التصميم الهيكلي والتصنيع من طراد فئة السيارة الشمسية
Summary
في هذا العمل، العديد من الجوانب المتصلة بعملية التصميم الإنشائي الكامل-كربون المقوى بالألياف مفصلة السيارة الشمسية البلاستيكية، مع التركيز على الهيكل monocoque، الينابيع ليف، واختبار المركبة ككل خلال حادث تحطم طائرة.
Abstract
الطرادات هي المحتل متعددة المركبات الشمسية التي يتم تصورها للتنافس في المدى (أكثر من 3 آلاف كيلومتر) السباقات الشمسية استناداً إلى أفضل حل وسط بين استهلاك الطاقة والحمولة. ويجب أن يمتثلوا للقواعد السباق فيما يتعلق بالأبعاد الكلية وحجم الألواح الشمسية، وظيفة، والسلامة والاحتياجات الهيكلية، بينما الشكل، والمواد، والقوة المحركة، وتعتبر الميكانيكا يتراءى للمصمم. وترد في هذا العمل، أهم جوانب عملية التصميم الإنشائي الكامل-كربون المقوى بالألياف البلاستيكية الشمسية مركبة. على وجه الخصوص، يرد وصف للبروتوكولات المستخدمة لتصميم التسلسل التصفيح الهيكل والينابيع ورقة التحليل البنيوي، وتحطم اختبار المحاكاة العددية المركبة، بما في ذلك سلامة القفص،. تعقد منهجية تصميم هياكل المركب المقوى بالألياف عوضت إمكانية الخياطة خصائصها الميكانيكية والاستفادة المثلى من الوزن الإجمالي للسيارة.
Introduction
سيارة شمسية سيارة تعمل بالطاقة الشمسية تستخدم للنقل البري. وقدم السيارة الشمسية الأولى في عام 1955: كان نموذج 15 بوصة صغيرة، تتألف من 12 الخلايا الفولطائية الضوئية السيلينيوم و محركات الكهربائية صغيرة1. منذ أن المظاهرة ناجحة، بذلت جهود كبيرة في جميع أنحاء العالم لإثبات جدوى التنقل الطاقة الشمسية المستدام.
تصميم السيارة الشمسية2 مقيدة بشدة بمقدار مدخلات الطاقة في السيارة، والتي هي محدودة للغاية في الظروف العادية. قد صممت بعض النماذج للاستخدام العام، على الرغم من أن السيارات لم أساسا بواسطة الشمس متوفرة تجارياً. كما واقع الأمر، يبدو أن السيارات الشمسية بعيداً عن استخدام الشائع في الحياة اليومية نظراً لحدودها الحالية، لا سيما من حيث التكلفة، والنطاق، ووظيفة. في الوقت نفسه، أنهم يمثلون مقعد اختبار صالحة لتطوير منهجيات جديدة، على مستوى التصميم والتصنيع، الجمع بين التكنولوجيا المستخدمة عادة في القطاعات الصناعية المتقدمة، مثل الطاقة البديلة، والفضاء، و السيارات. وبالإضافة إلى ذلك، تم بناء معظم السيارات الشمسية غرض سباقات السيارات الشمسية، أحداث المتلألئ في جميع أنحاء العالم، والمشاركين الذين هم أساسا من الجامعات ومراكز البحوث التي هي يفتخر بالبحث عن الحلول المثلى لكل مشكلة تقنية. على وجه الخصوص، اعتماد منظمي المسابقات الأكثر أهمية (مثلاً، تحدي الطاقة الشمسية العالمي) استراتيجية لتطوير الأنظمة واللوائح العرق التي تهدف إلى جلب هذه المركبات المتطرفة في أقرب وقت ممكن إلى الأكثر تقليدية وسائل للنقل. على وجه التحديد، بعد العديد من السنوات التي كانت المركبات تتسع واحد والمصممة للسفر الطريق بأسرع ما يمكن، الفئة الناشئة من المركبات كروزر تم مؤخرا عرض ونموا لنقل الركاب أكثر كفاءة.
