Bachelor's Thesis

Design of the Formula Student front upright using topology optimization and generative design

Final Thesis 8.8 MB Appendix 14.26 MB

Author of thesis: Bc. Michal Pavlík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jozef Dlugoš, Ph.D.

Reviewer: Ing. Václav Otipka, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design of a front upright for a Formula Student single-seater using modern methods of topology optimization and generative design. The research section focuses on current possibilities for lightweighting components while maintaining their stiffness and ensuring their subsequent manufacturability. The main objective is the actual structural design carried out using both optimization methods. The entire process encompasses the definition of the initial design space, the execution of optimization calculations, post-processing, and the final validation of the proposed geometries through static structural analysis using the finite element method. A key output of the thesis is a detailed comparison of the two approaches, the results of which will serve as a methodological foundation for the further development and optimization of components within the TU Brno Racing student team.

Keywords:

topology optimization, generative design, MKP analysis, uprights, Formula Student, CAD

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval zkušební komisi svou závěrečnou práci a zodpověděl otázky oponenta. Otázky oponenta: 1) Popište okrajové podmínky výpočtového modelu a zdůvodněte směry působících sil pro zátěžný stav „akcelerace při zatáčení“. Pro vysvětlení použijte obrázek 27 a tabulku 3. Dle popsaných okrajových podmínek je těhlice zavazbena v místě rozhraní s rameny a kupříkladu podélná síla aplikovaná do středu těhlice působí proti předpokládanému směru pohybu vozidla. Hodnocení: Zodpovězeno. 2) Jaký materiálový model jste použil ve výpočtovém modelu? Jaké materiálové modely jsou vhodné pro součásti vyráběné pomocí technologie 3D tisku metodou SLM? Hodnocení: Zodpovězeno. 3) Jak si vysvětlujete velký rozptyl dosažených koeficientů bezpečnosti u návrhů součásti pomocí generativního designu? Hodnocení: Zodpovězeno. Následně odpovídal na otázky členů zkušební komise: 1) Jak jste určoval síly pro reakce od zatáčení, brždění a zrychlování. Hodnocení: Zodpovězeno. 2) Jaké typy sil musíme uvažovat při návrzích komponent? Hodnocení: Částečně zodpovězeno. 3) Jak je ve vozidle realizován torque vectoring? Hodnocení: Zodpovězeno. 4) Jak se změnily síly na komponentech na nové verzi formule v porovnání s minulou verzí? Hodnocení: Zodpovězeno. 5) Jaká je síla od vozovky na těhlici? Hodnocení: Zodpovězeno. 6) Jak jste rozhodoval, který ze silových účinků je zásadní pro návrh těhlice? Hodnocení: Částečně zodpovězeno. 7) Jak se upravovala kinematika nového vozidla? Hodnocení: Zodpovězeno. 8) Kolik váží neodpružená hmota kola? Hodnocení: Zodpovězeno. 9) Je funkce generativního designu deterministická? Hodnocení: Zodpovězeno. 10) Proč probíhala topologická optimalizace a generativní design v jiných softwarech? Hodnocení: Zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Porteš, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Kaplan, CSc. (místopředseda)
Ing. Jan Fojtášek, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Hejtmánek, Ph.D. (člen)
Ing. Lubor Zháňal, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jozef Dlugoš, Ph.D.

Zadanie záverečnej práce p. Pavlíka vzniklo z jeho iniciatívy v dôsledku jeho pôsobenia v týme TU Brno Racing. Väčšinu času pracoval študent samostatne, iniciatívne a konzultoval prevažne míľniky záverečnej práce.

Hlavné ciele práce, navrhnúť prednú tehlicu pomocou topologickej optimalizácie a pomocou generatívneho dizajnu a porovnať tieto metódy, boli nad rámec zadania splnené. Tak napríklad p. Pavlík vytvoril parametrický CAD model návrhového priestoru tehlice. To je veľmi efektívne vo vývojovej fáze, keď nie je geometria zavesenia zmrazená. Študent absoloval školenia, ktoré veľmi efektívne zúročil pri riešení práce. Z odovzdanej práce je vidieť, že nebolá robená len pre splnenie zadania, ale pre získanie nových znalostí a obohatenie študentského týmu.

