JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Structurele ontwerp en de productie van een Cruiser klasse zonne-voertuig

Published: January 30, 2019
doi:
10.3791/58525
, , , , ,
1Department of Industrial Engineering,Università di Bologna, 2CIRI MAM,Università di Bologna, 3CIRI AERO,Università di Bologna

Summary

In dit werk, verschillende aspecten in verband met het structureel ontwerpproces van een full-carbon fiber-reinforced plastic zonne-voertuig zijn gedetailleerd, gericht op het monocoque chassis, de bladveren, en het voertuig als geheel tijdens een crash test.

Abstract

Kruisers zijn multi bewoner zonne-voertuigen die zijn ontworpen om te concurreren in luchtverontreiniging over lange afstand (meer dan 3000 km) zonne-races gebaseerd op het beste compromis tussen het energieverbruik en de nettolading. Zij moeten voldoen aan de race van regels met betrekking tot de totale afmetingen, de grootte van het zonnepaneel, functionaliteit, veiligheid en structurele eisen, terwijl de vorm, de materialen, de aandrijflijn, en de mechanica van de ontwerper naar eigen goeddunken worden beschouwd. In dit werk, zijn de meest relevante aspecten van het structureel ontwerpproces van een full-carbon fiber-reinforced plastic zonne-voertuig gedetailleerd. In het bijzonder worden de protocollen die worden gebruikt voor het ontwerp van de volgorde van de laminatie van het chassis, de structurele analyse van bladveren en de crash test numerieke simulatie van het voertuig, met inbegrip van de veiligheid-kooi, beschreven. De complexiteit van de Ontwerpmethodologie van vezelversterkte composiet structuren wordt gecompenseerd door de mogelijkheid van afstemming van hun mechanische eigenschappen en optimaliseren het totale gewicht van de auto.

Introduction

Een zonne-auto is een zonne-energie aangedreven voertuig gebruikt voor vervoer over land. De eerste zonnewagen werd in 1955 gepresenteerd: het was een kleine 15-inch model, samengesteld uit 12 selenium fotovoltaïsche cellen en een kleine elektrische motor1. Sinds die succesvolle demonstratie, hebben grote inspanningen geleverd wereldwijd te bewijzen van de haalbaarheid van zonne-energie-duurzame mobiliteit.

Het ontwerp van een voertuig op zonne-2 is ernstig beperkt door de hoeveelheid energie inbreng in de auto, die vrij in gewone omstandigheden beperkt is. Sommige prototypes zijn ontworpen voor openbaar gebruik, hoewel er geen auto’s voornamelijk door de zon aangedreven commercieel beschikbaar zijn. As a matter of fact, lijken zonne-auto’s verre van een gemeenschappelijk gebruik in het dagelijks leven gegeven hun huidige grenzen, vooral in termen van kosten, bereik en functionaliteit. Op hetzelfde moment, vertegenwoordigen ze een geldige proefbank voor de ontwikkeling van nieuwe methodologieën, op de niveaus van zowel ontwerp en fabricage, combineren technologie meestal gebruikt in geavanceerde industriesectoren, zoals de lucht-en ruimtevaart, alternatieve energie, en Automotive. Daarnaast, zijn de meeste zonne-auto’s gebouwd met het oog op zonne-energie autoraces, blazoned evenementen over de hele wereld, waarvan deelnemers hoofdzakelijk zijn universiteiten en onderzoekscentra die het onderzoek van optimale oplossingen voor elk technisch probleem zijn trots. In het bijzonder, hebben de organisatoren van de meest belangrijke wedstrijden (bijvoorbeeldde World Solar Challenge) aangenomen een strategie voor de ontwikkeling van de race-verordeningen die tot doel hebben om deze extreme voertuigen zo dicht mogelijk naar de meer traditionele vervoermiddelen. Specifiek, na vele jaren waarin de voertuigen waren eenzitters en ontworpen om te reizen van de route als snel mogelijk, de opkomende categorie kruiser voertuigen is onlangs geïntroduceerd en ontwikkeld voor de efficiënte vervoer van meer passagiers.

Voor deze voertuigen, zijn de technische eisen zelfs strenger geworden. In feite, niet alleen hebben ze te garanderen van de maximale energie-efficiëntie, maar ze moeten ook voldoen aan meer complexe technische voorwaarden gekoppeld aan verschillende functionaliteiten. Bijvoorbeeld, bemoeilijkt de mogelijkheid voor het vervoer van een groter aantal inzittenden het de veiligheid en de bestuurbaarheid concurrentievoorwaarden te waarborgen. Het streven is meer ingewikkeld als gevolg van het totale gewicht te verhogen en de noodzaak om in te voegen een veel grotere accu, terwijl interne ruimtes moeten worden verminderd, waardoor de positionering van de mechanica moeilijk gemaakt.

Een nieuwe ontwerpfilosofie moet worden aangepakt, met inbegrip van een verschillende visie op materiaalgebruik en productie. Ten eerste, materialen moeten worden geselecteerd op basis van de hoogste kracht-gewichtsverhouding en als direct gevolg, fiber carbon versterkte kunststof vormen een optimale oplossing. Bovendien moeten specifieke strategieën in het ontwerp worden uitgevoerd.

In dit artikel, zijn de procedures gebruikt om enkele van de belangrijkste structurele onderdelen van de zonne-voertuig, zoals het monocoque chassis, de schorsing, en zelfs een computationele crash test ontwerpen afgebeeld. Het uiteindelijke toepassingsgebied is om snel een zonne-voertuig met het zo weinig mogelijk gewicht, in een trade-off met aerodynamica en race regels.

Uiteraard, het zoeken naar de optimale materiaal in termen van de verhouding tussen verzet en gewicht wordt beperkt door de technologie in dienst, die de autoclaaf plinten van CFRP prepregs. Het doel van de geselecteerde methoden is de snelle vaststelling van de optimale materiaal keuze lgs typologie binnen een eindig aantal mogelijkheden als ten aanzien van lay-up. In feite, ontwerpen met samengestelde materialen impliceert de gelijktijdige keuze van geometrische eigenschappen van de secties, van het specifieke materiaal, en de geschikte technologie (dat in het voorgelegde geval hier, was vastbesloten een priori, zoals vaak gebeurt).

Diverse gerenommeerde interlokale performance competities voor zonne-elektrische voertuigen hebben plaatsgevonden wereldwijd in de afgelopen decennia, waarbij top-rank universiteiten en onderzoekscentra, die de belangrijkste bevordering van agenten voor de ontwikkeling van deze mobiliteit technologie. Het concurrentievermogen die wordt uitgevoerd op het gebied van dit onderzoek in alliantie met intellectuele eigendom grenzen is echter een ernstig beperkende factor voor het verspreiden van kennis hierover. Voor deze reden, het overzicht van de literatuur over de rekeningen van de design van de zonnewagen voor paar (en soms verouderde) verwijzingen, zelfs wanneer het hele onderzoek zijn gebaseerd op dit onderzoek3, die is waarom de realisatie van de werken zoals het heden worden aangemoedigd.

