巡洋艦の構造設計・製作クラスのソーラーカー

注: 太陽車の設計過程は非常に複雑なタスクは、学際的な側面を含むので、それらをすべてここにカバーすることが可能です。読者を導くために記述されていたプロトコルが埋め込まれている論理的なプロセスは図 1に示します。 図 1: 設計フローチャート。デザイン プロセスのさまざまな部分間の相互作用が描かれています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 1. 主なシャシー設計のレイアップ 最悪のシナリオで負荷分散を決定します。 乗客のと電池パックの質量分布を設計の主要な設計の負荷を取得する垂直加速度を掛けます。 席とさまざまな可能なバッテリの場所の位置を検討します。 リーフ スプリングの接合部の反応を計算します。車両は、単にサポートされている、-梁としてと見なされます。 曲げモーメントとせん断の図を確認します。 芯材の最大許容せん断応力度を見つけます。その値は、コア技術シートの読み取りまたは適切な標本を実験により発見したできます。この場合、コア層のはく離応力を決定することができます。 せん断抵抗17,18サンドイッチ コア厚を算出 (、断力をこれ以上幅は、が適用されるとコア厚さ)。 利用可能な CFRP 層の引張・圧縮強度を見つけます。その値は、plies のテクニカル シートで見つけることが。 実験19サンドイッチ複合体の曲げ強さを決定します。 実験材料20,21の可能な組み合わせの ILS を決定します。 空力の要件と機能のニーズのトレードオフでデザインされた形状を持つ車両のさまざまなセクションを考慮に入れます。注: シャーシに 3 つの重要なセクションがある-最高の曲げモーメントと地域はホイール サスペンション システムの存在のために激減、2 つの端の 1 つ。さらに、これら 2 つの減らされたセクションでせん断する必要がありますに転送するリーフ スプリングからシャーシ。 17技術の最小値である (0 ° [すなわち、縦]、各方向に繊維の少なくとも 10% を考慮、セクションのさまざまな部分と考え 3 つのセクションで、レイアップについて仮定を行います90 ° [すなわち、横]、± 45 ° [すなわち、斜め])、最も重要な荷重」のセクションの特定の部分のプライ数が整数であると厚みを最小限に抑える必要がありますが。 サンドイッチ理論17,18によると最大引張・圧縮応力を計算し、許容のものにそれらを比較 (、幅を超えている瞬間が適用されるとと厚さのあるコア ・ プライズは、それぞれ)。 1.9 のステップに戻るし、必要なら、レイアップを変更します。 ソフトウェア Abaqus でシェルの有限要素モデルを行い、22の規則で定める相当衝撃荷重を適用します。 CAD モデラでシャーシを作成します。 シェルまたはソリッド部品として有限要素法ソフトウェアのシャーシをインポートをクリックしてインポート |一部です。固体としてインポートすると、シェル部分に変換するのにジオメトリの編集ツールを使用します。 板または工学定数; 型の弾性材料として CFRP の単層のプロパティを定義します。弾性率と材料のポアソン比を選択します。場合は、シェルの面外挙動の分析工学定数パラメーターが必要であるに注意してください。Hashin 損傷基準26複合破壊基準を実装するを選択します。 積層物の積層順序を定義することによって複合レイアップのセクションを作成します。向きや表形式で厚さ各層を割り当てます。注: CFRP 層のため、硬化後の膜厚を考慮されなければなりません。 メッシュの種子による一部の個別データ要素の分布を割り当てます。パーティション顔ツールとバイアスのシードを使用して、重要な場所にある要素の数を増やします。クワッド支配要素形状とシェル要素タイプを選択します。モデルの砂時計効果は僅かがある; 場合削減統合をクリックします。そうでなければ、ケトの統合を使用します。 アセンブリモジュールのシャーシのインスタンスを作成します。これは荷重と境界条件を適用するものです。 ステップモジュールで静的解析の手順を定義します。ソルバーの設定を選択します。Nlgeomを選択: 上非線形 membranal 動作をアクティブにします。 シャーシの読み込みの体を強制的に規則で定めるものに相当する荷重を適用します。電池のと居住者の位置、集中の重みを考慮する、集中力が適用されます。 BCsをインスタンスに適用します。ピン留めされた紀元前と、外部荷重によってサポートされているボディとシャーシを考慮、制約 ‘ の場所。 フィールドの出力要求モジュールの出力を定義します。選択ドメイン: 複合レイアップ積層物の各層の場所に出力を抽出します。 ジョブを作成し、解析を実行します。 22規制の要件の遵守を結果を確認します。彼らが満たされない場合に手順 1.9 と 1.12.4 に戻るし、積層シーケンスを変更します。 