza. A la hora de diseñar se ha seguido la siguiente metodología de trabajo: • Comparación de posibles diseños de carenado: Se compararon las distintas geometrías que tenían los carenados de los equipos que han participado en competiciones de FormulaStudent en Europa (Eindhoven University of Technology, munichHMotorsport, Warwick University, Politécnica de Barcelona …) teniendo en cuenta el diseño del carenado de la temporada pasada para posibles mejoras de rendimiento y estéticas. • Diseño de distintas geometrías del carenado: En esta etapa de trabajo simplemente se diseñaron distintas formas de carenado en SolidWorks en el módulo de superficies que servirían como base para los posteriores análisis computacionales. Se empezó a diseñar la pieza partiendo de dos alternativas: orientado a desviar el aire incidente hacia el cockpit (morro hacia abajo, PROTOTIPO A) o enviándolo al fondo plano (morro hacia arriba, PROTOTIPO B). • Análisis computacional de los diseños: Se han ensayado los distintos diseños con ANSYS en el módulo de Fluent con el fin de ver cual presentaba mejores prestaciones aerodinámicas. En un principio se pensó aportar modificaciones al prototipo que mejor se comportara aerodinámicamente, pero por ajustes de chasis hasta última hora y plazos de tiempo no se pudieron hacer mejoras.

En cuanto a la fabricación se siguió el siguiente orden: • Elección del material:

La elección del material tenía que ser de modo que no disparara el coste de fabricación de la pieza y que permitiese que la pieza cumpliese con la norma. Al tener un mayor presupuesto este año, el material escogido fue la fibra de carbono. Este material proporciona un cómodo margen para crear una gran variedad de geometrías y tiene propiedades mecánicas muy ventajosas que nos aseguraban cumplir con la norma.

• Obtención de la pieza: La pieza se ha obtenido a partir de un molde hembra en dos mitades de madera mediante la técnica de infusión. Posteriormente las dos mitades de la pieza se han unido para obtener la pieza final.

Objetivos: Desde un punto de vista del diseño se espera cumplir con los siguientes objetivos: • Diseñar un carenado que cumpla con su función aerodinámica, es decir obtener los mejores valores posibles de ‘lift’ y ‘drag’: mejorar los valores obtenidos del año pasado hasta obtener un CD=0.163 y disminuir (hacer más negativo) el ‘lift’ en un 20% como mínimo, resultando CL=-0.137. • Escoger un diseño de carenado que genere la mayor carga aerodinámica que ayude a mejorar el rendimiento del monoplaza.

En el ámbito de la fabricación los principales objetivos son los siguientes:

• Fabricar un carenado viable económicamente relativamente sencillo • Cumplir con la norma • Base para añadir futuros elementos aerodinámicos como unos alerones delanteros. Resultados: Las simulaciones del prototipo A dieron unos buenos resultados con respecto a los objetivos fijados: CD=0,129, CL= -0,402. Sin embargo, las simulaciones del prototipo B arrojaron mejores resultados aún ya que a pesar de que el coeficiente de drag hubiese aumentado ligeramente se obtenía una mejora considerable en el coeficiente de lift: CD=0,133 CL= -0,423. Por estos motivos se ha optado por fabricar esta versión para el monoplaza de esta temporada. Conclusiones: Cabe destacar que se han conseguido alcanzar los objetivos propuestos en cuanto al rendimiento aerodinámico de la pieza, ya que los valores obtenidos a partir de las simulaciones son mucho mejores de los que se preveían alcanzar. Por otro lado, se ha conseguido una pieza que a pesar de haber sido fabricada en un material bastante caro como la fibra de carbono ha sido viable económicamente y se ha obtenido con una mayoría de métodos disponibles en la universidad. Para posibles desarrollos futuros la pieza concebida puede servir de base para nuevas modificaciones y aportaciones, propuestas por los miembros del área de innovación, que este año se han visto apartadas del diseño final por plazos y presupuesto. Por supuesto se ha comprobado que los conocimientos adquiridos en asignaturas de la carrera como mecánica de fluidos, ciencia de materiales, diseño mecánico y tecnologías de fabricación son de mucha importancia a la hora de crear una pieza desde el diseño hasta la fabricación.