لهذه المركبات، والمتطلبات التقنية أصبحت أكثر صرامة. وفي الواقع، ليس فقط لديهم لضمان كفاءة استخدام الطاقة القصوى، ولكن أيضا يجب امتثالها للشروط الهندسية أكثر تعقيداً ترتبط بوظائف مختلفة. على سبيل المثال، إمكانية نقل عدد أكبر من الركاب يجعلها أكثر صعوبة لضمان شروط السلامة وتوفر قيادة. السعي إلى اعتماد أكثر تعقيداً بسبب زيادة الوزن الإجمالي، والحاجة إلى إدراج حزمة بطارية أكبر كثيرا، في حين يجب تقليل المسافات الداخلية، مما يجعل تحديد المواقع للميكانيكا صعبة.
يجب أن تعالج فلسفة تصميم جديد، بما في ذلك رؤية مختلفة لاستخدام المواد والتصنيع. أولاً، يجب تحديد المواد استناداً إلى أعلى نسبة القوة إلى الوزن، ونتيجة مباشرة، والبلاستيك المقوى بالكربون الألياف تمثل حل أمثل. وعلاوة على ذلك، يجب أن تنفذ الحيل محددة في التصميم.
ويرد في هذه المادة، الإجراءات المستخدمة لتصميم بعض من أهم أجزاء الهيكلية للسيارة الشمسية، مثل الهيكل monocoque والتعليق وحتى اختبار تحطم حسابية. النطاق النهائي للحصول على سرعة سيارة شمسية مع وزن أقل قدر ممكن، في مقايضة مع قواعد الديناميكا الهوائية والعرق.
ومن الواضح أن البحث عن المواد الأمثل من حيث النسبة بين المقاومة والوزن مقيد بالتكنولوجيا المستخدمة، وهو صب اﻷوتوكﻻف من بريبريجس كفرب. ويهدف تحديد أساليب التحديد السريع لاختيار المواد الأمثل من حيث تصنيف رقائق داخل نطاق محدود من الاحتمالات ووضع المتابعة. في الواقع، وتصميم مع المواد المركبة يعني اختيار واحد من الخصائص الهندسية للمقاطع والمواد المحددة، والتكنولوجيا المناسبة (في الحالة المعروضة هنا، أنه مصمم مسبقاً، كما يحدث غالباً).
العديد من المسابقات الشهير أداء مسافات طويلة للمركبات الكهربائية الشمسية قد عقدت في جميع أنحاء العالم في العقود الأخيرة، التي تنطوي على رتبة أعلى الجامعات ومراكز البحوث، الذين هم على تعزيز العوامل الرئيسية لتطوير هذه الحركة التكنولوجيا. ومع ذلك، القدرة التنافسية التي تعمل في هذا المجال البحثي في تحالف مع حدود الملكية الفكرية عاملاً مقيداً على محمل الجد لنشر المعرفة بشأن هذه المسألة. لهذا السبب، استعراض الأدب في حسابات تصميم السيارة الشمسية لإشارات قليلة (وفي بعض الأحيان التي عفا عليها الزمن)، حتى عندما تقوم الأبحاث كاملة على هذا الاستقصاء3، لماذا تشجع أعمال يعمل مثل هذا.
شكل مستقل يجري تحسين أي جانب تصميم المركبة، هدف مشترك هو دائماً الرامية إلى: تحقيق المزيد من الكفاءة في استخدام الطاقة. الإنتاجية التغييرات في التصميم لا دائماً تستند إلى التكنولوجيات المتطورة، كما أنها يمكن أن مجرد تعتمد على الميكانيكا مثل خفض مركز الثقل المركبة زيادة استقراره (الذي يكتسي أهمية خاصة للمسابقات التي أجريت في الصحراء المناطق4 بسبب الرياح الجانبية الرياح5) أو تقليل وزن السيارة أجزاء6-من الذي 10% لتخفيض الوزن في السيارات الكهربائية يمكن الاستدلال يصل إلى 13.7 في المائة في توفير7الطاقة. استراتيجيات إدارة الطاقة شامل كما تستخدم عادة في أحداث سباق لضمان أفضل أداء ممكن، حيث يمكن الحصول مثيرة أقصى سرعة 130 كم/ساعة وواحد من الرسوم التي تستمر لأكثر من 800 كم في سيارات كروزر الفئة8.
