Optimal structural design of a composite monocoque for a new high-efficiency vehicle

This thesis focuses on the conceptual design, numerical modeling, and structural optimization of a composite material monocoque. The monocoque was part of a larger project aimed at the realization of a new vehicle that would participate in the Shell Eco-Marathon international competition, which allows vehicles with high energy efficiency to compete. To better understand the monocoque model, the closed-box model was studied, which led to the examination of a possible shape of the floor based on the suspension attachment position and the analytical determination of the values of bending and torsional stiffness. Once the final shape of the monocoque was defined through numerous CFD analyses to maximize aerodynamic efficiency, structural optimization was carried out. For the monocoque, we opted for a sandwich structure that has external plies in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and a honeycomb core made of sheets of aramid paper. The structural optimization was performed through three phases, which allowed the definition of the orientation, shape, and thickness of each ply. The objective function used for the optimization involves the minimization of the compliance calculated as a weighted sum of the compliance values evaluated for each load case to which the vehicle is subjected. The constraints of the objective function were the mass limit and the structural stiffness. Finally, the manufacturing part was also discussed, which involves the use of innovative technology in the production of molds, resulting in an 80% reduction in the volume of material needed for the molds, and allowing for their recycling.

La presente tesi ha come obiettivo l’ideazione, la modellazione e l’ottimizzazione strutturale di una monoscocca in materiali compositi. La monoscocca è stata progettata all’interno di un progetto più ampio atto alla realizzazione di un nuovo veicolo che parteciperà alla competizione iternazionale Shell Eco-Marathon, che consente ai veicoli ad alta efficienza energetica di competere. Per comprendere meglio il modello della monoscocca è stato studiato il modello a scatola chiusa, che ha portato all’esaminazione di una possibile forma del pianale in base alla posizione di attacco delle sospensioni, ottenendo analiticamente i valori di rigidezza flessionale e torsionale. Una volta definita la forma finale della monoscocca attraverso numerose analisi CFD, per poter massimizzare l’efficienza aerodinamica, è stata svolta l’ottimizzazione strutturale. Per la monoscocca, abbiamo deciso di utilizzare una struttura a sandwich che presenta delle pelli esterne in fibra di carbonio a matrice polimerica (CFRP) con un nucleo a nido d’ape formato da fogli di carta aramidica. L’ottimizzazione strutturale è stata eseguita attraverso tre fasi, che hanno permesso la definizione dell’orientamento, della forma e dello spessore di ogni singola pelle. La funzione obiettivo utilizzata per l’ottimizzazione prevede la minimizzazione della cedevolezza calcolata come una somma pesata del valore di cedevolezza valutato per ogni caso di carico a cui il veicolo è sottoposto. I vincoli che la funzione obiettivo deve rispettare sono stati il limite di massa e la rigidezza strutturale. Infine è stata trattata anche la parte di realizzazione che prevede l’utilizzo di una tecnologia innovativa nella produzione degli stampi che porta ad una riduzione dell’80% del volume di materiale necessario per gli stampi, consentendone anche il riciclo.