Design and Manufacture of a carbon fibre monocoque chassis for Formula Student

Abstract

El principal objetivo del proyecto es implementar el primer chasis monocasco en el ISC Formula Student Racing Team.El diseño final del chasis tiene una rigidez torsional de 3316 Nm/º (mayor que el anterior chasis) y un peso 49,5 kg. El proceso de fabricación que se ha llevado a cabo (cut and fold), garantiza la fabricación del monocasco con los medios actuales del equipo. El chasis estará constituido por materiales compuesto, conformado por una estructura tipo sandwich. Esta, está compuesta por dos pieles (fibra de carbono) y una matriz (honeycomb de aluminio) y proporcionan altos valores de rigidez y si el diseño es óptimo, un bajo peso. El diseño esta basado en la normativa, el ensamblaje y las limitaciones del proceso de fabricación. Una vez que se ha diseño el chasis, se procede a ensayar el material compuesto en un ensayo a flexión y otro a cortante, para comprobar si cumple con los valores de rigidez exigidos. Tras cumplir los requisitos de rigidez del material, se caracterizo el ensayo a flexión en Ansys, para demostrar que todas las simulaciones en Ansys concuerdan con la realidad. Para mejorar las prestaciones del chasis, comparado con el chasis anterior, se decidió llevar a cabo una optimización del diseño, consiguiendo un 10% más de rigidez torsional pero un incremento del 5% de peso, indicando que el diseño puede ser mas óptimo. Por último, se detalla el proceso de fabricación cut and fold y el coste del chasis (3000€), afirmando que el chasis monocasco de fibra de carbono se podría llevar a cabo con los actuales medios del equipo.

The main objective of this project is to implement the first monocoque chassis for ISC Formula Student Racing Team. The final chassis design has a torsional stiffness of 3316 Nm/º (higher than the previous chassis) and a weight of 49,5 kg. The manufacture process that has been followed (cut and fold), ensures that the team can fabricate a monocoque chassis with its current facilities. Chassis will be constituted of composite materials.Composites provides high stiffness structures and with the proper design optimization, it is also possible to reduce mass.In this case, a sandwich panel will be used. Sandwich panels are composed of two skins, generally in fibre form and a core which in this case an aluminium honeycomb has been chosen. The design is based on Formula Student Rules, package and the manufacture process limitation. Once the final design is done a 3-point bending test and a shear test will be carried out to check if the composite fulfils the stiffness requirements.Later, these tests will be characterized in Ansys to prove that every simulation concurs with reality. Afterwards, various design iteration will be considered in order to reach an optimal design compared to the previous chassis. The final design optimization provides a rise of 10% in torsional stiffness but an increment of 5% in weight, showing that the design could be more optimized. Lasly, Lastly, the manufacture process will be explained in detail and the final cost of the chassis (3000€), providing the possibility to manufacture a carbon fibre monocoque chassis with the facilities that the team currently has.