Poszycie – od pomysłu do wykonania

Zarówno dla obecnych członków Studenckiego Koła Aerodynamiki Pojazdów, jak i wszystkich, którzy śledzą nasze poczynania, nastał wyjątkowy czas. Nieczęsto przecież można uczestniczyć w konstruowaniu od zera nowego pojazdu. Wierzymy, że warto dzielić się tym doświadczeniem, dlatego rozpoczynamy serię artykułów poświęconych poszczególnym elementom konstrukcji Kropelki 2015. Pierwszy z nich dotyczy poszycia. W końcu to najbardziej zewnętrzna część pojazdu, a to właśnie futurystycznie wyglądające bryły nadwozia są najbardziej charakterystyczną cechą pojazdów budowanych przez SKAP.  

Zachęcamy również do obejrzenia filmiku przedstawiającego proces powstawania pierwszej połówki poszycia nowego pojazdu!

 

Efektowny wygląd poszycia ma duże znaczenie – jest on wizytówką pojazdu i z pewnością jest ważny dla promocji Koła. Nadwozie bolidu przeznaczonego do jazdy z minimalnym zużyciem paliwa spełniać musi jednak znacznie więcej wymogów niż tylko te związane z wyglądem. Aby odnosić sukcesy w zawodach Shell Eco-marathon, konstrukcja musi cechować się niewielką masą i minimalnym oporem aerodynamicznym. Nowa Kropelka to pojazd o nadwoziu samonośnym, co w połączeniu z zastosowaniem nowoczesnych, bardzo wytrzymałych materiałów, zapewnia niezwykle mały ciężar. Dodatkowo już na etapie projektowania bezwzględnie trzeba wziąc pod uwagę potrzebę łatwej i wygodnej instalacji podzespołów we wnętrzu pojazdu oraz zadbać o bezpieczeństwo i dobrą widoczność dla kierowcy. Nazwa naszego Koła nie wzięła się jednak znikąd i nie trudno się domyślić, że to właśnie optymalizacja geometrii pod kątem minimalnych oporów aerodynamicznych była pierwszym punktem nowego projektu i to ona  w największym stopniu wpłynęła na obecny kształt Kropelki.

 

Początkowym etapem projektowania było stworzenie modelu parametrycznego poprzez obudowanie owiewką kierowcy, silnika i kół. Dwóch członków koła wykonywało te prace równolegle i niezależnie, korzystając ze specjalnego programu optymalizującego. Tym samym wstępnie przebadanych pod kątem minimalnych oporów aerodynamicznych zostało blisko 150 modeli! Nieznacznie różniły się one od siebie parametrami geometrycznymi. Mając tak szeroki wybór, spokojnie założyć można, że nie pozostało nic innego jak wybrać wersję o najmniejszym współczynniku oporu, prawda? Otóż, nie do końca. Okazało się, że model o najlepszych właściwościach aerodynamicznych jest zbyt mały i nie zmieściłby w sobie podzespołów i kierowcy. Z tego powodu do dalszej optymalizacji wybrano model o nieco gorszych własnościach aerodynamicznym, ale za to bardziej przestronny.

 

Przed dalszymi obliczeniami i kolejnymi godzinami spędzonymi przed ekranami komputerów, przyszła pora na odrobinę ćwiczeń fizycznych. Aby rozwiać wszelkie wątpliwości dotyczące rozmiarów wybranego modelu i przyszłej pozycji kierowcy, drużyna SKAP-u wykonała styropianowy model wnętrza pojazdu w skali 1:1. Kolejne przekroje pojazdu wycinane były w płytach grubości dziesięciu centymetrów i sklejane w odpowiedniej kolejności. Przymiarka wyszła niezwykle pomyślnie. Wybrany kształt mógł ze sporym zapasem zapewnić kierowcy bezpieczną pozycję i dobrą widoczność. Czas więc ponownie rozgrzać procesory.

 

Drugim krokiem obliczeniowym była nieparametryczna optymalizacja wybranej geometrii za pomocą dedykowanego do tego celu modułu zawartego w programie do obliczeń aerodynamicznych. Tak jak i w całym artykule, nie będziemy skupiać się na szczegółach procedury – ważne, że w tym etapie udało się zmniejszyć współczynnik oporu z 0,145 do 0,098. Czyli, bardziej obrazowo, siłę oporu działającą podczas jazdy z prędkością 36 km/h (maksymalna prędkość, jaką poruszać się będzie Kropelka podczas zawodów) zredukowano o blisko 1/3 (z 1,65 N do 1,11 N).