Onafhankelijk van welk aspect van het ontwerp van het voertuig wordt verbeterd, een gemeenschappelijke doelstelling is altijd gericht op: de verwezenlijking van meer energie-efficiëntie. Productieve wijzigingen in het ontwerp zijn niet altijd gebaseerd op geavanceerde technologieën, zoals zij kunnen alleen worden gebaseerd op mechanica zoals het verlagen van het zwaartepunt van het voertuig te verhogen de stabiliteit (die is vooral belangrijk voor wedstrijden gehouden in woestijn regio’s4 als gevolg van kant wind windstoten5) of vermindering van het gewicht van het voertuig onderdelen6-van die een 10% van de totale gewichtsreductie in elektrische voertuigen tot 13,7% in energiebesparing7kunnen afleiden. Grondige energie beheersstrategieën worden ook vaak gebruikt in race evenementen te verzekeren van de best mogelijke prestaties, waar de maximum snelheden van 130 km/h en interne heffingen die meer dan 800 km voor de laatste spannende kan worden verkregen in de cruiser-klasse auto’s8.

De studie van van het voertuig aërodynamica5,9,10 is belangrijk om te verzekeren weinig weerstand van de lucht en de gladheid tijdens het rijden, waar de belangrijkste aspecten worden gecontroleerd zijn een vermindering van de aanpassingscoëfficiënt vast die slepen moet Laat de auto te verplaatsen terwijl de uitgaven minder energie, en de lift coëfficiënt dat negatieve om te garanderen dat de auto veilig en stabiel is aangesloten op de grond, zelfs bij hogere snelheden moet worden gehouden.

Een andere belangrijke parameter worden ontworpen is het systeem inzake schorsing, die regelmatig voertuigen met het enige doel van het verstrekken van comfort, stabiliteit en veiligheid in het algemeen wordt toegepast, maar in zonne-auto’s moeten ook licht. Dit belangrijke aspect heeft onderzocht sinds 199911 in studies waarbij glasvezel bladveren en, meer recentelijk, met koolstofvezel12 die, wanneer gebruikt voor het vormen van de Draagarm links13, heeft bewezen te bieden niet alleen gewicht beperking, maar ook een verbeterde veiligheidsfactor. Hoewel double-wishbone schorsingen ongetwijfeld vaker in zonnewagens14 gebruikt zijn, beschouwt de huidige studie een transversale bladveer gebouwd met koolstofvezel, daarvoor is een eenvoudiger en lichter ophangsysteem met verlaagde onafgeveerde gewicht.

Voor de productie van het chassis, is de bouw van een structuur van de monocoque gemaakt van koolstofvezel gebleken dat het verlenen van een voordeel van de aanzienlijke prestaties, wordt een beperking van de onmisbare ontwerp voor de meest prominente bestaande4,8 ,15 zonnewagen teams. Het gebruik van koolstofvezel is essentieel voor de uitvoering van het voertuig, zodat de teams te bouwen waar elk van de constructiedelen (of verschillende onderdelen van dezelfde structuur, zoals in het chassis) een optimale hoeveelheid vezels gelaagde heeft in voertuigen berekend oriëntaties. Daarvoor, in dit werk, de materiaal eigenschappen zijn beoordeeld door gestandaardiseerd experimentele tests, zoals de drie-punt buigende en de test van de sterkte (ILS) interlaminar shear.

Om te verzekeren dimensionale stabiliteit tijdens de cyclus genezen, is de bouw in het algemeen gemaakt met vacuüm zakken en autoclaaf molding4 op koolstofvezel mallen die, op hun beurt aan juist volwitte high-density-schuim of aluminium patronen zijn gelamineerd. Het merendeel van de onderdelen wordt gevormd door sandwich structuren (d.w.z., met vezels op de huid en extreem licht-gewicht kern materialen die dienen om het attribuut het buigmoment verzet tegen de samengestelde die een extreem laag gewicht). Daarnaast, is koolstofvezel ook gunstig voor het aanbieden van hogere veiligheidsniveaus van de vibrationele tegen resonantie verschijnselen12.

Gericht op het certificeren van de veiligheid van de passagiers in crash gebeurtenissen, sprake crashtests meestal van tijdrovende en onrendabel, experimentele en destructieve tests met monster voertuigen. Een recente trend die enorme populariteit wint is computer-gesimuleerd crash testen, waar deze simulaties onderzoeken de veiligheid van de inzittenden van de auto tijdens verschillende soorten effecten (bijvoorbeeld, volledige frontale, offset frontale, zijdelingse impact, en rollover) . Gezien het belang van het uitvoeren van een crash-analyse op een wegvoertuig en de haalbaarheid van doen door middel van numerieke modellering, het huidige onderzoek is gericht op het identificeren van de meest kritieke gebieden van het zonne-voertuig, in termen van zowel maximale spanning en vervorming, zodat een hypothese van verbetering van de structuur.

De numerieke crash test op zonne-voertuigen hierbij uitgevoerd is ongekend. Gezien het ontbreken van de bibliografie over onderzoek en de specifieke regelingen voor de aanpak van deze innovatieve zonne-auto, een aanpassing dat rekening houdt met de gevolgen van het voertuig op een starre belemmering op de gemiddelde snelheid werd aangenomen. Daarvoor hebben de modellering van de geometrie van het voertuig en de simulatie (inclusief gaas grondwet en simulatie set-up) werd uitgevoerd op verschillende juiste software. Het gebruik van carbon fiber voor de constructie van het voertuig is ook gerechtvaardigd door de botsbestendigheid gedrag, dat is al aangetoond dat hoger zijn dan die van andere materialen, zoals glas fiber composites, op crashtests van elektrische voertuigen16.

