Entwicklung und Optimierung eines Monocoques für ein Formula Student Rennfahrzeug

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Produktentwicklung, -entstehung und Validierung eines Monocoques für ein Formula Student Rennfahrzeug. Es wird die Vorgangsweise von der Konzeptentstehung bis hin zur Überprüfung der berechneten FEM-Daten erläutert. Am Beginn der Arbeit werden die Grundanforderungen definiert. Basierend auf den Zielvorgaben wird ein Konzept ausgearbeitet. Es werden dabei wesentliche Aspekte des Konzeptes genau erläutert. Einer dieser Aspekte ist die Entscheidung ein Monocoque zu gestalten. In der anschließenden Konstruktion wird das ausgearbeitete Konzept detailliert umgesetzt. Im folgenden größeren Teil der Arbeit wird auf die Berechnung des Monocoques und die Optimierung des Lagenaufbaus eingegangen. In diesem Abschnitt steht die Minimierung der Masse im Vordergrund. Die Optimierung erfolgt dabei in mehreren Schritten, sodass am Ende eine optimierte Sandwich-Struktur mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffdecklagen vorhanden ist. Nach der Auslegung des Monocoques wird mit der Fertigungsvorbereitung und der anschließenden Fertigung begonnen. Zuletzt werden die berechneten Daten am realen Objekt mit Hilfe der experimentellen Modalanalyse validiert. Das Resultat der Arbeit ist ein Fahrzeugrahmen in Leichtbauweise. Das Monocoque mit vorderem Überrollbügel hat eine Masse von 20,5kg. Die an den Fahrzeugrahmen gestellten Anforderung wurden erfüllt und zusätzlich konnten die ausschlaggebenden Berechnungsdaten experimentell nachgewiesen werden.

The thesis describes the product development process of a formula student racing car monocoque. The approach to realize the whole monocoque from the first sketches to the validation of FE-analysis will be elucidated. First the requirements are determined and a concept is defined. One decision during the concept phase is to develop a monocoque as primary structure. In the following chapter the detailed monocoque design is described. After the final design a FE analysis with a topography and size optimization is performed. While mass reduction is the objective, the optimization is restricted by the manufacturing process. The final design is a sandwich structure with carbon fiber reinforced polymer top layers. After finishing the analysis, the manufacturing process starts. Additionally the FE-data are experimentally validated by a modal analysis test on the physical object. The result was a light weight design chassis with integrated front hoop and a monocoque mass of 20.5 kg. All monocoque requirements were achieved and the torsional stiffness was experimentally validated.