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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The total mass and natural frequencies are critical factors in bobsleigh design. The ability
of the structure to absorb vibrations, achieved in structures with higher natural frequencies, and adjust the bobsleigh’s center of gravity, achieved through reduced total mass,
significantly impacts bobsleigh performance. Composite materials, chosen for their high
specific strength and ease of manufacturing, are commonly used in the cowling structure of bobsleighs. Correct utilization of these composite materials can minimize total
mass, enhancing center of gravity adjustment, and increase natural frequencies, thereby
improving bobsleigh performance.
This dissertation describes the development of a cowling structure of a bobsleigh with
composite materials, using Finite Element Analyses. The motivation for this work lies
in the the Portuguese Winter Sports Federation’s aspiration to participate in the 2026
Winter Olympics in the Bobsleigh event, without relying on borrowed bobsleighs. For
the development of this dissertation, the structure was based on the outline geometry
obtained through CFD analysis and design, divided into two parts: a front part and a rear
part. This research endeavors to contribute to the advancement of bobsleigh technology
and enhance Portugal’s competitiveness in the Winter Olympics.
The development of this dissertation started by investigating the loading conditions to
which the structures will be subject to. According to this investigation, the major loading
conditions are high accelerations, as a result of the centrifugal forces during high-speed
cornering; impact loads, for the cases where the bobsleighs hit the walls of the track; pushing loads, for loads applied by the athletes during the push-off phase in the beginning of
the race; and modal analysis, to assess the vibration absorption capacity of the structures.
This loads were imported into Ansys, where the bobsleigh structure was tested.
Subsequently, the dissertation continued by testing the impact different materials might
have on the structure development. With this in mind, five different carbon fibers, four
different core materials, and four different manufacturing processes were tested on a preliminary bobsleigh geometry. These results were then compared, considering factors such
as the accessibility to these materials and manufacturing processes, and results that may
impact the performance: Total Mass and Natural Frequencies. The results that arose from
this research proved the material choice is critical for the structural development and allowed us to select the three material combinations most suited to the case at hand.
The three material combinations chosen in the previous research were then tested in the
final bobsleigh geometry, and compared with the same criteria of accessibility and results that may affect the performance of the bobsleigh. By analyzing this final geometry,
it was clear that it presented different structural characteristics when compared to the
preliminary one. These analyses on the final geometry yielded a final structure using a combination of M35J carbon fiber, Aramid Honeycomb core, and Infusion manufacturing. To validate these results, an analysis of mesh independence was made. With it, it was
possible to conclude that there is convergence of most results. However, for some results,
that cannot be said, as there is no clear convergence, being the mesh size and refinement
limited by the available computational power.
Bearing all the previous conclusions in mind, it was possible to develop a final structure
with a mass of 12.3 kg, capable of withstanding all the loads it will be subject to. This
structure is presented in detail, with the different laminates used in the different parts and
is adjusted just to the current geometry of the bobsleigh, requiring further investigation
in case of changes made to the outer geometry of the bobsleigh, as different geometries
yield different structural characteristics.
A massa e as frequências naturais de um trenó para a competição de Bobsleigh são fatores críticos no seu desenvolvimento. A capacidade que a estrutura apresenta de absorver vibrações, apresentada em estruturas com frequências naturais mais elevadas, e a capacidade de ajuste do centro de gravidade do trenó, obtido através da redução da massa total deste, têm um impacto positivo significativo no desempenho do bobsleigh. Para o desenvolvimento da estrutura da carenagem dos trenós para esta competição, são comumente utilizados materiais compósitos, escolhidos pela sua alta resistência específica e facilidade de fabricação. A utilização correta deste tipo de materiais compósitos permite a minimização da massa total, permitindo o ajuste do centro de gravidade e aumentando as frequências naturais da estrutura, melhorando, assim, o desempenho do bobsleigh. Esta dissertação descreve o desenvolvimento da estrutura da carenagem de um trenó para a competição de Bobsleigh utilizando materiais compósitos, recorrendo a Análises de Elementos Finitos. A motivação para este trabalho reside no desejo da Federação Portuguesa de Desportos de Inverno de participar nos Jogos Olímpicos de Inverno de 2026 na categoria de Bobsleigh, sem ter de depender de trenós emprestados. Para o desenvolvimento desta dissertação, a estrutura foi baseada na geometria obtida através de análises de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) e foi dividida em duas partes: uma parte frontal e uma parte traseira. Esta pesquisa visa contribuir para o avanço da tecnologia utilizada no desporto de Bobsleigh e aumentar a competitividade de Portugal nos Jogos Olímpicos de Inverno. O desenvolvimento desta dissertação começou pela investigação das cargas às quais as estruturas estão sujeitas. De acordo com essa investigação, as principais cargas são cargas de elevadas acelerações, resultantes das forças centrífugas durante as curvas a alta velocidade; cargas de impacto, nos casos em que os trenós colidem com as paredes da pista; cargas de impulsão, aplicadas pelos atletas durante a fase de partida no início da corrida; e vibrações, através da realização de análises modais, para avaliar a capacidade de absorção de vibrações das estruturas. Essas cargas foram importadas para o Ansys, onde a estrutura do trenó foi testada. Em seguida, testou-se o impacto que diferentes materiais podem ter no desenvolvimento da estrutura do trenó. Com este objetivo, foram testadas cinco fibras de carbono diferentes, quatro materiais diferentes para núcleo do laminado, e quatro diferentes processos de fabrico numa geometria preliminar. Estes resultados foram, então, comparados, de acordo com critérios como a disponibilidade desses materiais e processos de fabrico, e resultados que podem afetar o desempenho do trenó: Massa Total da estrutura e Frequências Naturais. Os resultados desta pesquisa mostraram que a escolha do material é crucial para o desenvolvimento estrutural e permitiram a seleção das três combinações de materiais mais adequadas ao caso em estudo. As três combinações de materiais escolhidas na pesquisa anterior foram, de seguida, testadas na geometria final do trenó e comparadas com os mesmos critérios de disponibilidade e resultados que podem afetar o seu desempenho. Ao analisar os resultados obtidos com a geometria final, ficou claro que esta apresentava características estruturais diferentes quando comparada com a preliminar. Com os resultados destas análises com a geometria final, foi possível obter uma estrutura final utilizando uma combinação de fibra de carbono M35J, núcleo de favo de mel de aramida e fabrico por infusão. Para validar esses resultados, foi realizada uma análise de independência da malha. Com esta, foi possível concluir que a maioria dos resultados converge. No entanto, para alguns resultados, tal não acontece, pois não há convergência clara de resultados, sendo o tamanho e o refinamento da malha limitados pelo poder computacional disponível. Tendo em mente todas as conclusões anteriores, foi possível desenvolver uma estrutura final com uma massa de 12.3 kg, capaz de suportar todas as cargas a que será submetida. Esta estrutura é apresentada em detalhes, sendo apresentados os diferentes laminados usados nas diferentes partes, estando ajustada à geometria atual do trenó, requerendo uma investigação adicional em caso de mudanças na geometria externa deste, já que diferentes geometrias resultam em características estruturais diferentes.