 

Taki opis niezupełnie sprawiedliwie oddaje ilość wykonanych obliczeń. Ostateczny kształt poddawany był analizom pod kątem przeróżnych parametrów opływu, a dzięki wstępnym analizom wytrzymałościowym wyznaczono minimalną grubość powłoki. Zaprojektowano również linie szyb, zapewniających pełną widoczność w zakresie 200o! Żeby ta praca nie poszła na marne, zadbać należało o precyzyjne odwzorowanie wybranej geometrii przechodząc do wykonania poszycia. Jak w takim razie przebiega proces technologiczny?

 

Zdecydowano, że poszycie wykonane będzie z laminatu włókna węglowego. Kompozyty takie otrzymuje się poprzez nasycenie warstw zbrojenia (węglowego) wypełniaczem w postaci żywicy infuzyjnej. Na zewnętrzny kształt wybrane zostało płótno o gramaturze 80 g/m2 oraz jednokierunkowa tkanina o gramaturze 200 g/m2 na wręgi wzmacniające. Ostatecznie, aby uniknąć nadmiernej wiotkości konstrukcji skorupa będzie nieco grubsza niż obliczona wartość minimalna.

 

Laminowanie wykonywane będzie przy użyciu metody infuzji – jednym z najbardziej zaawansowanych technologicznie procesów wytwarzania kompozytów. Polega ona na układaniu suchego zbrojenia na odpowiednio przygotowanym negatywowym foremniku, przykryciu warstwami ułatwiającymi rozprowadzenie i przesycanie żywicy, a następnie szczelnym zamknięciu formy, wytworzeniu podciśnienia i zassaniu płynnej osnowy. Zdecydowaliśmy się na wykonanie poszycia tą techniką z kilku powodów. Po pierwsze zapewnia ona doskonałe odwzorowanie kształtu foremnika, co jest bardzo istotne ze względu na minimalizację oporów aerodynamicznych. Co więcej taka procedura pozwala uzyskać najlepszy stosunek zbrojenia do żywicy, a co za tym idzie, mniejszą masę oraz lepsze właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe. Efekt takich działań powinien być oszałamiający. Przewidywana masa blisko 3 metrowej długości poszycia wynosi bowiem około 2,5 kg!

 

Niezwykle ważne jest dla nas, aby wszystkie możliwe prace wykonywane były przez członków koła samodzielnie. Foremniki i poszycie wykonujemy sami. Nie bez trudów i poświęceń. Formy, na przykład, powstawały poprzez ręczne laminowanie 11 warstw włókna szklanego. Wykonanie jednego zajmowało około 15 godzin ciągłej pracy! Dzięki właśnie takim działaniom zdobywamy cenną wiedzę i doświadczenie. Jedyny wyjątek od powyższej reguły stanowi pozytywowy model poszycia, który posłużył do stworzenia form do laminowania. Ten wykonany został przez zewnętrzną firmę na profesjonalnych urządzeniach, precyzyjnie odwzorowujących kształt wymodelowany na komputerach. Postanowiliśmy w tym przypadku złamać naszą zasadę, ponieważ sami nie bylibyśmy w stanie stworzyć zadowalająco dokładnego modelu. Biorąc pod uwagę wysiłek, jaki włożony został w optymalizację kształtu pojazdu wykonanie modelu w prowizorycznych warunkach mijałoby się z celem. 

 

Na chwilę obecną, wykonaliśmy już jedną połowę poszycia. W najbliższym czasie planowane jest laminowanie drugiej oraz połączenie ich w jedną piękną całość. Równolegle trwają prace nad pozostałymi elementami Kropelki, o których będzie można przeczytać w przyszłości w osobnych artykułach. Nie możemy się doczekać integracji całego pojazdu i pierwszych testów czy to w jeździe, czy w tunelu aerodynamicznym. Ciężka praca powinna zaowocować świetnymi osiągami. Koniecznie śledźcie naszą stronę, by być na bieżąco!
 

Robert Sampławski

 

Fot. Jakub Wolak