プライ本の製造元に必要なプライ-プライ アプローチの構造デザイナーのセクションごとのアプローチの翻訳を生成します。 特定の機能要件がサンドイッチ厚さの減少につながるセクションに特別な変更を加えます。 オートクレーブのシャーシを製造してください。 精密切削加工、高密度泡パターンを生成します。 罰金 granulometry サンドペーパーで滑らかな表面仕上げを保証します。 シーラーの層を適用し、泡の上の炭素繊維金型の分離を保証するためにエージェントをリリースします。 含浸済みの低温触媒炭素繊維を組み立てることによって金型を製造レイヤーと各パーツの真空をシール袋さらにオートクレーブ養生の圧縮。 生産金型の表面を磨くとシーラーを適用し、エージェントをリリースします。 プライ本によるとカビでシャーシの部品を積層、圧縮真空袋・ オートクレーブ養生を提出します。 2. リーフ スプリングの設計 図 2: リーフ スプリングの図を読み込みします。この図は、リーフ スプリングの剪断と曲げモーメントの測定を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 リーフ スプリング荷重分布を決定する (図 2の曲げとせん断力図参照)。 最悪のシナリオでは、車両の車輪に適用される最大荷重評価 (ステップ 1.1 を参照してください)。 反応の力を計算する (最大荷重) リーフ スプリングで利用して、終了すると、サスペンション アームを考慮しました。 サポートとその固定点は自動車のシャーシおよび懸濁液のものに基づいてリーフ スプリングのポイントの読み込みを定義します。 曲げのダイアグラムを決定、せん断、等しい最大負荷 4 点曲げ梁としてリーフ スプリングをモデリング (最悪のシナリオ) の両端に適用されます。 最大変位を評価リーフ スプリングのサスペンションのジオメトリーと車両のフレーム周りの許容スペースに従って終了します。 高い特定のひずみエネルギー保存機能を持つ材料を選択。ここでは、許容応力度は、は、弾性率と密度です。 曲げとは (せん断荷重は 1 つまたは 2 桁低い) リーフ スプリングの支配的な負荷維持として材料の疲労強度。 複合の直交異方性材料の検討としてプリンシパル方向 (繊維方向) に沿って FRP 材の曲げ疲労。 概念的にはリーフ ・ スプリング形と機能を格納するその特定のエネルギーを最大限にレイアップをデザインします。注: リーフ スプリング断面をモデル化する最大許容応力状態がすべてのリーフ スプリングに沿って行われるように。 図2 曲げ図にのみ焦点を当てます。せん断荷重は、1 つまたは 2 桁低いです。セクターの 2 種類でバネを分割をベースに、: 2 つのサポート間 () とサポートと葉ばね端部の間 ()。 に沿って、定数とその最大曲げ荷重を維持したがって、また、断面を一定に保ちます。 に沿って、支援する荷重適用点から直線曲げの負荷が増加したがって、断面高さ、ストレスを維持する次の方程式を満たす必要がありますすべての長さに沿って、リーフ スプリングの外側の表面に一定。ここでは、最大負荷のアプリケーションのポイントからの距離は、と断面幅です。数式提案に沿って、スパン、リーフ スプリングの断面高さ放物線プロファイルでテーパーする必要があります。ただし、プロセス実践上の理由から、おおよその直線的であるとリーフ スプリングの高さプロファイルを実行します。: 注意繊維複合杉の強度を低減する積層工程中に中断を避けるために定数。 曲げはせん断荷重よりも高いために、0 90 布 FRP の直線状テーパ コアとせん断荷重に抵抗し、リーフ スプリング、リーフ スプリングの型一方向 FRP の外側の層にねじり剛性を与えるサンドイッチ構造を使用します。主軸曲げ負荷を比較します。外側の層より高いストレス ゾーンの幾何学的不連続性を避けるために一定の厚さがあります。 取得、引張、圧縮、曲げ、選択した FRP 材のせん断強度と。テクニカル データ シートまたは ASTM 規格 (最寄りオプション) に基づく試験による、彼らの価値を見つけることができます。 解析モデルによる板バネの幾何学的寸法を最適化します。注: 目的関数は、課せられた制約に準拠しながら、質量の最小化したがって、最大負荷を維持に等しいたわみをと材料許容のものよりも低い応力を維持します。 最大たわみの条件を制約指定された最大負荷の。ここでは、収束のため挿入小さな値です。概念的には、リーフ スプリングはテーパー コアのサンドイッチ、地域。たわみの計算ロードで、カスチリアノの定理による。ここでは、とに沿ってバネの曲げ剛性は、と、それぞれ。ここでは、とのコアと外側の層の弾性係数は、それぞれ、外側の層の厚さとコアの厚さです。 最大曲げ応力の条件を制約: (曲げ応力最大 UD 疲労)。評価オイラー ・ ベルヌーイ理論。