A massa e as frequências naturais de um trenó para a competição de Bobsleigh são fatores críticos no seu desenvolvimento. A capacidade que a estrutura apresenta de absorver vibrações, apresentada em estruturas com frequências naturais mais elevadas, e a capacidade de ajuste do centro de gravidade do trenó, obtido através da redução da massa total deste, têm um impacto positivo significativo no desempenho do bobsleigh. Para o desenvolvimento da estrutura da carenagem dos trenós para esta competição, são comumente utilizados materiais compósitos, escolhidos pela sua alta resistência específica e facilidade de fabricação. A utilização correta deste tipo de materiais compósitos permite a minimização da massa total, permitindo o ajuste do centro de gravidade e aumentando as frequências naturais da estrutura, melhorando, assim, o desempenho do bobsleigh. Esta dissertação descreve o desenvolvimento da estrutura da carenagem de um trenó para a competição de Bobsleigh utilizando materiais compósitos, recorrendo a Análises de Elementos Finitos. A motivação para este trabalho reside no desejo da Federação Portuguesa de Desportos de Inverno de participar nos Jogos Olímpicos de Inverno de 2026 na categoria de Bobsleigh, sem ter de depender de trenós emprestados. Para o desenvolvimento desta dissertação, a estrutura foi baseada na geometria obtida através de análises de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) e foi dividida em duas partes: uma parte frontal e uma parte traseira. Esta pesquisa visa contribuir para o avanço da tecnologia utilizada no desporto de Bobsleigh e aumentar a competitividade de Portugal nos Jogos Olímpicos de Inverno. O desenvolvimento desta dissertação começou pela investigação das cargas às quais as estruturas estão sujeitas. De acordo com essa investigação, as principais cargas são cargas de elevadas acelerações, resultantes das forças centrífugas durante as curvas a alta velocidade; cargas de impacto, nos casos em que os trenós colidem com as paredes da pista; cargas de impulsão, aplicadas pelos atletas durante a fase de partida no início da corrida; e vibrações, através da realização de análises modais, para avaliar a capacidade de absorção de vibrações das estruturas. Essas cargas foram importadas para o Ansys, onde a estrutura do trenó foi testada. Em seguida, testou-se o impacto que diferentes materiais podem ter no desenvolvimento da estrutura do trenó. Com este objetivo, foram testadas cinco fibras de carbono diferentes, quatro materiais diferentes para núcleo do laminado, e quatro diferentes processos de fabrico numa geometria preliminar. Estes resultados foram, então, comparados, de acordo com critérios como a disponibilidade desses materiais e processos de fabrico, e resultados que podem afetar o desempenho do trenó: Massa Total da estrutura e Frequências Naturais. Os resultados desta pesquisa mostraram que a escolha do material é crucial para o desenvolvimento estrutural e permitiram a seleção das três combinações de materiais mais adequadas ao caso em estudo. As três combinações de materiais escolhidas na pesquisa anterior foram, de seguida, testadas na geometria final do trenó e comparadas com os mesmos critérios de disponibilidade e resultados que podem afetar o seu desempenho. Ao analisar os resultados obtidos com a geometria final, ficou claro que esta apresentava características estruturais diferentes quando comparada com a preliminar. Com os resultados destas análises com a geometria final, foi possível obter uma estrutura final utilizando uma combinação de fibra de carbono M35J, núcleo de favo de mel de aramida e fabrico por infusão. Para validar esses resultados, foi realizada uma análise de independência da malha. Com esta, foi possível concluir que a maioria dos resultados converge. No entanto, para alguns resultados, tal não acontece, pois não há convergência clara de resultados, sendo o tamanho e o refinamento da malha limitados pelo poder computacional disponível. Tendo em mente todas as conclusões anteriores, foi possível desenvolver uma estrutura final com uma massa de 12.3 kg, capaz de suportar todas as cargas a que será submetida. Esta estrutura é apresentada em detalhes, sendo apresentados os diferentes laminados usados nas diferentes partes, estando ajustada à geometria atual do trenó, requerendo uma investigação adicional em caso de mudanças na geometria externa deste, já que diferentes geometrias resultam em características estruturais diferentes.
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Keywords
Análises de Elementos Finitos Bobsleigh Materiais Compósitos Otimização