دراسة المركبة الديناميكا الهوائية5،،من910 من المهم أن أؤكد مقاومة تذكر من الهواء ونعومة أثناء القيادة، الجوانب الرئيسية التحكم فيها خفض معامل السحب إلى السماح للسيارة بالتحرك في حين أن الإنفاق أقل من الطاقة، ومعامل الرفع الذي يجب أن يبقى سلبيا لضمان أن السيارة متصل بأمان وثابت على الأرض، وحتى على سرعات أعلى.
هو معلمة هامة أخرى تصميم نظام التعليق، الذي يطبق عادة في المركبات العادية مع أغراض الوحيد لتوفير الراحة والاستقرار والأمان، ولكن في السيارات الشمسية يجب أن تكون خفيفة. وقد تم استكشاف هذا الجانب الهام منذ 199911 في الدراسات التي تشمل الألياف الزجاجية ورقة الينابيع، وفي الآونة الأخيرة، مع ألياف الكربون12 ، عند استخدامها لتشكل عظم الترقوة روابط13، ثبت لتوفير الوزن ليس فقط الحد بل عامل سلامة محسنة. على الرغم من أن تعليق ثنائي مزدوج بلا شك أكثر غالباً ما تستخدم في السيارات الشمسية14، وترى الدراسة الحالية سبرينغ مستعرضة بنيت بألياف الكربون، لذلك نظام تعليق أبسط وأخف وزنا مع خفض الوزن قافز.
أما بالنسبة لتصنيع الهيكل، أثبت تشييد بنية monocoque المصنوعة من ألياف الكربون لمنح ميزة كبيرة في أداء، يجري عقبة تصميم الذي لا غنى عنه لأبرز القائمة4،8 ،15 سيارة شمسية فرق. استخدام ألياف الكربون أمر حيوي للتنفيذ للسيارة، والسماح للفرق لبناء المركبات فيها كل واحد من المكونات الهيكلية (أو أجزاء مختلفة من الهيكل نفسه، كما هو الحال في الهيكل) بمبلغ أمثل من ألياف الطبقات في حسابها التوجهات. لذلك، في هذا العمل، وتوحيد المواد التي جرى تقييمها من خلال خصائص الاختبارات التجريبية، مثل ثلاث نقاط الانحناء والاختبار القص إينتيرلامينار قوة (إيلس).
لضمان استقرار الأبعاد أثناء دورة العلاج، يرصد البناء عموما مع التعبئة فراغ والاوتوكلاف صب4 في قوالب من ألياف الكربون التي، بدورها، هي مغلفة في التحديد ناعم رغوة عالية الكثافة أو أنماط الألومنيوم. ويشكل أغلبية الأجزاء هياكل ساندويتش (أي، مع الألياف على الجلد والمواد خفيفة الوزن الغاية الأساسية التي تخدم لسمة مقاومة الانحناء لمركب يحمل وزن منخفض للغاية). وباﻹضافة إلى ذلك، ألياف الكربون أيضا مفيدة لتوفير أعلى مستويات السلامة الذبذبات ضد ظواهر الرنين12.
اختبارات تحطم تهدف إلى التحقق من سلامة الركاب في تحطم الأحداث، عادة ما تنطوي على الاختبارات تستغرق وقتاً طويلاً وغير اقتصادي، والتجريبية والمدمرة بمركبات عينة. واحد الاتجاهات الأخيرة التي تكتسب شعبية واسعة محاكاة الكمبيوتر تحطم اختبار، حيث التحقيق هذه المحاكاة سلامة ركاب السيارة أثناء مختلف أنواع الآثار (مثلاً، أثر أمامية، جانبية أمامية، والإزاحة، ولفه على مدى) . ونظرا لأهمية إجراء تحليل تحطم مركبة الطرق وإمكانية القيام بذلك من خلال وضع النماذج العددية، التحقيق الحالي يرمي إلى تحديد أهم المجالات السيارة الشمسية، من حيث كلا من الإجهاد الأقصى و التشوه، بغية السماح لفرضية لتحسين الهيكل.
