Master's Thesis

Optimization of axle carier for formula student for SLM fabrication

Final Thesis 8.8 MB Appendix 1.12 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D.

Acad. year: 2016/2017

Supervisor: doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Bronislav Růžička, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with design of axle carrier for Formula Student. The axle carrier is topologically optimized and additively manufactured with Selective Laser Melting technology. Material for its production is aluminium alloy AlSi10Mg, which has worse mechanical properties than commonly used high-strength alloys. Therefore the aim was, by using topology optimization, to design a component, which would have comparable properties with milled component. The stress strain analysis was carried out by the finite element method and maximum deformation and safety coef-ficients were acquired. The prototype was made and its dimensions were controlled by optical digitization, which proved accuracy of manufacturing. The strength calcu-lations were verified by special testing device and photogrammetry measurement. The load during the tests was 20 % higher than in the analysis and no limit state was observed. This verified its safety and functionality.

Keywords:

Axle carrier, Upright, Selective Laser Melting, Topology optimization, AlSi10Mg, TU Brno Racing

Date of defence

15.06.2017

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Mechanical Engineering Design (M-KSI)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (člen)
Ing. Robert Navrátil (člen)
Ing. Martin Repka, Ph.D. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
Ing. Dětřich Robenek (člen)
Ing. Bronislav Růžička, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Diplomová práce se věnuje návrhu těhlice pro závodní vůz formule student Dragon 7.  Pro minimalizaci hmotnosti byla využita topologická optimalizace, která ve spojení s aditivní výrobní technologií umožnila vznik komplexního tvaru s optimálním rozložením materiálu. Navržený tvar byl ověřen pomocí MKP.  Vypočtené deformace při maximálním zatížení dílu byly experimentálně ověřeny na vyrobeném prototypu pomocí fotogrametrického systému, přičemž bylo dosaženo dobré shody. Vyrobený prototyp tak splňuje definované požadavky. Práce je na výborné úrovni. Diplomant prokázal znalosti pokročilých návrhových i experimentálních metod, včetně kritického zhodnocení dosažených výsledků. Všechny cíle práce byly splněny. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Využití aditivních technologií  je jedním z klíčových  trendů pro výrobu strojních součástí  zejména v prototypové fázi.  Protože Formule Student a motorsport obecně do této oblasti spadají, jedná se v případě zadaného tématu o ideální platformu k získání  dalších zkušeností  s reálnou aplikací.  Z tohoto pohledu lze tedy problematiku řešenou v diplomové práci považovat za velmi  přínosné téma. Ocenit  je pak nutno  zejména komplexnost celého řešení,  od vlastní optimalizace tvaru těhlice  až po vlastní test vyrobené součásti k ověření  deformací  se skutečným zatížením.

    Diplomant v úvodu vychází z poměrně dobře zpracované rešerše  použitých řešení , technologií a materiálu (topologická optimalizace/SLM/AlSi10Mg) které byly při návrhu a výrobě těhlice použity. Stejně tak je dobře a logicky navržená i celá metodika podle které dále postupuje. Slabým místem celé práce se však jeví problematika správného stanovení zatížení těhlice pro nejkritičtější jizdní režimy vozidla (5.1.3 Výpočet zatížení a reakcí). Kromě chyb v některých vzorcích je bohužel celkově tato pasáž dosti nepřehledná  (indexování, grafické vysvětlení apod.)  a relativně stručná , což  znesnadňuje kontrolu správnosti postupu. Při obhajobě by se tedy diplomant měl zaměřit právě na vyjasnění toho jak postupoval a z jakých předpokladů vycházel a prokázat, že veškeré výpočty (včetně MKP) jsou korektní z  hlediska vstupů . Samotný postup, resp.dílčí kroky  topologické optimalizace dílu je pak popsán poměrně systematicky a srozumitelně.  Celkem stručně se ale diplomant vyjadřuje k samotné problematice výroby dílu metodou SLM, nicméně toto není závažný problém. Zavěr práce se pak týká experimentálního ověření  deformací těhlice definovaným zatížením simulujícím skutečné podmínky s využitím fotogrammetrie. V této části je proveden rovněž návrh a vlastní kostrukce testovacího stojanu , včetně vytvoření testovací metodiky. Kladně lze tady hodnotit především kritické hodnocení nedostatků které se zde objevily  s ohledem na zjištěné výsledky a doporučení na zlepšení pro další experimentální práci v této oblasti.   

    Z hlediska formální úpravy  je práce kromě drobných překlepů a chyb v zásadě na dobré úrovni.  Co je však nutno označit za nedostatek je především již zmíněná nepřehlednost v pasážích popisujících vstupy a výstupy výpočtů nebo měření.  Shrnování těchto faktů do textů namísto  využití většího množství jasných obrázků a tabulek  úroveň práce velmi snižuje. Stejně tak jako  využívání stejných symbolů (např. „a“ pro zrychlení  i souřadnice bodu) je v některých případech poměrně matoucí a diplomant by měl ve své budoucí praxi věnovat větší pozornost  tomu, aby výsledky jeho práce byly co nejvíce srozumitelné a přehledné jakožto  technická zpráva.

Protože řešitel prokázal schopnost zpracovat danou problematiku na odpovídající úrovni, doporučuji tuto práci k obhajobě a nárok na udělení titulu Ing.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Může diplomant zrevidovat vzorce a výpočty v kapitole 5.1.3 "Výpočet zatížení a reakcí " a provést přehledné shrnutí nekritičtějších stavů z hlediska jízdní dynamiky vozidla s ohledem na zatížení těhlice ? V případě, že jsou některé stavy zanedbány měl by být tento fakt zdůvodněn.
  2. V kapitole 5.3.3 "Kritéria hodnocení" uvádí diplomant, že kritické frekvence pro modální analýzu se odvíjejí od otáček kol.Existují ještě jiné vlivy/buzení které by bylo dobré potencionálně vzít pro modální analýzu v úvahu ?
  3. Lze zanedbat změny v zatížení těhlice v důsledku změn v geometrii zavěšení kola např. při brzdění a zatáčení? A proč?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová