Konstrukční návrh a simulace předního křídla pro monopost Formula Student

Konstiantyn Horiunov

Bachelor's thesis

Abstract:

Tato bakalářská práce se zabývá komplexním aerodynamickým a konstrukčním návrhem předního přítlačného křídla pro závodní monopost Formula Student. Hlavním cílem návrhu je vytvořit funkční prvek, který vyhovuje technickým pravidlům soutěže FSG, garantuje strukturální integritu bez porušení při maximálním aerodynamickém zatížení ve vysokých rychlostech, a zároveň splňuje požadavky na cílovou hmotnost sestavy kolem 3,5 kg. Teoretická část práce shrnuje fundamentální poznatky z oblasti aerodynamiky sportovních vozidel, definuje matematický aparát výpočetní dynamiky tekutin (CFD) a představuje základy mechaniky kompozitních materiálů. V praktické části je detailně popsán iterační proces návrhu, který začíná optimalizací 2D profilů, pokračuje tvorbou plnohodnotné 3D geometrie a CFD simulacemi, a je završen pevnostní analýzou metodou konečných prvků (MKP/FEM). V této závěrečné fázi je do strukturálního modelu přímo importováno reálné aerodynamické zatížení z CFD simulace při maximální rychlosti vozu. Současně jsou implementovány reálné ortotropní vlastnosti uhlíkových kompozitů za účelem ověření celkové spolehlivosti a finální hmotnosti navržené konstrukce.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the comprehensive aerodynamic and structural design of a front wing for a Formula Student race car. The main objective of the design is to create a functional component that complies with the technical rules of the FSG competition, guarantees structural integrity without failure under maximum aerodynamic loads at high speeds, and simultaneously meets the requirements for a target assembly weight of approximately 3.5 kg. The theoretical part of the thesis summarizes fundamental knowledge in the field of sports car aerodynamics, defines the mathematical apparatus of Computational Fluid Dynamics (CFD), and introduces the basics of composite materials mechanics. The practical part details the iterative design process, which begins with the optimization of 2D airfoils, continues with the creation of a full 3D geometry and CFD simulations, and concludes with a structural analysis using the Finite Element Method (FEM). In this final stage, the realistic aerodynamic load from the CFD simulation at the car's maximum speed is directly imported into the structural model. Simultaneously, the actual orthotropic properties of carbon composites are implemented to verify the overall reliability and final weight of the designed structure.

Keywords

Formula Student, přední přítlačné křídlo, aerodynamika, výpočetní dynamika tekutin (CFD), metoda konečných prvků (MKP), kompozitní materiály, uhlíková vlákna.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 5. 2026

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Pavel Srb, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Bachelor programme / field:
Mechanical Engineering / Strojírenství