اختبار تحطم العددية على المركبات الشمسية التي نفذت بموجب هذا لم يسبق لها مثيل. نظراً لعدم وجود المراجع في البحوث والأنظمة المحددة لهذا النهج المبتكرة السيارة الشمسية، كان من المفترض لتكيف أن ترى تأثير السيارة على عقبة جامدة سرعة متوسط. لذلك، أجريت الهندسة نمذجة المحاكاة (الشبكة بما في ذلك الدستور ومحاكاة البنية) والمركبة في مختلف البرامج المناسبة. له ما يبرره أيضا استخدام ألياف الكربون لهيكل السيارة بسلوكها البلاستيك، وقد أثبت بالفعل أن تكون أعلى من غيرها من المواد، مثل الزجاج الألياف المركبة، وعلى اختبارات تحطم السيارات الكهربائية16.
Protocol
Representative Results
Discussion
من الجدول 1، من الممكن أن نلاحظ أن لاميناس واحد غير متناظرة، بينما شطيرة كاملة. هذا سبب ضرورة وجود كلا أقل عدد من الطيات والحد الأدنى التكنولوجية، والخصائص الميكانيكية المطلوبة.
على جانب واحد، علامة القسم 1/1، 2، 3 في الشكل 7 المسؤولة عن الخصائص الميكانيكية عموما، يجري التوجه لرقائق أحادي الاتجاه التعزيز عالية القوة والفرق الرئيسي بينهما. على الجانب الآخر، تميز الأقسام ألف، باء، جيم ودال هي تعديلها تأخذ في الاعتبار الأحمال المركزة من أنظمة التعليق ومقاعد الركاب، نظراً لوجود أوراق الينابيع.
ويستند نموذج عنصر محدد يستخدم لتحليل الهيكل المركب طبولوجيا شل. شل عناصر خياراً مناسباً لإعادة إنتاج هياكل المركب، كما أنها تميل إلى التقاط صلابة الانحناء الهيئات رقيقة الجدران مع الشبكات أبسط بكثير من العناصر الصلبة. من ناحية أخرى، تلجأ إلى شل متوالية أو العناصر الصلبة ينبغي النظر عند نمذجة الهياكل ساندويتش سميكة أو المناطق ذات التدرجات الإجهاد الحاد؛ نسبية نقاش حول عناصر شل shell واستمرارية تقدم24،25.
والهدف الرئيسي من تحليل ثابت هو التحقق من أن صلابة وقوة للهيكل يفي بالمتطلبات. تصلب الشروط مباشرة بالتأكد من أن تشوه السيارة تحت كل حالة حمل في حدود اللوائح (أي، أي جزء من المركبة تخترق الغرفة شاغلي). تقييم القوة للهيكل يستند إلى تقييم الأضرار هاشين في26 من الطيات المركبة؛ أي يجب أن تكون معلمات هاشين لدقة أقل من 1. أوضاع ضارة مختلفة تسهم في فشل العالمية للمركب صفح، استخدام معايير الأضرار التراكمية (مثلاً، في هاشين) ينصح؛ يمكن أن يكون الإجهاد أقصى معايير مناسبة للمكونات المعدنية.
الأدب قد اقترحت حلول مختلفة للتصميم الأمثل للينابيع أوراق مركبة خفيفة الوزن، ولكن معظمهم من الاتصال فقط عجلة واحدة27،28 (لا قدرة أنتيرول) أو تصلح فقط لضخ العفن التكنولوجيا (مدبب مزدوجة)29. تصميم سبرينغ المعروضة هنا هي مقيدة مسبقاً قبل بريبريج الترقق العملية، التي لا تسمح بحل تصميم مدبب مزدوجة ولكن يضمن قوة مادية عالية وموثوقية.
الجانب الابتكاري الربيع أوراق الدمج الوظيفي لهذين العنصرين في أحد (الربيع وشريط أنتيرول) والميزة الرئيسية هو الحد الشامل. وعلاوة على ذلك، وبفضل النموذج التحليلي المقترح، فمن الممكن زيادة الحد الشامل والحصول على الهندسة المثلى سريعة لتعيين الحد الأقصى للتحميل والتشرد.