Protocol

Opmerking: Het ontwerpproces van een voertuig op zonne-is een heel complexe taak, waarbij multidisciplinaire aspecten, dus het is niet mogelijk voor hen allemaal hier. Om de lezer te begeleiden, is de logische proces waarin de beschreven protocollen zijn ingesloten afgebeeld in Figuur 1. Figuur 1: ontwerp stroomschema. De interacties tussen de verschillende onderdelen van het ontwerpproces worden afgebeeld. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 1. lay-up van de belangrijkste chassisontwerp Het bepalen van de verdeling van de belasting in het slechtste geval. Vermenigvuldigt de passagiers en batterij pack massa distributies met de verticale versnelling van het ontwerp te verkrijgen van de belangrijkste ontwerp belasting. De positie van de zetels en de verschillende mogelijke batterij locaties te overwegen. Bereken de reacties op de bladveer gewrichten. Het voertuig wordt beschouwd als een gewoon ondersteunde een lichtbundel. Het bepalen van de schema’s van de buigende moment en schuintrekken. De maximale toelaatbare schuifspanning op het kernmateriaal vinden. De waarde kan worden gelezen in de kern technische fiche of gevonden door middel van experiment op geschikte monsters. In dit geval kan de delaminatie stress van de kern-lagen worden bepaald. Berekenen van de sandwich kern dikte op basis van de shear weerstand17,18 (waar is de breedte waarover de shear dwingen wordt toegepast en is de kern dikte). De kracht van de treksterkte en druksterkte van de beschikbare CFRP plies vinden. Hun waarde kan worden gevonden in de plies technische fiches. Bepalen experimenteel de buigende kracht van de sandwich composieten19. Bepalen experimenteel de ILS voor de mogelijke combinaties van materialen20,21. Rekening wordt gehouden met de verschillende onderdelen van het voertuig, waarvan de vorm is ontworpen in een trade-off tussen aërodynamische eisen en functionele behoeften.Opmerking: Er zijn drie kritieke secties in het chassis — degene met het hoogste buigmoment, en de twee uiteinden, waar het gebied drastisch beperkt is ten gevolge van de aanwezigheid van de wiel-ophangsystemen. Bovendien in deze twee verlaagde secties, moet de shear worden overgeheveld van de bladveer op het chassis. Maken van een veronderstelling over de lay-up in de drie secties beschouwd en in de verschillende delen van de secties, rekening houdend met de technologische minimum17 wordt ten minste 10% van de vezels in elke richting (0 ° [d.w.z., longitudinale], 90 ° [d.w.z., transversale], en ± 45 ° [d.w.z., diagonale]), de belangrijkste load handelen in het specifieke deel van de afdeling, dat het aantal lagen geheel getal is, en dat de dikte tot een minimum moet worden beperkt. Berekenen van de maximale treksterkte en druksterkte stress volgens de sandwich theorie17,18 en vergelijk deze met de toegestane degenen (waar is de breedte waarover het moment wordt toegepast en en de dikte van de kern en de lagen, zijn respectievelijk). Wijzig de lay-up, indien nodig, en ga terug naar stap 1.9. Maak een eindige elementen shell model in de software Abaqus en de lasten van de effect-equivalent voorgeschreven door de regelgeving22toe te passen. Maak het chassis in een CAD-modeler. Het chassis in de FEM-software als een shell of effen gedeelte importeren door op importeren te klikken | Deel. Als het wordt geïmporteerd als een solide, gebruiken de Geometrie bewerken om te transformeren in een deel van de shell. Definieer de eigenschappen van een enkele CFRP-ply als elastisch materiaal soort Lamina of Engineering-constanten zijn; Selecteer de elastische moduli en Poisson de verhoudingen van het materiaal. Merk op dat engineering constanten parameters nodig zijn om het gedrag van de uit-van-plane van de shell wordt geanalyseerd. Kies Hashin Schade criterium om een mislukking criterium voor de samengestelde lgs26. Maak een Samengestelde Layups sectie door het definiëren van de stapelvolgorde opeenvolging van het laminaat. Toewijzen elke lgs haar geaardheid en dikte in tabelvorm.Opmerking: De post uithardende dikte moet worden beschouwd voor het CFRP plies. De verdeling van de afzonderlijke elementen van het deel door Mesh zaadtoewijzen. Gebruik de Partitie gezicht tool en Bias zaad te verhogen van het aantal elementen in de kritische locaties. Kies de Quad gedomineerde shape van het element en de Shell -elementtype. Klik op verminderde integratie als de zandloper effecten in het model verwaarloosbaar zijn; Gebruik anders nonreduced integratie. Maak een exemplaar van het chassis in de vergadering module. Dit is degene die de ladingen en de randvoorwaarden zal worden toegepast. De analyseprocedure in de module stap definiëren als statische. Kies de settings van de solver. Selecteer Nlgeom: op te activeren niet-lineaire membranal gedrag. Toepassing ladingen die gelijkwaardig zijn aan degene die zijn voorgeschreven door de regelgeving aangezien lichaam dwingen op het chassis laadt. Toepassen van geconcentreerde krachten op de batterijen en de inzittenden posities om rekening te houden met hun lumped gewichten. Breng de BCs op het exemplaar. Het chassis beschouwen als een ondersteunde lichaam opgevolgd door de externe krachten, met vastgehouden BC op de bedwingt ‘ locaties. Definieer de uitgangen in de module Veld Output aanvragen . Selecteer domein: samengestelde layup om uit te pakken van de uitgangen op de elke lgs locatie in het laminaat. Maken van een baan en uitvoeren van de analyse. Controleer of de naleving van de resultaten van de regelgeving eisen22. In het geval dat zij niet wordt voldaan, ga terug naar stappen 1.9 en 1.12.4 en wijzigen van de volgorde van lamineren. Produceren een ply-boek vertalen van de afdeling-door-afdeling aanpak van de structurele ontwerper een ply-door-lgs aanpak die nodig is door de fabrikant. Speciale wijzigingen aanbrengen in de secties waar specifieke functionele eisen tot een vermindering van de dikte van de sandwich leiden. Vervaardiging van het chassis in een autoclaaf. Produceren met hoge dichtheid schuim patronen door precisie frezen. Garanderen een glad oppervlak met boete-korrelgrootteverdeling schuurpapier. Lagen van sealer toepassen en release agent op het schuim te verzekeren van de detachability van de mallen van koolstofvezel. Vervaardiging van de mallen door vooraf geïmpregneerd lage-katalyse-temperatuur koolstofvezel assembleren lagen en afdichten van elk onderdeel met vacuüm zak compressie voor een verdere autoclaaf genezen. Pools van het oppervlak van de geproduceerde mallen en toepassing sealer en agenten vrijgeven. Laminaat van de chassis onderdelen over de schimmel volgens het ply-boek en legt deze voor aan vacuümzak compressie en een autoclaaf genezen. 2. bladveer Design Figuur 2: laden van schema’s van de bladveer. Deze figuur toont de vastberadenheid van de shear en de buigende moment acteren op de bladveer. