Bachelor's Thesis

Computational modelling of a composite wheel of the Formula Student

Final Thesis 5.9 MB

Author of thesis: Václav Navrátil

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Miroslav Hrstka, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Tomáš Profant, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on the design of a composite wheel rim for Formula Student. A review of the composite wheel rims used in the competition was conducted. The main motivation for the design is to reduce unsprung mass and adapt to a new concept for mounting engines and gearboxes within the hubs. The central task is the creation of a computational model for assessing stress-strain states. The project was developed in the Ansys Workbench environment using the Ansys Composite PrePost module to define the layering of carbon fabrics. Boundary conditions and loading are determined based on the vehicle’s kinematic design. The results of the strength analysis were examined using specific composite criteria—Max Stress/Strain and Tsai-Hill—to evaluate safety. Finally, the manufacturing technology using prepreg fabrics and the inspection of the internal structure using micro-X-ray tomography were presented.

Keywords:

Formula Student, Composite Materials, Computational Model, Rim

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svou bakalářskou práci, po skončení prezentace byly předneseny posudky vedoucího práce a oponenta, včetně jejich hodnocení a připomínek. Následně student odpověděl na otázky položené oponentem v posudku. K práci položili členové komise následující otázky: Jak byla aplikována síla na kolo? Co to znamená podmínka max strain a max stress? Jakým způsobem proběhlo vyhodnocení posuvů? Jaké kritérium poškození jste použil a odkud máte limitní hodnoty? Odkud byly převzaty hodnoty zatížení ve výpočtovém modelu? Jak byste ověřil, že "chyba elementu" opravdu neovlivňuje výsledky. CT analýzu jste prováděl Vy? Obhajoba práce byla hodnocena jako výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

Ing. Lubomír Junek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Oldřich Ševeček, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Vosynek, Ph.D. (člen)
Ing. Dávid Halabuk, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Marcián, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jana Horníková, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Miroslav Hrstka, Ph.D.

Pan Navrátil se ve své práci zabýval praktickým problémem návrhu, výroby a výpočtového modelování ráfku kola pro Formuli Student týmu TU Brno. Autor přišel z vlastní iniciativy s tématem, které bylo již v procesu realizace a s daným termínem dokončení na jaře 2026. Inovací byla volba kompozitního uhlíkového laminátu s definovanými směry vláken. K výpočtu použil ANSYS s modulem ACP pro definování vrstvených laminátových dílů. Určil kritická místa v závislosti na předepsaných režimech zatížení, tj. akcelerace, zatáčení apod. V další sekci práce popisuje výrobu ráfku pomocí prepregových tkanin s vytvrzením v autoklávu. Na rámec práce byla provedena kontrola pomocí CT zobrazovací metody. Pan Navrátil pracoval samostatně, odvedl velké množství práce s jasným cílem a motivací pro úspěšný projekt Formule Student TU Brno, měl také možnost konzultovat výpočtový model s firmou SVSFEM s.r.o. Cíle práce se podařilo splnit a práci hodnotím známkou 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 A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Tomáš Profant, Ph.D.

Bakalářská práce je velice zajímavá, s prakticky zaměřenými cíli, které byly splněny. Práce má velmi zdařile zpracovanou rešeršní část a popis metod výroby kola formule Student. U samotného vyhodnocení dosažených výsledků chybí parametrická studie navzdory parametrizaci konečnoprvkového modelu. Zbytek práce je velmi stručný popis řešení problému s výčtem modulů použitých ve výpočtových softwarech a pro nezasvěceného čtenáře do tak komplikovaného konečnoprvkového výpočtu v podstatě nepochopitelný text. V práci se vyskytují typické nedostatky typu překlepů, velkého počtu podkapitol, použití nespisovných slov apod. Tyto nedostatky lze však považovat za klady, protože dokazují, že text je autentický a bez použití umělé inteligence. Na druhou stranu, autor velmi špatně pracuje s obrázky. Přes jejich vysoký počet, se na žádný z nich v textu neodkazuje a jen minimálně je popisuje. V některých obrázcích jsou navíc anglické výrazy. Dále autor špatně pracuje s rovnicemi, které jsou, podobně jako obrázky, s minimálním nebo dokonce žádným popisem veličin a vysvětlením. Z výše zmíněných důvodů je práce hodnocena výslednou známkou C.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout D
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Jaká je bezpečnost práce při výrobě kompozitů?
  2. Jaká to jsou napětí \sigma_1, \sigma_2 a přetvoření \epsilon_1 a \epsilon_2 ve vztazích (6.1)-(6.4)?
  3. Co to je měrná pevnost?
  4. Co to přesně znamená spojitá či nespojitá výztuž a matrice kompozitu?
  5. Co to je UD vrstva?
  6. Co to je nulový směr vláken?
  7. Co to znamená minimální kvalita prvku 0.26, nebo 0.99-0.6?
  8. Co to přesně znamená iterační vrstvení s ruční optimalizací a kvaziizotropní vrstvení?
  9. Co to znamená nelineární kontakt a kde přesně byly ve výpočtu použity?
  10. Jaké jsou mechanické vlastnosti použitých materiálů?
  11. Jaké jsou pevnosti X, Y a S u daného materiálu?
  12. Vysvětlete Tsai-Hell kritérium?
  13. Co to je bod singularity?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová