Optimal structural design of a composite monocoque for a highly efficient vehicle

The present Master Thesis is devoted to optimal structural design of a composite monocoque. The monocoque is designed for a highly efficient vehicle, specially conceived to participate to the Shell Eco-marathon competition. Given the external shape, defined in order to maximize the aerodynamic efficiency, the vehicle load bearing structure is realized exploiting a sandwich structure made from carbon fiber reinforced polymer (CFRP) skins and aramid honeycomb core. The optimal stacking sequence, i.e. shape, number and orientation of each ply, is determined. In particular, the three phase optimization procedure implemented on Hyperworks software is adopted. A Finite Element model of the vehicle body is built in order to evaluate responses for objective function and constraints. The sum of the weighted compliance evaluated for several load cases is the objective to minimize, optimization constraints are related to the limit mass, structural strength and manufacturing aspects. Final simulations are performed in order to asses structural integrity, structural stiffness (i.e. bending and torsional stiffness) and the dynamic response.

La presente tesi di laurea è dedicata alla progettazione strutturale ottimale di una monoscocca in materiale composito. Il monoscocca è progettato per un veicolo altamente efficiente, appositamente concepito per partecipare alla competizione Shell Eco-marathon. Dato il profilo esterno, definito al fine di massimizzare l'efficienza aerodinamica, la struttura portante del veicolo è realizzata sfruttando una struttura sandwich composta da pelli di fibra di carbonio a matrice polimerica (CFRP) e un nucleo a nido d'ape in aramide. Al fine di ottenere la sequenza di impilamento ottimale, ovvero la forma, il numero, lo spessore e l'orientamento di ciascuna pelle, si utilizza il metodo dell'ottimizazzione in tre fasi, implementato sul Software Altair. Un modello ad elementi finiti della scocca è stato creato per valutare le risposte della funzione obbiettivo soggetta a vincoli. Si formula un problema di ottimizzazione con una singola funzione obiettivo, ovvero la somma delle cedevolezze pesate, valutate per diversi casi di carico. La funzione obiettivo è da minimizzare ed è soggetta a vincoli di ottimizzazione, quali la massa limite, la resistenza strutturale e gli aspetti di produzione. Vengono infine eseguite simulazioni per valutare l'integrità strutturale, la rigidità strutturale (ovvero la rigidità alla flessione e alla torsione) e la risposta dinamica.