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Bepalen van de verdeling van de belasting langs de bladveer (Zie het buigen en schuintrekken diagram van Figuur 2). Evalueren van de maximumbelasting toegepast op de wielen van het voertuig in het slechtste geval (zie stap 1.1). Bereken de krachten van de reacties (maximale belasting ) op de bladveer hefboomwerkingen eindigt, gelet op de arm van de schorsing. De ondersteunende en laden van de punten van de bladveer op basis van de bevestigingspunten op het chassis van het voertuig en de schorsing degenen definiëren. Bepalen van de schema’s van buigen en shear, de bladveer modelleren als een vier-punts buigende groot licht met een gelijke maximumbelasting toegepast aan de uiteinden (‘ worst case ‘-scenario). Evalueren van de maximale waterverplaatsing van de bladveer eindigt overeenkomstig de schorsing geometrie en toegestane ruimte rondom het voertuig frame. Selecteer het materiaal met de hogere specifieke stam energie-opslag capaciteit, .Hier, is de toegestane stress, is de elasticiteitsmodulus, en is de dichtheid. Als het buigen is de dominante belasting van de bladveer (de shear belasting is één of twee ordes van grootte lager), houden de sterkte van de vermoeidheid van het materiaal zoals . Voor orthotropic composietmaterialen, kunt u overwegen de vermoeidheid buigen van sterkte van het FRP langs de belangrijkste richting (de richting van de vezel) als . Conceptueel ontwerp de bladveer vorm en lay-up, zijn specifieke energie opslag capaciteit te maximaliseren.Opmerking: De bladveer cross sectie moet worden gemodelleerd zodat de maximale toegestane stress staat langs alle de bladveer plaatsvindt. Alleen richten op het buigmoment diagram van Figuur 2. De shear lading is één of twee ordes van grootte lager. Op basis daarvan verdelen de bladveer in twee soorten sectoren: tussen de twee ondersteunt () en tussen de ondersteunt en de bladveer uiteinden (). Langs , houden de buigende belasting constant en op zijn maximum; dus houd ook de doorsnede constant. Langs , verhogen de buigende lading lineair vanaf het punt van de toepassing laden aan de steun; Vandaar, de doorsnede-hoogte moet voldoen aan de volgende vergelijking om te houden van de stress constant aan de buitenkant van de bladveer, langs alle haar lengte.Hier, is de afstand van het punt van toepassing van de maximale belasting en is de breedte van de doorsnede. De formule blijkt dat langs de reeks, de bladveer doorsnede hoogte met een parabolische profiel moeten worden verminderd. Echter omwille van proces praktijk bij de bladveer van de hoogte profiel met een lineaire benadering.Opmerking: Houd constante te vermijden vezels onderbreking tijdens het lamineren, die de kracht van de samengestelde laminas zal verminderen. Omdat buigen hoger dan de belasting schuintrekken is, kunt een sandwich structuur met een lineair taps toelopende kern van 0-90 weefsel FRP weerstaan schuintrekken ladingen en verlenen torsiestijfheid aan de bladveer en buitenste lagen van unidirectionele FRP georiënteerd met de bladveer hoofdas te vergelijken de buigende belasting. De buitenste lagen hebben een constante dikte te vermijden geometrische discontinuïteiten in de hogere gestresst zone. Verkrijgen van de treksterkte, druksterkte, buigsterkte, en schuifsterkte van de geselecteerde FRP materialen. Hun waarde kan worden gevonden in de technische informatiebladen of door middel van een test op basis van de ASTM-normen (voorkeur). De bladveer geometrische dimensies optimaliseren door middel van een analytisch model.Opmerking: De doelstellingsfunctie is ook het minimaliseren van de massa terwijl die voldoen aan de opgelegde beperkingen; Vandaar, houden een maximale belasting met een uitwijking die gelijk is aan en lager dan de materiaal-toegestane houden van de stress. Beperken de voorwaarde op de maximale uitwijking voor een opgegeven max belasting .Hier, is een kleine waarde ingevoegd omwille van de convergentie. Conceptueel, de bladveer is een sandwich met een kegelvormige kern in de regio. Berekenen van de uitwijking bij het laden , door middel van de Castigliano methode.Hier, en zijn de buigsterkte stijfheid van de bladveer langs en , respectievelijk.Hier, en zijn de elasticiteitsmodulus van de kern en de buitenste lagen, respectievelijk,de dikte van de buitenste laag, en is de dikte van de kern. De voorwaarde voor het buigen van stress beperken: (maximale UD vermoeidheid buigen van stress). Evalueren door middel van de Euler-Bernoulli-theorie.​ De voorwaarde op de maximale kern en de buitenste laag schuifspanningen beperken: (maximale kern vermoeidheid shear stress) (maximale kern vermoeidheid shear stress). Evalueren en door middel van de Euler-Bernoulli theorie24.​ Gebruik de bladveer massa als doelstellingsfunctie te minimaliseren.Opmerking: De geometrische parameters die kunnen worden gevarieerd zijn: , , en . Indien toegestaan door het ontwerp van de bevestigingspunten op het frame, en kan ook worden beschouwd als variabelen, als de volgende beperken wordt nageleefd: Het probleem oplossen iteratief of door middel van optimalisatie algoritmen, die gevonden kunnen worden geïntegreerd in verschillende numerieke computing software programma’s. Uitvoeren van een FE-simulatie van de geoptimaliseerde bladveer in Ansys samengestelde Pre/Post (ACS). Het doel is om te evalueren van de concentratie van de stress en de uit-van-plane ladingen. Tekenen, als een oppervlak, de CAD geometrie van slechts een kwart van de bladveer, met het oppervlak verdeeld in correspondentie met de steun punt en lay-up variaties. Maak een nieuw project van de simulatie in de ANSYS Workbench. Selecteer ACS (Pre) (in het menu van de Toolbox ) door deze te slepen naar de werkruimte. Materiële eigenschappen definiëren door te klikken op Technische gegevens. Selecteer Engineering gegevensbronnen en de invoer uit de composietmaterialen map carbon UD en geweven prepregs standaard materiaaleigenschappen, door te dubbelklikken op hen. Update de materiële constanten in de drie belangrijkste richtingen met degene die beschikbaar is op het materiaal veiligheidsinformatieblad of experimentele resultaten verkregen. Importeer de geometrie terwijl de koppeling met de CAD door rechts te klikken op geometrie en vervolgens op importeren geometrie. Importeren in de oorspronkelijke CAD-indeling. Dubbelklik op Model. Het toewijzen van een willekeurige oppervlakte dikte. De verschillende layup zones definiëren met behulp van de functie Met de naam selectie (Klik met de rechtermuisknop op het Model en vervolgens op Invoegen). De standaard Maas genereren door rechts te klikken op Mesh en vervolgens op genereren mesh. Open in Workbench, ACS-Pre door te dubbelklikken op Setup. De plies eigenschappen definiëren in het menu Materiaal gegevensomslag. Selecteer Stof maken door met de rechtermuisknop op stoffen; vervolgens definiëren van het materiaal en de prepreg diktetoewijzen. Selecteer Maak Sub laminaten door rechts te klikken op Sub laminaten en de sub laminaat stapelen reeks definiëren. Het lokale coördinatenstelsel van element definiëren in de omslag van het menu van de rozetten volgens de hoofdrichting van het lamineren proces (belangrijkste bladveer as). De lokale coördinaten van de FEM-elementen in de map menu Gerichte selectie Set oriënteren door te definiëren voor elk Element ingesteld (eerder gedefinieerd in stap 2.7.5) een willekeurige oorsprong punt en de rozetten ingesteld in stap punt 2.7.8. Definieer de layup gebaseerd op de resultaten die zijn verkregen tijdens de optimalisatie van stap 2.7. Klik