Otimização das características de um chassis tubular de automóvel de competição com tração a duas rodas motrizes

Abstract

A avaliação do desempenho estrutural consiste em determinar as propriedades estáticas e dinâmicas de um chassis que são obtidas em análises padrão independentes realizadas pelo método elementos finitos (MEF). Este estudo contribuiu para a construção duma nova versão dum chassis tubular espacial com maior eficiência estrutural, onde se pretende obter um baixo valor de massa e de risco de colapso e elevados valores de rigidez estrutural e de frequências naturais. Com esta investigação avaliou-se, desenvolveu-se, otimizou-se e dimensionou-se estruturalmente um chassis espacial tubular de automóvel de competição Cross-Country Rally, com tração às duas rodas motrizes traseiras, em função das suas propriedades estáticas e dinâmicas. Numa primeira instância foi registada a capacidade fabril da empresa DEpieres Desportos Motorizados™, assim como, a avaliação do desempenho estrutural do seu primeiro chassis de um veículo de duas rodas motrizes. O desenvolvimento do novo chassis partiu dos ensaios experimentais destrutivos de tração e análise química, realizados no material base a usar; da determinação do processo e parâmetros de soldadura mais indicados para unir os elementos estruturais, através de ensaios experimentais destrutivos (análises de dureza e ensaios de fadiga), e estimativas (da energia induzida por cada processo de soldadura e das taxas de arrefecimento geradas); e das restrições impostas, quer pelos regulamentos da competição em que este se insere, quer pela empresa. Foram concebidas várias soluções locais para uma base estrutural do chassis, definida pela empresa, onde o desempenho individual de cada solução foi avaliado e comparado. Desta forma, foi possível definir a melhor geometria estrutural do chassis desenvolvido. Seguidamente procedeu-se à sua otimização através do programa Finite Element Model Updating, em cerca de 1146 variáveis referentes à geometria do chassis, pelo método estocástico. Por sua vez, o dimensionamento estrutural do chassis passa pela avaliação de risco de falha por colapso à encurvadura e por um processo analítico, desenvolvido no âmbito deste estudo, responsável por determinar a garganta e/ou reforços estruturais associados aos cordões de soldadura. Com base nestes resultados perspetivam-se novos estudos relacionados com o fabrico, o material e a soldadura.

The structural performance evaluation is based on the chassis frame’s static and dynamic properties obtained from independent patterned analyses performed by the finite element method (FEM). This study contributes to the development of a new tubular space frame with improved structural efficiency. This new frame is designed in order to have a low mass value, a low risk of collapse, high structural rigidity and high values of natural frequencies. The content of this research involves the rating, the development, the optimization and the design of a tubular space frame of a twowheel drive Cross-Country Rally car, accordingly to its static and dynamic properties. In the beginning, the Depieres Motorsport™ manufacturing capability was recorded and the structural performance of their first chassis from a two-wheel drive vehicle was rated. The new chassis frame development begun with standard tensile tests and chemical analysis, performed on the base material; the determination of welding and welding parameters, through destructive tests (hardness and fatigue tests) estimates (heat input and welds cool rates calculations of different welding processes ); and the restrictions imposed by the FIA regulations and the company. Several local solutions were designed for a basic chassis defined by the company. The individual performance of each solution was evaluated and then compared, making it possible to develop a chassis with the best structural geometry. Then, the Finite Element Model Updating algorithm was used to perform a structural stochastic optimization, involving 1146 variables. The chassis structural design process goes through buckling analyses and an analytical process developed in this study. This analytical process designs weld beads and/or structural reinforcements related to the weld beads. The results of this document encourages new studies for the chassis frame fabrication and for its materials and welding processes.