Formula Student: ¿cómo diseñamos un monoplaza?

Aunque el C3-R19 –nuestro monoplaza actual– no se vaya a usar en competición de nuevo, sigue siendo muy importante poder hacer test con él para aprender y mejorar. Igual que en la Formula 1, cuando acaba una temporada se sigue rodando con el coche de ese año para seguir recopilando datos y testeando así qué se debe mantener y qué es mejor modificar para la siguiente temporada. Ya que el coche de 2020 compartirá muchos componentes y conceptos con el coche actual, los datos obtenidos nos serán muy útiles.

En estas pruebas, algo que hemos visto que debemos modificar respecto al monoplaza anterior es el sistema de refrigeración. Éste se rediseñará para el coche de 2020 y es muy importante tomar datos para saber cuál debe de ser el tamaño de los radiadores. Cuanto menos ocupe el sistema de refrigeración, mayor será la eficiencia aerodinámica del coche, sin olvidarnos del objetivo principal que es ser capaces de refrigerar el motor para que esté a una temperatura óptima.

Para evitar retrasos en el desarrollo, tenemos unas fechas límite muy estrictas que debemos cumplir. La fabricación de un coche de competición implica un trabajo constante durante muchos meses y es fundamental evitar retrasos.

El desarrollo de cualquier pieza del coche es largo; desde el concepto inicial hasta que se completa hay muchas horas de simulaciones, modelaje y cambios hasta llegar al diseño definitivo y que finalmente se fabricará. Por suerte contamos con un gran repertorio de herramientas que nos ayudan a diseñar y simular cualquier pieza y gracias a las cuales podremos ver la efectividad y la validez de cada pieza.

La principal herramienta de diseño es SolidWorks. Se trata de una herramienta de CAD –computer-aided design, es decir, diseño asistido por ordenador–, en la que podemos diseñar y ensamblar el coche entero. Además, nos permite calcular el peso y las inercias. Gracias al patrocinio que tenemos con la empresa correspondiente, todos los miembros del equipo cuentan con una licencia y para que todos tengamos el mismo modelo actualizado del coche, contamos con GrabCAD. Esta aplicación nos permite trabajar con SolidWorks en la nube, de forma que todos los cambios que se hagan en el CAD, se comparten de forma automática y se actualizan en los ordenadores de todos los miembros del equipo, lo que agiliza el proceso de diseño.

Una vez definida una versión básica de la pieza, toca hacer simulaciones de diversos aspectos como la rigidez o el rendimiento aerodinámico. Esto nos permite calcular muchos datos necesarios a la hora de determinar la validez de una nueva pieza o de un nuevo sistema del monoplaza, como su rigidez, la carga aerodinámica que genera, el resistencia aerodinámica o el peso.

Para simular la rigidez estructural de las piezas, contamos con INSPIRE e Hyperworks. Aunque estos programas tienen una función muy similar, ambos nos son muy útiles. HyperWorks es más preciso y completo, aunque también más complejo de usar. Por eso, para las primeras aproximaciones utilizamos INSPIRE, para luego tomar los conceptos con los resultados más positivos y hacer las pruebas definitivas en HyperWorks.

Simulación en HyperMesh del balancín trasero

Los equipos de Fórmula 1 cuentan con enormes túneles de viento y maquetas del coche a escala para medir de forma extremadamente precisa la aerodinámica del coche. Esto, en un equipo como el nuestro, es imposible de llevar a cabo, ya que no disponemos de esos recursos y, por ello, debemos buscar otras alternativas más económicas. Desde hace unos años, ha empezado a ganar mucha importancia la CFD –dinámica de fluidos computacional–. Esta metodología cuenta con la gran ventaja de ser mucho más económica y versátil. Por ello en diversos ámbitos se están destinando millones de euros en mejorar y perfeccionar las herramientas de CFD. No todo el mundo puede tener un túnel de viento, pero sí un software de CFD y los que usamos nosotros son OpenFOAM, aparte de una plataforma basada en este mismo programa llamada SimScale. El CFD requiere una gran potencia computacional y gracias a SimScale, podemos hacer la simulación en un servidor ajeno a nuestros ordenadores personales,y luego recuperar los resultados de la nube.

No sólo es importante estudiar el comportamiento del flujo del aire entorno al chasis y a las superficies externas, también hay que calcular cómo se comportan los fluidos en los mecanismos internos del coche. Uno de los sistemas a los que debemos prestarle más atención en este aspecto es el motor. Para simular el efecto de, entre otros, el agua en el sistema de refrigeración, el aire de la admisión, los gases del escape, etc., utilizamos ANSYS. Estas simulaciones son menos exigentes en términos de potencia computacional para un mismo nivel de precisión, por eso podemos llevarlas a cabo en nuestros ordenadores.

ANSYS, SimScale, INSPIRE, HyperMesh y Solidworks son algunos de los programas que utilizamos para el diseño, pero no son los únicos. AVL es una de las herramientas más caras y completas que utilizamos. Este software nos permite simular una gran cantidad de situaciones diversas a las que se ve sometido nuestro monoplaza, para obtener de esta forma datos como tiempos por vuelta a un circuito o interacciones entre los diversos sistemas del coche. Su uso está muy extendido en la industria del motor.

Para terminar hay que hablar de MATLAB. Se trata de un lenguaje de programación enfocado al cálculo y a las matemáticas en un sentido más amplio. Esto nos permite crear códigos que automatizan cálculos, lo que nos ayuda a interpretar una enorme cantidad de datos de una manera rápida y efectiva. Disponemos de este programa gracias a que, como miembros de la Universidad Carlos III de Madrid, tenemos el privilegio de contar con una licencia para cada estudiante.

Disponer de estas facilidades nos ayuda enormemente a optimizar el diseño de nuestro monoplaza, pero para ello es necesario saber usar cada programa de forma adecuada. Esto hace que el proceso de diseño sea más largo y complejo, pero también nos hace aprender a usar programas que utilizan las grandes empresas de la industria.

Ya se van acercando algunas fechas límite clave del diseño del monoplaza y llegará el momento de ver si nuestros cálculos y estimaciones son correctos, el momento de ver los diseños físicos. La fase de diseño se cerrará antes de Navidad y pronto empezará la de fabricación.