met de rechtermuisknop op Groepen Modeling en selecteer maken Ply. Definieer de Gerichte selectie Set, de Ply materiaalen het Nummer van de lagen. Herhaal dit voor elke herhalende groep van plies.Opmerking: Volg de dezelfde stapelvolgorde van het lamineren proces. Workbench, Sleep Static structurele analyse (in het menu van de Toolbox ) naar de werkruimte. Vervolgens Sleep ACS (Pre) \Setup op statische structural\Model en selecteer massief composiet gegevensoverdracht. Dubbelklik op de statische Structural\Setup. De symmetrie van toepassing en beperken van de voorwaarde van de grens. Klik met de rechtermuisknop op Statische structurele en selecteer Insert\Displacement. Selecteer de rand of het oppervlak van de meetkunde en de verplaatsing ingesteld op 0 voor de juiste richting van de Component . Toepassing van de geldende volgens dezelfde procedure voor stap 2.7.12. Het oplossen van de FEM-model als lineair elastisch door te klikken op oplossen. Evalueren van de maximale waterverplaatsing ) van de bladveer door rechts te klikken op oplossing en selecteren Insert\Deformation\Directional. Als het is laag, teruggaan naar stap 2.7.10 en toename van het aantal de buitenste lagen van de UD; Als het hoger is, verminderen. Sleep in Workbench, ACS (Post) (in de Toolbox) op de ACS (Pre) \Mode. Sleep vervolgens Static\Structural oplossing op ACS (Post) \Results. Dubbelklik op ACS-(Post) \Results. Klik met de rechtermuisknop op de map van de definitie -menu en selecteer als mislukking criteria Hashin 3D. Klik met de rechtermuisknop op de map van het menu oplossingen en selecteer Maken falen…. Selecteer Hashin en controleer Toon op vaste stoffen. Controleer als de criteria voor mislukking altijd onder één zijn. Als zij niet, ga terug naar stap 2.7.7 en het aantal lagen in de zone die is geïdentificeerd als kritisch, kunt u ze desgewenst verhogen. De lgs boek schrijven. Het testen van een geschaalde model van de ontworpen bladveer. Ontwerp, door middel van de analytische model van stap 2.7, een 1/5-tot 1/10-scaled bladveer, afstemming van de buitenste lagen en de dikte van de kern te hebben van de verhouding tussen buigen en schuintrekken benadrukken van de reële component en een soortgelijke kromming voor de maximale belasting. Laminaat de geschaalde bladveer. Testen met een gewone vier-punts buigende test meubilair. De maximale belasting en verplaatsing en de foutmodus analyseren. Optimaliseren van het ontwerp van de bladveer op basis van de conclusies van de experimentele test. Vervaardiging van de geoptimaliseerde bladveer. 3. full-frontale Crash Test simulatie Figuur 3: Cruiser geometrie. Deze afbeelding ziet u de algemene vorm en de afmetingen van het voertuig. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Trekken de geometrie van het voertuig (Figuur 3). Maak en de naam van een nieuw project van het deel in de CAD-modeling software. Model vaste delen met behulp van de middelen diepte, contact draaien, Swepten Loft om ervoor te zorgen volledige tussen verschillende auto-onderdelen (zoals chassis, zetels, en een rolkooi). Wanneer nodig, klik op het tabblad oppervlak, Referentie geometrieen vliegtuig naar tekenen van een referentievlak. Herhaal stap 3.1.2 totdat de geometrie is voorzien van een monocoque, deuren, roll cage, zetels, batterij, wielen, banden, wiel hubs, schorsing wapens, bladveer, besturing systeem en stijve solid blok (2 x 2 m). Misbruik maken van de bilaterale symmetrie te optimaliseren van berekeningen en gebruik een half-auto model. Onder het tabblad hulpprogramma’s Klik op Symmetrie controleren en selecteer de opdracht Automatische symmetrie splitsen . Klik vervolgens op van de kant van het lichaam dat zal worden gehouden en bevestigen door te klikken op SplitPart. De solid instanties converteren oppervlakken: Selecteer de gezichten aan de dikte van de organen gerelateerde en klik op het tabblad oppervlakken en vervolgens op Verwijderen gezicht. Klik op Opslaan als en selecteer de STP -indeling. Instellen en uitvoeren van de simulatie. Maak en de naam van een Nieuw Project in de software van de simulatie ANSYS Workbench eindige elementen. Sleep vanuit de Toolbox – analysesystemen naar de Project schematisch een Expliciete Dynamic window. Dubbelklik in de Technische gegevens en toevoegen van nieuwe materialen, hun noodzakelijke eigenschappen van de boom van de werkset te slepen en het invoegen van de in afdeling 1 van dit protocol, dienovereenkomstig naamgeving van elk materiaal verkregen waarden. Klik met de rechtermuisknop op geometrie te importeren geometrie. Klik op Bladeren en selecteer het STP-bestand gegenereerd in stap 3.1.6. Dubbelklik op Model onder Expliciete dynamische te openen van de omgeving van het webobjectmodel . Eenmaal binnen de omgeving van het webobjectmodel , klik met de rechtermuisknop op geometrie Punt massa voor 3D-elementen invoegen of in Laag sectie voor 2D-elementen definiëren geconcentreerde massa’s of de samengestelde layup, respectievelijk. Voor elk onderdeel onder geometrie, moeten de juiste materiaal en de dikte van de oppervlakken worden toegewezen onder de Detail-materialen. Klik met de rechtermuisknop op het Model te voegen symmetrie – symmetrie regio. De YZ symmetrie vliegtuig definieert juiste geometrische symmetrie in termen van het toekomstige resultaten geven goede randvoorwaarden. Voor het correct instellen van verbindingen, verwijder alle automatische verbindingen en laat alleen Lichaam interacties, gedefinieerd als wrijvingsloos. Onder de details van de Mesh Expliciete methode (Figuur 4), de elementen midside knooppunten drop en instellen van de grootte van de functie op kromming met Medium relevante Center. Instellen van de maximale grootte van het Element tot 30 mm met een minimum van 6 mm. Stel de Nummer van CPU’s voor parallelle behandeling onder het tabblad Geavanceerd van het Mesh gedeelte. Stel de snelheid als eerste voorwaarde onder de boom van de Initiële voorwaarden op grond van de Expliciete Dynamics -tabblad. De randvoorwaarden van de beperking instellen door met de rechtermuisknop op het tabblad Expliciete Dynamics , selecteren Invoegenen plukken Vaste steun aan het definiëren van het stijve blok en Vaste verplaatsing om te voorkomen dat het wiel beweegt op de z-as. Onder Instellingen, instellen van controles op het gebied van de Eindtijd (naar 0.3 s) en Maximale getal van cycli (2,5 x 105), de nodige ingangen om snelheid, en de kinetische energie (gelijk aan nul) te verkrijgen. Onder oplossing, klik met de rechtermuisknop op Oplossing informatie invoegen kinetische – totale – interne energiemarkt voor het bijhouden van deze resultaten. Aan de andere kant, onder Oplossing informatiekan Oplossing Output worden bijgehouden op het gebied van Energie samenvatting, Tijdsintervalen Energiebesparing. Klik op oplossen en analyseren van de resultaten-resultaten in termen van totale vervorming, Stress, spanning, totaal, interne en kinetische energie en versnelling. Figuur 4: Mesh van de eindige elementen toegepast op de helft-voertuigmodel. Deze afbeelding laat de discretisatie van het model, gedaan van de helft van het voertuig als gevolg van symmetrie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Representative Results