V rešeršnej časti práce sa študent snaží popísať aj matematiku použitej optimalizácie. Vysvetľuje určité parametre optimalizácie, ktoré potom používa aj v praktickej časti. Grafická úroveň práce je na nadpriemernej úrovni. Dojem znižuje nepoužitie vektorovej grafiky tam, kde autor práce mal k dispozícii živé obrázky. Celkové hodnotenie A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Václav Otipka, Ph.D.

Pan Michal Pavlík se ve své bakalářské práci zabývá optimalizací přední těhlice pro vozidlo Formula Student. Hlavní motivací pro jeho práci byla snaha o snížení hmotnosti navržené těhlice, ke které se student rozhodl využít moderní přístupy s využitím metod topologické optimalizace a generativního designu.

Předložená práce studenta je pozoruhodně rozsáhlá, student zpracoval teoretický přehled ohledně strukturálních optimalizací doplněný o příklady jejich využití v praxi, dále pak také souhrn výrobních technologií využitelných především při stavbách monopostů Formula Student. Tyto informace vytváří základní předpoklady pro možnosti návrhu nových dílů v dané oblasti.

Práce plynule přechází do tvůrčí části, kde student nejprve představuje předešlé konstrukční řešení těhlice, která má kromě jiného přímo integrován elektromotor s redukční planetovou převodovkou. Hlavní konstrukční prvky související s integrací pohonu jsou převzaty a tvoří základ nového návrhu těhlice.

Stěžejní část práce, která se zabývá samotnou topologickou optimalizací a generativním designem, je velmi dobře zpracovaná. Student postupoval logicky, systematicky, musel mimo jiné využít řadu softwarových nástrojů a provést mnoho časově náročných simulací, aby dosáhl potřebných výsledků, což velmi oceňuji.

Jako slabší část práce hodnotím například popis okrajových podmínek a zátěžných stavů, vůči kterým bude nový díl dimenzován. Tyto jsou pravděpodobně částečně přejímány. Simulace obecně vždy zahrnují určitá zjednodušení či předpoklady. Student při pevnostních výpočtech zahrnuje síly vyvolané dynamikou jízdy a dále například také tlak v plášti elektromotoru od chladicího média, což lze považovat za dosti detailní přístup. Není zde však zmíněno, zda a jakým stylem bylo zahrnuto zachycení reakčních sil statoru elektromotoru. Taktéž by bylo vhodné rozvést, jakým způsobem byly stanoveny aplikované silové účinky od podélné a příčné dynamiky vozidla, a to jak do hodnoty, tak i směru působení. Vzhledem k poměrně nízkému návrhovému koeficientu bezpečnosti pro danou součást považuji bezchybné stanovení zátěžných stavů za klíčové. K tomuto tématu se váže také oponentská otázka.

V práci se ojediněle objevují nedostatky z pohledu formátování textu, stylistiky a pravopisu. Nicméně toto nemá zásadní dopad na celkově dobrý dojem z předložené práce. Použité informační zdroje jsou zvoleny vhodně, autor využívá kromě jiného také odbornou zahraniční literaturu. Autor využil nástrojů AI pro jazykovou korekturu a práci s grafikou, z tohoto pohledu nelze práci nic vytknout.

Veškeré cíle práce byly splněny, práce obsahuje cenné výsledky a postřehy, které jsou bezpochyby přínosem pro obdobně řešené problémy. Autor se během návrhu potýkal s několika problémy, které však vhodně vyřešil. Práci doporučuji v obhajobě s celkovým hodnocením „B“.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Popište okrajové podmínky výpočtového modelu a zdůvodněte směry působících sil pro zátěžný stav „akcelerace při zatáčení“. Pro vysvětlení použijte obrázek 27 a tabulku 3. Dle popsaných okrajových podmínek je těhlice zavazbena v místě rozhraní s rameny a kupříkladu podélná síla aplikovaná do středu těhlice působí proti předpokládanému směru pohybu vozidla.
  2. Jaký materiálový model jste použil ve výpočtovém modelu? Jaké materiálové modely jsou vhodné pro součásti vyráběné pomocí technologie 3D tisku metodou SLM?
  3. Jak si vysvětlujete velký rozptyl dosažených koeficientů bezpečnosti u návrhů součásti pomocí generativního designu?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová