Composite Monocoque FS Chassis: Design of co-cured or bonded-in metallic inserts and optimisation of composite lay-up

Abstract

El proyecto se centra en diseñar y desarrollar insertos metálicos para el primer monocasco de fibra de carbono del equipo ISC Formula Student, que compite en una competición universitaria a nivel mundial evaluando tanto el rendimiento de los vehículos como la ingeniería detrás de su diseño. El uso de materiales compuestos en la industria automotriz ofrece ventajas como la reducción de peso y alta resistencia, aunque son vulnerables a esfuerzos puntuales, lo que se debe controlar a través de los insertos metálicos. Los insertos metálicos pueden ser: 1. Embebidos en Caliente: Alta resistencia, pero menor flexibilidad en su localización y fabricación. 2. Embebidos en Frío: Buena resistencia y flexibilidad en la fabricación. 3. Superficiales: Fáciles de colocar, pero con baja resistencia. 4. Remachados: Son económicos, pero pueden dañar el panel y ofrecen baja resistencia. El proyecto opta por los insertos embebidos en frío debido a sus propiedades mecánicas favorables, menor costo y mayor flexibilidad en la fabricación. Se sigue la normativa de Formula Student Germany y directrices de la ECSS (European Cooperation for Space Standardization) para el diseño, verificándose con el SES (Structural Equivalency Spreadsheet). El diseño se realiza con SolidWorks y la resistencia se estudia a través del análisis de elementos finitos con ANSYS. Los resultados han sido los siguientes: 1. PA_IT_001: Diseño sencillo y económico con tensión máxima de 30,593 MPa. 2. PA_IT_002: Diseño cónico con mejor distribución de tensiones, tensión máxima de 30,589 MPa. 3. PA_IT_003: Diseño complejo con mayor superficie de pegado, tensión máxima de 27,47 MPa. Todos los diseños cumplen con los requisitos, pero se recomienda usar el PA_IT_001 para uniones de baja responsabilidad y el PA_IT_003 para uniones críticas. El proyecto requiere una inversión mínima de 5185,26€. Se sugiere optimizar el modelo y reducir el coste del adhesivo.

The project focuses on designing and developing metallic inserts for the first carbon fiber monocoque of the ISC Formula Student team, which competes in a worldwide university competition evaluating both the performance of the vehicles and the engineering behind their design. The use of composite materials in the automotive industry offers advantages such as weight reduction and high strength, although they are vulnerable to point stresses, which must be controlled through metallic inserts. Metallic inserts can be: 1. Hot bonded inserts: High strength, but less flexibility in location and fabrication. 2. Cold bonded inserts: Good strength and flexibility in manufacturing. 3. Surface-bonded inserts: Easy to place, but with low stiffness. 4. Threaded inserts: Economical but can damage the panel and offer low stiffness. The project study cold bonded inserts because of their mechanical properties, lower cost and greater flexibility in manufacturing. Formula Student Germany standards and ECSS (European Cooperation for Space Standardization) guidelines are followed for the design, verified with the SES (Structural Equivalency Spreadsheet). The design is carried out with SolidWorks and the their behavior is studied through finite element analysis with ANSYS. The results were as follows: 1. PA_IT_001: Simple and economic design with maximum stress of 30.593 MPa. 2. PA_IT_002: Conical design with better stress distribution, maximum stress of 30.589 MPa. 3. PA_IT_003: Complex design with larger bonding surface, maximum stress 27.47 MPa. All designs meet the requirements, but it is recommended to use PA_IT_001 for low responsibility joints and PA_IT_003 for critical joints. The project requires a minimum investment of 5185.26€. It is suggested to optimize the model and reduce the cost of the adhesive.