Lay-up aan de belangrijkste Chassis: Het eindresultaat van het protocol is de opeenvolging van de blaadjes, ook wel genoemd het ply-boek. Echter, terwijl de belasting distributies en de diagrammen van de buigende moment en schuintrekken kracht kunnen worden bepaald door eenvoudige mechanica van vaste lichamen overwegingen, een kernpunt van het protocol is de evaluatie van de feitelijke materiaaleigenschappen. In feite, zelfs als veel van de hoeveelheden die nodig zijn door de structurele ontwerper kan worden gevonden in de materiële data sheet, kunnen de fase van de productie en de interactie met andere materialen wijzigen de mechanische reactie van de grondstoffen. In deze sectie staan de experimentele opstelling voor de drie-punt buigen en de ILS-tests (Zie Figuur 5). Vanuit deze tests is het mogelijk om te evalueren van de buigende kracht van de sandwich laminas en vindt u een ondergrens voor de schuifweerstand van de kern van Nomex; representatieve stress-verplaatsing krommen zijn in Figuur 6 afgebeelde voor twee verschillende oriëntaties van een geweven laminaat. Bovendien, de ILS is cruciaal voor het bepalen van de weerstand tegen delaminatie in de randen van het chassis, waar de sandwich wordt een laminaat. Figuur 5: mechanische testen. Deze panelen tonen mechanische tests van (A) de drie-punt buigen en (B) de ILS. Vorm van het model en de belastingstoestanden worden weergegeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6: typisch resultaat van drie-punt buigende tests. Deze panelen Showresultaten typisch van een drie-punt buigende test voor (A) [0/90]n lagen en (B) [± 45]n plies. Benadrukt berekend op basis van de belasting worden gemeten door de cel van de lading en de verplaatsing wordt gemeten door de transducer ingebed in de testen machine. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. In Figuur 7staan de blaadjes sequenties, per sector over de chassis-mal, gedefinieerd. De gedetailleerde specificatie van de sequenties lamineren is vermeld in tabel 1. De tabel is onderverdeeld in de drie fasen van de autoclaaf genezen proces die worden gedaan in de juiste volgorde, vanaf de ultraperifere lamina, dan de kern van Nomex en de lijmen, en ten slotte de innerlijke lamina. Figuur 7: resultaat van het ontwerpproces. Elk gebied wordt gekenmerkt door een verschillende lay-up. De nummers en de kleuren definiëren van de verschillende regio’s waarin de structuur van het chassis is verdeeld, Zie tabel 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Fase 1 p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C SEQ. Sector Hoek n ° Materiaal P 1.1 Global + 45 ° 1 Satijn T800 P 1.2 (reinf) 1 0° 1 UNI M46J 2 90° 1 UNI M46J 3 + 45 ° 1 UNI M46J 1b 0° 1 UNI M46J P 1.3 (reinf) D 0° 2 UNI M46J C -45 ° 1 UNI M46J C + 45 ° 1 UNI M46J A, B, C, D -45 ° 1 UNI M46J A, B, C, D + 45 ° 1 UNI M46J P 1.4 (reinf) B 0° 2 UNI M46J A, D, C 90° 1 UNI M46J A, D 90° 2 UNI M46J P 1.5 (reinf) D 0° 1 Satijn T800 D 90° 3 UNI M46J D 0° 1 Satijn T800 D 0° 3 UNI M46J P 1.6 Global 0° 1 Satijn T800 Fase 2 p = 1,5 bar; t = 2 h; T = 1110 ° C P 2.1 Global / 1 Zelfklevende film P 2.2 1, 2, 3 / 1 Nomex 14 mm. 32Kg/m ^ 2 P 2.3 1b, D, 0 / 1 Nomex 9 mm. 32Kg/m ^ 2 P 2.4 Global / 1 Zelfklevende film Fase 3 p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C P 3.1 Global 0° 1 Satijn T800 P 3.2 (reinf) D 0° 3 UNI M46J D 0° 1 Satijn T800 D 90° 3 UNI M46J D 0° 1 Satijn T800 P 3.3 (reinf) A, D 90° 2 UNI M46J A, D, C 90° 1 UNI M46J B 0° 2 UNI M46J P-3.4 (reinf) A, B, C, D + 45 ° 1 UNI M46J A, B, C, D -45 ° 1 UNI M46J C + 45 ° 1 UNI M46J C -45 ° 1 UNI M46J D 0° 2 UNI M46J P 3.5 1b 0° UNI M46J 3 -45 ° 1 UNI M46J 2 90° 1 UNI M46J 1 0° 1 UNI M46J P 3.6 Global + 45 ° 1 Satijn T800 Tabel 1: lamineren opeenvolging van het chassis. Deze tabel toont de specificatie van de lay-up voor de verschillende gebieden van het chassis, gedefinieerd in Figuur 7. Het is verdeeld in drie verschillende lamineren fasen die worden gedaan in de juiste volgorde. Nadat de structuur van het chassis is vastgesteld, een titanium rolkooi is toegevoegd, afhankelijk van de race regels20, en specifieke numerieke tests worden uitgevoerd om te controleren of de weerstand van het voertuig als geheel en, vooral, het ontbreken van inmenging van nonstructural delen naar de inzittenden. In Figuur 8, de richtingen van de effect-equivalent statische ladingen worden weergegeven en in Figuur 9 de overeenkomstige verplaatsing toewijzingen kunnen worden geëvalueerd. In deze fase wordt alleen een schematische geometrie gebruikt voor de berekening, terwijl de volledige geometrie wordt gebruikt voor de uiteindelijke verificatie van de crash test. Figuur 8: Crash-equivalent statische belasting richtingen. Volgens de verordeningen, wordt de constructie van het voertuig geladen door een statische kracht gelijk aan 6 g tijden de totale massa in de richtingen zoals aangegeven in de afbeelding. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 9: kaart van de berekende verplaatsingen. Deze figuur toont een voorbeeld van de verplaatsingen berekend in de gevallen omschreven in Figuur 8. De verplaatsing moet lager zijn dan 25 mm in elke regio in de nabijheid van de bewoners. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Bladveer: Het resultaat van het protocol is het optimaliseren van een samengestelde dwarse bladveer met anti-roll vermogen. Het ontwerp heeft om verschillende specifieke eisen te voldoen: een stress onder het materiaal-toegestane voor maximale belasting, een specifieke stijfheid en een minimaal gewicht. Om te voldoen aan al deze vereisten voldoen, wordt een analytische optimalisatiemodel gepresenteerd. Dankzij het model is het mogelijk om snel de optimale geometrie en de conceptuele lay-up. De nauwkeurigheid van het model is geverifieerd door de eindige elementenmethode en een experimentele test op een 1/5-scaled bladveer. De geschaalde bladveer is dubbel-ondersteund in het midden (die omvat 100 mm) en aan de uiteinden die overeenkomt met de gaten (die omvatten 190 mm) geladen met 1.000 N voor elke zijde. De geoptimaliseerde geometrie en ply-boek van de bladveer worden gemeld in de Figuur 10 en tabel 2, respectievelijk. Figuur 10: geoptimaliseerde steekproef van de geometrie van de bladveer. Deze afbeelding ziet u de geometrie van de geschaalde bladveer die wordt getest om de breuk voor het valideren van het numeriek model. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Autoclaaf genezen p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C SEQ. Sector Hoek n ° Dikte Materiaal mm 10 eindigt 10 eindigt 0° 1 0.23 TW T300 200g/m ^ 2 Alle 200 Alle 200 0° # 1 UD T1000 100gm/m ^ 2 Centrale 125 Centrale 125 0° 1 0.23 TW T300 200g/m ^ 2 Centrale 175 Centrale 175 0° 1 0.23 TW T300 200g/m ^ 2 Alle 200 Alle 200 0° 1 0.23 TW T300 200g/m ^ 2 Centrale 175 Centrale 175 0° 1 0.23 TW T300 200g/m ^ 2 Centrale 125 Centrale 125 0° 1 0.23 TW T300 200g/m ^ 2 Alle 200 Alle 200 0° # 1 UD T1000 100gm/m ^ 2 10 eindigt 10 eindigt 0° 1 0.23 TW T300 200g/m ^ 2 Tabel 2: lamineren opeenvolging van de bladveer. Deze tabel toont de specificatie van de lay-up voor de verschillende gebieden van de bladveer. Volgens het analytisch model, moet de bladveer hebben een maximale waterverplaatsing van 12,2 mm en buigen van de stress van 970 MPa, constante tussen de twee centrale ondersteunt maximaal ontwikkelen. Eindige elementen analyse zoals beschreven in stap 2.7 van het protocol werd uitgevoerd en de resultaten worden weergegeven in Figuur 11. De spanning in de hoofdrichting aan de buitenkant van de bladveer langs de hoofdas wordt uitgezet in de grafiek. Het is vrijwel constant en tussen de span en gelijk aan 922 MPa en vervolgens lineair vermindert naar de punt van de toepassing laden. Ondanks wordt ver beneden de maximale compressie spanning van het materiaal (1.450 MPa), de 3D-Hashin mislukking criterium getekend in Figuur 10 toont een zone met een mislukking index meer dan 1, die wordt veroorzaakt door vezels storing (rood gemarkeerd) en is geassocieerd met een abrupte verandering van geometrie voor de externe UD ply lagen, veroorzaakt door de onderbreking van de kern. Al die tijd, is de verplaatsing berekend door FEM op het punt van de toepassing laden 12,8 mm. Figuur 11: numerieke simulatie buigen op het model van de eindige elementen bladveer. Deze figuur toont de resultaten van de FEM-simulatie op de geschaalde bladveer in termen van de Hashin mislukking index en maximale belangrijkste stress. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Om na te gaan van de betrouwbaarheid van de analytische en numerieke modellen, zoals voorgesteld door de procedure, moet de geschaalde bladveer experimenteel worden getest. De resultaten gemeld in de grafiek van Figuur 12, toont een maximale belasting voor breuk van 1980 N (990 N voor elke zijde), met een maximale cilinderinhoud van 15,1 mm. Dus, in termen van maximale waterverplaatsing, de analytische en numerieke model onderschatten door -19% en -15%, respectievelijk. Interessant is dat de mislukking modus en schade locatie waargenomen op het geteste model (Figuur 11) overeen met de resultaten van het numeriek model. Figuur 12: vier-punt buigen experimentele test op een schaal model van de bladveer. Deze figuur toont de test set-up en lading-verplaatsing curve voor de geschaalde bladveer. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Crash Test: Eindige elementen analyse kan realistische resultaten ter ondersteuning van ingenieurs in de gedrag van het voertuig onder verschillende crash scenario’s te begrijpen. In plaats van real-life omstandigheden uitvoert, is het tijd-efficiënter en kosteneffectiever te simuleren auto crasht met commerciële software zoals ANSYS. De huidige resultaten zijn een voorbeeld van hoe deze simulaties aan de automotive engineering Gemeenschap bijdragen kunnen. De discretized eindige elementen-model van de auto presenteerde een aantal elementen en knooppunten van 79950 en 79822, respectievelijk. Als een eerste voorwaarde, hechtte een botssnelheid van 60 km/h, waar de kinetische energie van het voertuig daalde in ongeveer 0.3 s (Figuur 13) wordt omgezet in contact en interne energiemarkt binnen de structuur van de auto. Figuur 13: Crash test energie grafieken. Deze panelen tonen de crash test energie grafieken van kinetische energie van (A) en (B) interne energiemarkt. De grafieken portretteren typische energie stromen tijdens een crashgebeurtenis. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Van de kaart van de stress voorbeeld in Figuur 14 bis, kan de status van de integriteit van het voertuig worden beoordeeld. Dit is van het allergrootste belang om te bepalen van de mogelijke schade aan de veiligheid van de passagiers, want het zou in het geval van een potentieel losgedraaide rolbeugel kooi, detachement van zitplaatsen, of zelfs een verplaatsing van de bedieningsinrichting bar naar de bestuurder. De meest prominente verplaatsingen in het geval dat is afgebeeld in figuur 14B bestaan binnen het bereik van 95 mm, en optreden zowel aan de voorkant van de auto, als gevolg van de schok, en in de roll cage balken die zijn gekoppeld aan de stoelen. Figuur 14: typische contouren van maximale equivalent stress en maximale waterverplaatsing tijdens een frontale crash test Deze panelen tonen (A) het equivalent stress en (B) de verplaatsing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