Introduction In 2015 the ICAI Speed Club (ISC) was formed by a group of students from the Universidad Pontificia Comillas-ICAI passionate about engine mechanics. Its first participation was in the MotorStudent Petrol competition in the 2015-2016 season. Since then, this student association has become more attractive for students to get introduce in the motor racing world and has been joined by many of them until the point the club is participating in three different competitions this season: MotorStudent Petrol, MotorStudent Electric y FormulaStudent Electric. The team of the FormulaStudent Electric focuses on the design and manufacturing processes of an electric racing single-seater which front fairing design is what concern this end-of-degree project, included in the aerodynamics sub-department inside the mechanical department. Aerodynamics in motorsport is a relatively new concept that was not fully exploited until the second half of the 20th century. It has gone from designing first cars whose front fairing served simply as a barrier of protection to racing cars where the aerodynamic design of the fairing is a factor of absolute relevance to its performance. Today, the aerodynamic design of the fairing, not only in cars, but also in aircraft, trains and ships, is becoming increasingly important. Reducing the aerodynamic drag and the better use of fluid in the performance of these machines are the main objectives to reduce service and maintenance costs, but above all to consume less energy and reduce the ecological footprint. For this reason, the fairing that is discussed in this work aims to fulfill everything described above. It will be a piece that has the best possible aerodynamic performance, economically viable and aesthetically pleasant.

Methodology The way of working is divided into the two main stages of the project that are the design and manufacture of the piece. The following working methodology has been followed when designing: • Comparison of possible fairing designs: The different geometries of teams that have participated in FormulaStudent competitions in Europe (Eindhoven University of Technology, munichHMotorsport, Warwick University, Polytechnic of Barcelona...) were compared with the fairing design of last season for possible performance and aesthetic improvements. • Design of different fairing geometries: At this stage of work, different fairing shapes were simply designed in SolidWorks in the surface module that would serve as the basis for subsequent computational analyses. The piece was started to be designed from two alternatives: oriented to divert the incident air to the cockpit (bottom nose, PROTOTYPE A) or by sending it to the flat bottom (upward nose, PROTOTYPE B). • Computational analysis of designs: The different designs have been tested with ANSYS in the Fluent module to see which had better aerodynamic performance. Initially it was intended to make modifications to the prototype that best behaved aerodynamically, but because of chassis adjustments until the last minute and timeframes no improvements could be made.

As for the manufacture, the following order was followed: • Material Choice:

The materials were chosen in order to not increase the manufacturing cost of the piece and that it allows to comply with the norms. With a larger budget this year, the material chosen was carbon fiber. This material provides a comfortable margin to create a wide variety of geometries and has very advantageous mechanical properties that ensured we met the standard.

• Obtaining the piece: The piece has been obtained from a female mold in two wood halves using the infusion technique. Subsequently the two halves of the part have been joined together to obtain the final part.

Objectives: From a design point of view, it is expected to meet the following objectives: • Design a fairing that fulfills its aerodynamic function, i.e. get the best possible worth of 'lift' and 'drag': perform the values obtained last year until having a CD=0.163 and decrease ( more negative ) the 'lift' by at least 20%, resulting in CL=-0.137. • Choose a fairing design that generates the highest aerodynamic load to help improve the performance of the single seater.

In the field of manufacturing, the main objectives are as follows:

• Making a relatively simple and economically viable fairing • Comply with the norm • Build a base to add future aerodynamic elements such as front spoilers Results: The simulations of prototype B performed well with respect to the objectives set: CD=0,129 and CL=-0.402. However, the simulations of prototype A yielded even better results since even if the drag coefficient had increased slightly, a considerable improvement in the lift coefficient was obtained: CD=0.133 and CL=-0.423. For these reasons it has been chosen to manufacture this version for this season's single seater. Conclusions: It should be noted that the proposed objectives in terms of aerodynamic performance of the part have been achieved, since the values obtained from the simulations are much better than those that were expected to be achieved. On the other hand, despite being manufactured in a rather expensive material such as carbon fiber the manufacturing of the piece has been economically viable and has been obtained with most of methods and facilities available at the university. For possible future developments the designed part can serve as a basis for further modifications and contributions, proposed by the members of the innovation area, which this year have been set aside from the final design by deadlines and budget. Of course, it has been proven that the knowledge acquired in career subjects such as fluid mechanics, materials science, mechanical design and manufacturing technologies are of great importance when creating a piece from design to manufacturing.