الضغوط المحلية والخروج من الطائرة منها والتي لا يمكن أن يقدرها نموذج تحليلي، يتم تقييمها بواسطة طريقة العناصر المحدودة، وعلى غرار الطبقات واحد مركب سبرينغ بعناصر الطوب. هذا الحل حسابياً أثقل من استخدام قذائف ولكن يسمح، في تركيبة مع هاشين، معايير فشل ثلاثي الأبعاد للتنبؤ تنسل الأطراف الناتجة عن الأحمال الخروج من الطائرة، واحد جوانب حاسمة لتصميم سبرينغ. أخيرا، وقد تم التحقق من صحة النماذج التحليلية والعددية لتصميم أوراق الربيع بإجراء اختبار تجريبي في فصل ربيع أوراق المحجمة.
تحطم اختبار، وفيما يتعلق بتشريد القفص لفة، مرتفعة نسبيا على الرغم من أنها لا تمثل مبعث قلق، يعزى أساسا إلى تخطيط شريط به الجبهة. شكله نونكورفيد والطريقة الحادة التي يتم وضعها، مع لا المنحنيات وفي زاوية حادة مع اتجاه الأثر، المسؤولة عن نقل معظم الطاقة التي ينبغي استيعابها بالهيكل المعدني للقفص لفة، الذي له هدف هيكلية مميزة . لهذا السبب، يتم دفع القفص لفة إلى الجزء خلفي السيارة، والتسبب إجهاد مرتفعة في مناطقه مرفق للمقاعد. من المهم أن نلاحظ أنه على الرغم من سلامة أي الميزات التي يحتمل أن يمكن تحسين، وتشوه الحد الأدنى في monocoque وحقيقة أن أية مكونات اخترقت/مثقب الآخرين تجعل من الواضح أن يعتبر تصميم المركبة آمنة بخصوص البلاستيك.
ولذلك، يعتبر التصميم الهيكلي للسيارة ككل قد تم الأمثل من حيث استخدام المواد، حيث يتم الحساب واسعة أظهرت في البروتوكول الأساسي لتصميم monocoque وأوراق الينابيع التي صممت لتكون الضوء، وأن يقدم تعزيز أداء ميكانيكي. وعلاوة على ذلك، من خلال حادث تحطم عددية اختبار المحاكاة، وهيكل السيارة أثبتت أنها قادرة على الصمود بنجاح الزخم الذي يستدل بأثر كاملة أمامية النظر في متوسط سرعة السيارة على كفاءته النشطة الأمثل.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أريد أن أشكر جميع أعضاء “رابطة الرياضة Solare أوندا” (www.ondasolare.com) للدعم الأساسي ولوكوفتش ماركو الذي كان مصمم الطراد الجمالية. وقد تحقق هذا النشاط البحثي بدعم مالي من الاتحاد الأوروبي ومنطقة إميليا رومانيا داخل بور-فيسر 2014-2020، 1 المحور، والبحث والابتكار.
Materials
| CFRP Twill T300 200g/m^2 | Impregantex | GG 204T2 IMP 503Z 46% | |
| CFRP UD STS 150g/m^2 | DeltaPreg | STS-150 – DT150 – 36% | |
| CFRP UD M46J 150g/m^2 | Cytec | MTM49-3 M46J (12K) 36% | |
| CFRP UDT1000 150 | Cytec | X01 – 36% T1000 (12K) | |
| Honeycomb | DuPont | Nomex 9-14 mm | |
| Universal Testing Machine (UTM) | Instron | Instron 8033 250 kN | |
| FEM | Ansys | Ansys 18 | |
| Numerical computing Enviroment | Matworks | Matlab R2018a |
References
- . . Popular Mechanics Magazine. 104 (3), (1955).
- Thacher, E. F. . A Solar Car Primer, A Guide to the Design and Construction of Solar-Powered Racing Vehicles. , (2015).
- Minak, G., Fragassa, C., de Camargo, F. V. A brief review on determinant aspects in energy efficient solar car design and manufacturing. Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 847-856 (2017).
