Diseño chasis tubular de un vehículo para la formula student edición 2023

Abstract

El presente trabajo de fin de grado tiene como objetivo principal el diseño y el análisis estructural del chasis tubular de un vehículo para la participación en la Fórmula Student. Actualmente, la Universidad de Cantabria no cuenta con equipo de fórmula Student preparado para la competición, aun así, este proyecto puede servir para futuros alumnos en la realización del monoplaza con reglamentación actualizada. La Fórmula Student busca que sean los propios alumnos de ingeniería quienes conciban, diseñen, fabriquen y desarrollen el monoplaza, además de su futura participación en competiciones contra universidades de todo el mundo. El primer paso es la realización del diseño, esta parte es fundamental a la hora de fabricar un monoplaza ya que para poder homologar el vehículo y que pueda participar en la competición debe cumplir la normativa descrita por los organizadores, además de esto, también se debe trabajar en la búsqueda de las mejores soluciones de seguridad, comodidad, prestaciones, manejabilidad consiguiendo un equilibrio entre ellas. Para ello se realiza un estudio de la normativa y de los modelos de chasis tubulares de los equipos punteros. El primer diseño que se obtiene tras tener en cuenta la normativa es un boceto alámbrico mediante el software Autodesk Inventor que define la estructura principal del chasis tubular. Posteriormente, se decide el diámetro y el material a utilizar en los perfiles de los tubos que formarán el chasis. También se decide el motor a utilizar y su ubicación teniendo en cuenta su tamaño y la forma de trabajo, simplemente se toma esta decisión para la instalación de los soportes motor en sus lugares correspondientes y para el dimensionamiento adecuado de la parte trasera del chasis. Una vez obtenido el diseño final, se realizan los ensayos establecidos por normativa y algunos más como los análisis de flexión, torsión y el modal. Para ello se creará un modelo simplificado para su análisis estructural en el software Nastran-Patran en el cual se realizarán análisis estáticos y dinámicos para obtener tensiones y deformaciones en la estructura. Posteriormente, se analizan y estudian los resultados obtenidos comprobando si cumplen con la normativa, si pueden afectar a la seguridad del piloto, si se pueden realizar mejoras de diseño para finalmente conseguir el diseño más competitivo y seguro posible. Finalmente, se establece el proceso de fabricación con pasos y presupuestos detallados y los planos necesarios para su fabricación.

The main objective of this final degree project is the design and structural analysis of the tubular chassis of a vehicle for participation in the Formula Student. Currently, the University of Cantabria does not have a Formula Student team ready for competition. Nevertheless, this project can serve future students in the construction of the single-seater with updated regulations. The Formula Student seeks to have engineering students conceive, design, manufacture, and develop the single-seater, as well as participate in competitions against universities from around the world. The first step is the design, which is crucial in the manufacturing of a single-seater. In order to homologate the vehicle and allow its participation in the competition, it must comply with the regulations described by the organizers. Additionally, it is necessary to work on finding the best solutions in terms of safety, comfort, performance, and maneuverability, achieving a balance between them. This involves studying the regulations and the tubular chassis models of leading teams. The initial design, taking into account the regulations, is obtained as a wireframe sketch using Autodesk Inventor software, which defines the main structure of the tubular chassis. Subsequently, the diameter and material to be used for the tube profiles that will form the chassis are decided. The choice of the engine and its location are also determined, considering its size and working method. This decision is made to install the motor supports in their corresponding positions and to properly size the rear part of the chassis. Once the final design is obtained, the tests established by regulations are conducted, as well as additional analyses such as bending, torsion, and modal analysis. For this purpose, a simplified model will be created for structural analysis using Nastran-Patran software, performing static and dynamic analyses to obtain stresses and deformations in the structure. Subsequently, the obtained results are analyzed and studied to verify compliance with the regulations, assess their impact on the pilot's safety, and identify possible design improvements. The ultimate goal is to achieve the most competitive and safe design possible. Finally, the manufacturing process is established, including detailed steps, budgets, and the necessary blueprints for production.