​ 最大コアと外側の層のせん断応力の条件を制約: (最大コア疲労せん断応力) (最大コア疲労せん断応力)。評価とによるオイラー ・ ベルヌーイ理論24。​ 最小化を目的関数として葉ばね質量を使用します。注: 変えることができる幾何学的パラメーターは、: 、と。フレームに固定ポイントの設計によって許可されている場合と場合、次の制約が尊重されて、変数としても考えられます。 反復処理または最適化アルゴリズムを見つけることができるいくつかの数値計算ソフトウェア プログラムに統合による問題を解決します。 最適化されたリーフ スプリングの FE シミュレーションを実行Ansys 複合プリ/ポスト (ACP).目的は、応力集中を評価し、面外を読み込みます。 ジオメトリを描画、サーフェイスとして CAD リーフ スプリングの 4 分の 1 だけのサポート ポイントとレイアップのバリエーションと対応で分けられる表面。 ANSYS Workbenchの新しいシミュレーション プロジェクトを作成します。ワークスペースにドラッグして (ツールメニュー) のACP (Pre)を選択します。 エンジニア リング データをクリックして、材料特性を定義します。工学データ ソースを選択し、それらをダブルクリックして既定のマテリアル プロパティ、複合フォルダー カーボン UD と不織布プリプレグからインポートします。マテリアル データ シートまたは実験結果から得られたもので 3 つの主方向における材料定数を更新します。 ジオメトリと、インポート ジオメトリを右クリックして、CAD とのリンクを維持しながらジオメトリをインポートします。CAD のネイティブ形式でインポートします。 モデルをダブルクリックします。任意の表面膜厚を割り当てます。異なるレイアップ ゾーンを定義するには、名前付き選択機能 (モデルにし挿入右クリック) を使用します。メッシュし、メッシュの生成しを右クリックして既定のメッシュを生成します。 ワークベンチ、 セットアップをダブルクリックしてACP-Preを開きます。 マテリアル データメニュー フォルダー プライ プロパティを定義します。生地の上を右クリックして作成するファブリックを選択します。その後、材料を定義し、厚さプリプレグを割り当てます。サブの積層板を右クリックして積層板の作成のサブを選択し、副積層の重なりの順序を定義します。 ラミネート加工 (プリンシパル バネ軸) の主軸方向によるとロゼットメニュー フォルダーに要素のローカル座標系を定義します。 任意起源ポイントと手順で設定ロゼット各要素の設定を (以前 2.7.5 のステップで定義されている) を定義することにより指向選択セットメニュー フォルダー内の有限要素のローカル座標を向き2.7.8。 手順 2.7 の最適化プロセスで得られた結果に基づいてレイアップを定義します。モデリング グループを右クリックしてプライ作成します。選択セットを指向、材料の層、および層の数を定義します。プライズの繰り返しグループにそれぞれにそれを繰り返します。注: ラミネーション プロセスの同じ重ね順に従ってください。 ワークベンチ、(ツールメニュー) の静的構造解析をワークスペースにドラッグします。静的 structural\ModelのACP (Pre) \Setupをドラッグし、固体複合データ転送を選択します。静的 Structural\Setupをダブルクリックします。 対称性を適用し、境界条件を制限します。静的構造を右クリックし、 Insert\Displacementを選択します。エッジまたはジオメトリのサーフェスを選択し、変位を適切なコンポーネント方向 0 に設定します。 2.7.12 のステップの同じ手順に従う力を適用します。 線形弾性として FEM モデルを解決するには、[解決] をクリックします。 最大変位を評価) のソリューションを右クリックしてInsert\Deformation\Directionalを選択するリーフ スプリング。それが低い場合 2.7.10 のステップに戻ってくるし、外側の UD 層の数を増やす率が高い場合は、それを減らします。 ワークベンチ、ドラッグ (ツールボックス) でACP (ポスト) 、 ACP (Pre) \Mode.その後、 ACP (Post) \ResultsのStatic\Structuralソリューションをドラッグします。ACP (Post) \Resultsをダブルクリックします。 定義メニューのフォルダーを右クリックし、 Hashin 3 Dの破壊基準として選択します。 ソリューションメニューのフォルダーを右クリックし、作成に失敗を選択します。Hashinを選択し、ソリッドの表示を確認します。 かどうかエラー条件は、常に以下のいずれかを確認します。ない場合 2.7.7 の手順に戻って、必要に応じてそれらを方向づける重要な識別されたゾーンのプライ数を増やします。 