Uit tabel 1is het mogelijk om op te merken dat de één laminas niet symmetrisch, zijn terwijl de hele sandwich is. Dit is te wijten aan de noodzaak van beide het minste aantal lagen, de technologische minimum en de gewenste mechanische eigenschappen.

Aan de ene kant, de sectie gemarkeerd als 1/1b, 2, 3 in Figuur 7 is verantwoordelijk voor de algemene mechanische eigenschappen, wordt de richting van de versterking van de hoge sterkte unidirectionele ply het belangrijkste verschil tussen hen. Aan de andere kant, de gedeelten gemarkeerd als A, B, C en D worden gewijzigd om rekening te houden met de geconcentreerde belasting van de veersystemen en de passagier zetels, als gevolg van de aanwezigheid van de bladveren.

Het model van de eindige elementen gebruikt bij de analyse van de samengestelde chassis is gebaseerd op een shell-topologie. Shell elementen zijn een geschikte optie voor het weergeven van composiet structuren, aangezien zij neigen te vangen de buigstijfheid van dunwandige organen met aanzienlijk eenvoudiger mazen dan vaste elementen. Aan de andere kant, moet toevlucht te nemen tot continuüm shell of vaste elementen worden overwogen bij modellering dikke sandwich structuren of gebieden met steile stress verlopen; een vergelijkende discussie over shell en continuüm shell elementen wordt geleverd met24,25.

