Sports car space frame design

Damian Andrzejczyk

Abstract

The main goal of this master thesis was to design and execute the strength analysis of a sports car space frame. Using CATIA software I carried out the space frame design inspired by Cooper T51 frame using drawings and photos of the spors car. While driving the sports car, dynamic forces are transferred into chassis as it was important to have sufficient strength as well as stiffiness of frame. Of equal vital importance was its torisional stiffness which for example for Formula Studnet car frames ahould be arround 1500-2000 Nm/degree. I carried out the Finite Element Method analysis of the frame using Abaqus software. In the FEM analysis, I set constrains in front of the frame and I put torque on his rear. The torque acts on the sports car wheb three of the four wheels are on the ground, on the same plane and the last one is higher and sometimes may lose contact with the ground - these situations happen when the wheel hits an obstacle. I took a car with mass 800 kg as background for my calculations. Using the appropriate formula to calculate the maximal torque while the car is in motion and knowing the mass of the car and its dynamic coefficient I was able to calculate its torque. I also carried out meshing for the analyses using HyperMesh. During the analysis I checked the stress results I as getting to ensure the goal of having maximum stress not more than 500 MPa was reached. In subsequent steps, I also checked the torsional stiffness. Starting from the base model I initated many modifications, especially by creating six versions of the frame. The modifications included changes in diameter and thickness of the tubes as well as replacing the tubes in the frames with new ones. Finally in the six case analysis, the maximum stresses are around 400 MPa and torsional stiffness around 2400 Nm/degree, so which means the set goals have been achived.
Diploma typeMaster of Science
Author Damian Andrzejczyk WSiMR
Damian Andrzejczyk,,
- Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering
Title in PolishProjekt ramy kratownicowej samochodu sportowego
Supervisor Jerzy Osiński IPBM
Jerzy Osiński,,
- Institute of Machine Design Fundamentals
Conductor Jerzy Osiński IPBM
Jerzy Osiński,,
- Institute of Machine Design Fundamentals
Certifying unitFaculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Affiliation unitInstitute of Machine Design Fundamentals (IMDF)
Study subject / specializationMechanika i Budowa Maszyn
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date25-01-2013
Issue date (year)2013
Pages105
Reviewers Piotr Skawiński IPBM
Piotr Skawiński,,
- Institute of Machine Design Fundamentals
Keywords in Polishrama kratownicowa, analiza MES, obciążenia dynamiczne samochodu
Abstract in PolishGłównym celem niniejszej pracy magisterskiej było zaprojektowanie i wykonanie analizy wytrzymałościowej ramy kratownicowej samochodu sportowego. Wzorując się na ramie samochodu Cooper T51 i bazując na jego ilustracjach przygotowałem model ramy kratownicowej w systemie CATIA. W czasie poruszania się samochodu na jego podwozie oddziałują siły dynamiczne, więc ważne jest, aby mieć odpowiednią wytrzymałość, ale również sztywność ramy. Bardzo ważna jest sztywność skrętna, która na przykład dla ram samochodów Formula Student powinna wynosić około 1500-2000 Nm/stopień. W miarę rozwoju tej pracy przeprowadziłem wiele analiz Metodą Elementów Skończonych w systemie Abaqus. Rama w tych analizach była zamocowana w jej przedniej części natomiast moment skręcający był przyłożony w jej tylnej części. Moment skręcający oddziałuje na samochód gdy trzy jego koła są położone na tej samej płaszczyźnie a czwarte koło jest położone wyżej od pozostałych - taka sytuacja ma miejsce gdy jedno z kół trafia na przeszkodę. Do obliczeń przyjąłem masę samochodu równą 800kg. Przy pomocy wzoru do wyliczania maksymalnego momentu skręcającego samochód podczas jazdy uwzględniającego w szczególności masę samochodu i współczynnik dynamiczny obliczyłem wartość tego momentu. Siatkę mesh dla tych analiz przygotowałem w programie HyperMesh. Analizując wyniki w pierwszej kolejności sprawdzałem naprężenia, ponieważ celem było mieć maksymalne naprężenia nie wyższe niż 500 MPa. W następnym kroku sprawdzałem sztywność skręcania. Począwszy od modelu bazowego zrobiłem wiele modyfikacji, zwłaszcza stworzyłem sześć wersji ramy. Modyfikacje polegały głównie na zmianach średnic i grubości rurek oraz wstawianiu nowych w ramę. Ostatecznie w szóstym analizowanym przypadku maksymalne naprężenia wynoszą około 400 MPa a sztywność skręcania wynosi około 2400 Nm/stopień, tak więc cele zostały spełnione.


Back