プライの本を書きます。 設計されたバネのスケール モデルをテストします。 手順 2.7 に、1 の解析モデルによる設計/5-1/10 縮小バネ、外側の層とコアの厚さは曲げとせん断と同じ比率をチューニングする実際のコンポーネントと最大負荷のような曲率のストレスします。 スケーリングの板バネを積層します。 普通の 4 点曲げテスト フィクスチャを使用してテストします。 最大荷重と変位と損傷モードを分析します。 実験の結論に基づいてリーフ スプリングの設計を最適化します。 最適化されたリーフ スプリングを製造してください。 3. フル前頭クラッシュ テスト シミュレーション 図 3: 巡洋艦ジオメトリです。この図は、一般的な形状、車両の寸法を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 車両 (図 3) のジオメトリを描画します。 作成し、CAD モデリング ソフトウェアで新しいパーツプロジェクトに名前を付けます。 モデルのソリッド部品が押し出しのリソースを使用して、完全ように旋回掃引、およびロフト(シャーシ、シート、ロールケージなど) 別の車両部品間の接触します。必要に応じて、タブの表面、参照ジオメトリ、および平面参照平面を描画するをクリックします。 ジオメトリがモノコック、ドアと完了するまで手順 3.1.2、ケージ、シート、バッテリー、ホイール、タイヤ、ホイールハブ、サスペンション アーム、リーフ ・ スプリング、ステアリング システム、および堅い防壁 (2 × 2 m) のロールします。 計算を最適化し、半両を使用する左右対称性を利用します。[ユーティリティ] タブの下で対称性をチェックをクリックし、自動対称分割コマンドを選択します。次に、保たれ、分割部分をクリックして確認する体の一部をクリックします。 ソリッド ボディをサーフェスに変換: 体の厚さに関連する面を選択し、[サーフェス] タブし、削除の顔に。 名前を付けて保存] をクリックし、 STPフォーマットを選択します。 設定し、シミュレーションを実行します。 作成し、ANSYS Workbench 有限要素シミュレーション ソフトウェアで新しいプロジェクトに名前を付けます。 明示的な動的ウィンドウにプロジェクト概略のツールボックス – 分析システムからドラッグします。エンジニア リングデータをダブルクリックし、新しい材料、ツールボックスのツリーから必要なプロパティをドラッグして、各材料をそれに応じて命名このプロトコルのセクション 1 で取得した値を挿入するを追加します。 インポートジオメトリジオメトリを右クリックします。参照をクリックし、手順 3.1.6 で生成された STP ファイルを選択します。 モデルで明示的な動的モデル環境を開きますをダブルクリックします。 一度モデル環境内ジオメトリ3次元要素または集中質量または複合レイアップをそれぞれ定義する、2 D 要素のレイヤー セクションのポイント質量を挿入する右クリックします。ジオメトリの下で各コンポーネントの適切な材料および表面の厚さを材料の詳細の下で割り当てる必要があります。 対称性 – 対称性の領域を挿入するモデルを右クリックします。YZ の対称平面は、適切な境界条件を与えて将来の結果の面で正しい幾何学的な対称を定義します。 接続を正しく設定するには、自動接続をすべて削除してのみ体相互作用で摩擦として定義されています。 メッシュ明示的なメソッド(図 4) の詳細については、[要素 midside ノードをドロップし、サイジング機能中に曲率の設定関連センター 。最小 6 mm と 30 mm 最大要素サイズを設定します。 並列メッシュセクションの詳細設定タブの下処理のためのCpu の数を設定します。 明示的なダイナミクス」タブの初期条件ツリーの下で初期条件として速度を設定します。 明示的なダイナミクス] タブを右クリックし、挿入を選択してピッキング堅い障壁を定義する固定サポートやそれを防ぐ固定変位によって制約の境界条件を設定ホイールz 軸上を移動します。 [解析設定終了時刻に関してコントロールを設定 (0.3 秒) とサイクルの最大数(2.5 x 105)、速度、および (ゼロに等しい) の運動エネルギーを得るに必要な入力。 ソリューションでは、これらの結果を追跡する-合計 – 内部エネルギーを挿入するソリューション情報を右クリックします。一方、ソリューション情報の下でエネルギー概要、時間単位、および省エネの観点からソリューションの出力を追跡できます。 解決をクリックし、合計変形、応力・ひずみ、合計、内部、運動エネルギー、および加速の面で結果を分析します。 図 4: 半車両モデルに適用される有限要素メッシュします。この図は、対称性による車両の半分のモデルの分離を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。