Het voornaamste doel van de statische analyse is gecontroleerd dat de stijfheid en sterkte van de structuur aan de eisen voldoen. Stijfheid vereisten worden afgedwongen rechtstreeks door ervoor te zorgen dat de vervorming van het voertuig onder belasting telkens binnen de grenzen van de regelgeving (dat wil zeggen, geen enkel deel van het voertuig doordringt de bewoners kamer). Beoordeling van de structuur van kracht is gebaseerd op de evaluatie van de Hashin schade26 van de samengestelde lagen; Hashin de parameters moet namelijk strikt kleiner is dan 1. Verschillende schadelijke modi bijdragen aan mondiale mislukking van de samengestelde laminaat, het gebruik van cumulatieve schade criteria (b.v.de Hashin) wordt aanbevolen; maximale stress criteria zou geschikt voor metalen onderdelen.

De literatuur verschillende oplossingen heeft voorgesteld voor de optimalisatie van het ontwerp van lichtgewicht composiet bladveren, maar de meeste van hen sluit alleen een enkele montage27,28 (geen antiroll vermogen) of zijn alleen geschikt voor infusie schimmel technologie (dubbel-tapered)29. Het ontwerp van de bladveer hier gepresenteerd is gebonden a priori door de prepreg lamineren proces, dat niet een dubbele-tapered ontwerpoplossing toe maar staat garant voor hoge materiële sterkte en betrouwbaarheid.

Het innovatieve aspect van de bladveer is de functionele integratie van twee componenten in één (de lente en de antiroll bar) en het belangrijkste voordeel is de vermindering van de massa. Bovendien, dankzij het voorgestelde analytisch model is het mogelijk om verder verminderen van de massa en de optimale geometrie krijgen snel voor het instellen van de maximale belasting en verplaatsing.

De lokale spanningen en de uit-van-plane degenen, die niet kan worden gewaardeerd door de analytische model, worden geëvalueerd door de eindige elementenmethode en de bladveer samengestelde enkele lagen zijn gemodelleerd met baksteen elementen. Deze oplossing is computationeel zwaarder dan het gebruik van schelpen maar toelaat, in combinatie met Hashin, 3D-mislukking criteria te voorspellen delaminatie veroorzaakt door uit-van-plane ladingen, dat een cruciaal aspect van het ontwerp van de bladveer is. Tot slot, de analytische en numerieke modellen voor het ontwerp van de bladveer zijn gevalideerd door een experimentele proef op een geschaalde bladveer.

Met betrekking tot de crash-test, de relatief verhoogde verplaatsing van de rolkooi, hoewel het niet een kwestie van bezorgdheid, vertegenwoordigt wordt vooral toegeschreven aan de lay-out van de voorste balk. De noncurved vorm en de acute manier waarin het wordt geplaatst, met geen bochten en op een scherpe hoek met de botsrichting, is verantwoordelijk voor het overbrengen van het merendeel van de energie die door het chassis aan de rolkooi, die een duidelijke structurele doelstelling heeft moet worden geabsorbeerd . Om deze reden wordt de rolcontainer geduwd aan de achterkant van het voertuig, een verhoogde stress veroorzaken op de gebieden van de bijlage aan de stoelen. Het is belangrijk op te merken dat, ondanks alle veiligheid functies die kunnen mogelijk worden verbeterd, de minimale vervorming van de monocoque en het feit dat geen onderdelen doorgedrongen/geperforeerd anderen duidelijk maken dat het ontwerp van het voertuig wordt beschouwd als veilig met betrekking tot haar botsbestendigheid.

Het structurele ontwerp van het voertuig als geheel is derhalve zijn geoptimaliseerd op het gebied van materiaalgebruik, waar de uitgebreide berekening toonde in het protocol is essentieel voor het ontwerp van een monocoque en voor de bladveren die op maat gemaakt werden om te worden licht en een verbeterde mechanische prestaties. Bovendien, door een numerieke crash test simulatie, constructie van het voertuig blijk gegeven dat is het kundig voor met succes het momentum afgeleid door een invloed van de volledig-frontale overweegt de gemiddelde snelheid van de auto op haar optimale energetische efficiëntie te weerstaan.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen alle leden van de Onda Solare sportvereniging (www.ondasolare.com) bedanken voor hun essentiële steun en Marko Lukovic die de esthetische ontwerper van de kruiser was. Deze onderzoeksactiviteiten werd gerealiseerd met financiële steun van de Europese Unie en van de regio Emilia-Romagna binnen de POR-FESR 2014-2020, as 1, onderzoek en innovatie.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. . . Popular Mechanics Magazine. 104 (3), (1955).
  2. Thacher, E. F. . A Solar Car Primer, A Guide to the Design and Construction of Solar-Powered Racing Vehicles. , (2015).
  3. 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).
  4. Tamura, S. Teijin advanced carbon fiber technology used to build solar car for world solar challenge. Reinforced Plastics. 60, 160-163 (2016).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Sancraktar, E., Gratton, M. Design, analysis, and optimization of composite leaf springs for light vehicle applications. Composite Structure. 44, 195-204 (1999).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Mathijsen, D. Redefining the motor car. Reinforced Plastics. 60, 154-159 (2016).
  16. 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).
  17. Gay, D. . Composite Materials: Design and Applications. , (2014).
  18. Poodts, E., Panciroli, R., Minak, G. Design rules for composite sandwich wakeboards. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 628-638 (2013).
  19. . . ASTM D7264. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , (2015).
  20. . . ASTM D2344. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. , (2015).
  21. Rondina, F., et al. Development of full carbon wheels for sport cars with high-volume technology. Composite Structures. 192, 368-378 (2018).
  22. 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).
  23. Zenkert, D. An Introduction to Sandwich Construction. Engineering Materials Advisory Services Ltd. , (1995).
  24. Barbero, E. J. . Finite Element Analysis of Composite Materials Using AbaqusTM. , (2013).
  25. Hashin, Z. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. Journal of Applied Mechanics. 47 (2), 329-334 (1980).
  26. Yu, W. J., Kim, H. C. Double Tapered FRP Beam for Automotive Suspension Leaf Spring. Composite Structures. 9, 279-300 (1988).
  27. Shokrieh, M. M., Rezaei, D. Analysis and optimization of composite leaf spring. Composite Structures. 60, 317-325 (2003).
  28. . Composite leaf springs: Saving weight in production Available from: https://www.compositesworld.com/articles/composite-leaf-springs-saving-weight-in-production-suspension-systems (2014)

Tags

Solar VehicleCruiser ClassStructural DesignManufacturingCarbon Fiber-reinforced PlasticChassis DesignFinite Element ModelingComposite LayupsMesh GenerationStatic Analysis

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Minak, G., Brugo, T. M., Fragassa, C., Pavlovic, A., de Camargo, F. V., Zavatta, N. Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle. J. Vis. Exp. (143), e58525, doi:10.3791/58525 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image