- Tamura, S. Teijin advanced carbon fiber technology used to build solar car for world solar challenge. Reinforced Plastics. 60, 160-163 (2016).
- Kin, W. D., Kruger, S., van Rensburg, N. J., Pretorius, L. Numerical assessment of aerodynamic properties of a solar vehicle. ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , (2013).
- Betancur, E., Mejía-Gutiérrez, R., Osorio-Gómez, G., Arbelaez, A., Eynard, B., Nigrelli, V., Oliveri, S. M., Peris-Fajarnes, G., Rizzuti, S. Design of structural parts for a racing solar car. Advances on Mechanics, Design Engineering and Manufacturing. Proceedings of the International Joint Conference on Mechanics, Design Engineering & Advanced Manufacturing (JCM 2016, 14-16 September, 2016, Catania, Italy). , 25-32 (2017).
- Joost, W. Reducing vehicle weight and improving U.S. energy efficiency using integrated computational materials engineering. Journal of the Minerals, metals, and Materials Society. 64, 1032-1038 (2012).
- Paterson, G., Vijayaratnam, P., Perera, C., Doig, G. Design and development of the Sunswift eVe solar vehicle: a record-breaking electric car. Journal of Automobile Engineering. 230, 1972-1986 (2016).
- Betancur, E., Fragassa, C., Coy, J., Hincapie, S., Osorio-Gómez, G. Aerodynamic effects of manufacturing tolerances on a solar car. Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 868-876 (2017).
- de Kock, J. P., van Rensburg, N. J., Kruger, S., Laubscher, R. F. Aerodynamic optimization in a lightweight solar vehicle design. ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , 1-8 (2014).
- Sancraktar, E., Gratton, M. Design, analysis, and optimization of composite leaf springs for light vehicle applications. Composite Structure. 44, 195-204 (1999).
- de Camargo, F. V., Fragassa, C., Pavlovic, A., Martignani, M. Analysis of the suspension design evolution in solar cars. FME Transactions. 45 (3), 394-404 (2017).
- Hurter, W. S., van Rensburg, N. J., Madyira, D. M., Oosthuizen, G. A. Static analysis of advanced composites for the optimal design of an experimental lightweight solar vehicle suspension system. ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , (2014).
- de Camargo, F. V., Giacometti, M., Pavlovic, A. Increasing the energy efficiency in solar vehicles by using composite materials in the front suspension. Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 801-811 (2017).
- Mathijsen, D. Redefining the motor car. Reinforced Plastics. 60, 154-159 (2016).
- Liu, Q., Lin, Y., Zong, Z., Sun, G., Li, Q. Lightweight design of carbon twill weave fabric composite body structure for electric vehicle. Composite Structures. 97, 231-238 (2013).
- Gay, D. . Composite Materials: Design and Applications. , (2014).
- Poodts, E., Panciroli, R., Minak, G. Design rules for composite sandwich wakeboards. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 628-638 (2013).
- . . ASTM D7264. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , (2015).
- . . ASTM D2344. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. , (2015).
- Rondina, F., et al. Development of full carbon wheels for sport cars with high-volume technology. Composite Structures. 192, 368-378 (2018).
- Sodena, P. D., Kaddourb, A. S., Hinton, M. J. Recommendations for designers and researchers resulting from the world-wide failure exercise. Composites Science and Technology. 64, 589-604 (2004).
- Zenkert, D. An Introduction to Sandwich Construction. Engineering Materials Advisory Services Ltd. , (1995).
- Barbero, E. J. . Finite Element Analysis of Composite Materials Using AbaqusTM. , (2013).
- Hashin, Z. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. Journal of Applied Mechanics. 47 (2), 329-334 (1980).
- Yu, W. J., Kim, H. C. Double Tapered FRP Beam for Automotive Suspension Leaf Spring. Composite Structures. 9, 279-300 (1988).
- Shokrieh, M. M., Rezaei, D. Analysis and optimization of composite leaf spring. Composite Structures. 60, 317-325 (2003).
- . Composite leaf springs: Saving weight in production Available from: https://www.compositesworld.com/articles/composite-leaf-springs-saving-weight-in-production-suspension-systems (2014)
