Optimalizace konstrukce motocyklového rámu z kompozitních materiálů s ohledem na výrobní technologii

Abstract

Dizertační práce se zaměřuje na optimalizaci rámu motocyklu z uhlíkových kompozitů (CFRP). Cílem je ověřit postup návrhu lehkých a konstrukčně efektivních konstrukcí s využitím topologické optimalizace při současném zohlednění vyrobitelnosti laminátu. Konstrukční požadavky byly stanoveny z hlediska torzní, podélné a příčné tuhosti a také z pohledu bezpečnosti při kritických provozních stavech, jako je brzdění, doskok a zatáčení. Stávající konstrukce rámu vyrobená technologií prepreg–autokláv byla analyzována a na jejím základě byl vytvořen stavební prostor pro topologickou optimalizaci. Výsledky optimalizace byly následně zapracovány do konstrukčního řešení při současném zachování vyrobitelnosti a snížení počtu dílů sestavy. Optimalizovaný rám dosáhl zvýšení torzní tuhosti o 128 %, příčné o 140 % a podélné o 67 %, přičemž současně došlo ke snížení kritických koncentrací napětí a k redukci hmotnosti o 2 %, při nezměněné skladbě laminátu. Výsledky ukazují, že využití topologické optimalizace jako podpůrného nástroje při návrhu kompozitních struktur představuje efektivní cestu k vývoji lehkých a zároveň bezpečných kompozitních struktur.

This dissertation focuses on the optimisation of a motorcycle frame made of carbon-fibre reinforced polymers (CFRP). The objective is to validate a design methodology for lightweight and structurally efficient composite structures using topology optimisation, while simultaneously accounting for laminate manufacturability. Structural requirements were defined in terms of torsional, longitudinal, and lateral stiffness, as well as safety under critical operating conditions such as braking, jump landing, and cornering. The baseline frame, manufactured using prepreg–autoclave technology, was analysed, and a design space for topology optimisation was established. The optimisation results were subsequently incorporated into the structural design with the dual aim of preserving manufacturability and reducing the number of assembly parts. The optimised frame achieved a 128 % increase in torsional stiffness, a 140 % increase in lateral stiffness, and a 67 % increase in longitudinal stiffness, while simultaneously reducing critical stress concentrations and achieving a 2 % weight reduction with an unchanged laminate lay-up. The results demonstrate that the use of topology optimisation as a supporting tool in the design of composite structures represents an effective pathway for the development of lightweight yet structurally safe CFRP components.