I detta arbete relaterade flera aspekter till strukturella designprocessen av en full-carbon fiber-förstärkt plast solar fordon är detaljerade, med fokus på monocoque chassi, bladfjädrar, och fordonet som helhet under en krasch testa.
Kryssare är flera åkande solar fordon som är utformade för att tävla i långväga (över 3 000 km) solar raser baserat på den bästa kompromissen mellan energiförbrukning och nyttolasten. De måste följa loppets regler angående totalmått, solpanel storlek, funktioner och säkerhet och strukturella krav, medan formen, materialet, drivlina, och mekanikerna anses designern eget gottfinnande. I detta arbete, är de mest relevanta aspekterna av strukturella designprocessen av en full-kol fiber-förstärkt plast solar fordon detaljerade. I synnerhet beskrivs de protokoll som används för konstruktion av sekvensen laminering av chassit, bladfjädrar strukturella analysen och crash test numerisk simulering av fordonet, inklusive skyddskorgen. Komplexiteten i design methodologyen av fiberarmerad kompositstrukturer kompenseras av möjligheten att skräddarsy deras mekaniska egenskaper och optimera den totala vikten på bilen.
Solar bil är en soldriven fordon som används för landtransporter. Den första solar bil presenterades 1955: det var en liten 15-tums modell, består av 12 selen solceller och en liten elmotor1. Sedan att lyckad demonstration, har stora ansträngningar gjorts i hela världen att bevisa genomförbarheten av solar-hållbar rörlighet.
Utformningen av en solar fordon2 begränsas kraftigt av mängden energitillförseln in i bilen, som är ganska begränsat under vanliga förhållanden. Några prototyper har utformats för allmänheten, även om inga bilar som primärt drivs av solen finns kommersiellt. Som en sakfråga, verkar solar bilar långt ifrån en vanlig användning i vardagen med tanke på deras nuvarande gränser, särskilt när det gäller kostnad, utbud och funktionalitet. Samtidigt, de företräder en giltig provbänk för utveckling av nya metoder, på nivåer i både design och tillverkning, kombinera teknik som normalt används i avancerade industriella sektorer, såsom aerospace, alternativa energi, och Automotive. Dessutom har de flesta solar bilar byggts i syfte att solar biltävlingar, ädla händelser runt om i världen, vars deltagare är främst universitet och forskningscentra som skryter forskningen av optimala lösningar för varje tekniskt problem. I synnerhet har arrangörerna av de viktigaste konkurrensarna (t.ex., i World Solar Challenge) antagit en strategi för utvecklingen av de race förordningar som syftar till att föra dessa extrema fordon så nära som möjligt till den mer traditionella transportmedel. Särskilt efter många år där fordonen var singel-seaters och utformade att resa rutten som snabbt som möjligt, den framväxande kategorin cruiser fordon har nyligen introducerat och utvecklats för effektiv transport av fler passagerare.
För dessa fordon, har de tekniska kraven blivit ännu hårdare. I själva verket inte bara har de att garantera maximal energieffektivitet, men de måste också följa mer komplexa tekniska villkor som är kopplade till olika funktioner. Exempelvis gör möjligheten att transportera ett större antal passagerare det svårare att garantera säkerhet och körbarhet. Strävan görs mer komplicerat på grund av den totala viktökning och behovet av att infoga ett mycket större batteri, medan inre utrymmen måste minskas, att göra placeringen av mekanikerna svårt.
En ny designfilosofi måste hanteras, inklusive en annan vision av materialanvändningen och tillverkning. Första materialen måste väljas utifrån den högsta styrka-to-viktförhållandet, och som en direkt följd, kol-förstärkt fiberplast representerar en optimal lösning. Dessutom måste särskilda knep i designen genomföras.
I denna artikel skall är de förfaranden som används för att utforma några av de viktigaste strukturella delarna av solar fordonet, såsom dess monocoque chassi, fjädringen och även en computational krocktest avbildade. Den slutliga omfattningen är att snabbt få solar fordon med minsta möjliga vikt, i en avvägning med aerodynamik och ras regler.
Uppenbarligen, sökandet efter det optimala materialet när det gäller förhållandet mellan motstånd och vikt begränsas av den teknik som används, vilket är autoklav gjutning av CFRP debutaniserade. Syftet med de valda metoderna är snabba fastställande av den optimala materialval när det gäller ply typologi inom ett begränsat utbud av möjligheter och uppställningsspår. I själva verket gestaltning med kompositmaterial innebär samtidig valet av avsnitten geometriska egenskaper, det specifika materialet och av lämplig teknik (att, i fall presenteras här, var beslutsamt en priori, som ofta händer).
Flera kända långdistans prestanda tävlingar för solar elfordon har hållits i hela världen under de senaste decennierna, som inbegriper top-ranking universitet och forskningscentra, som är de huvudsakliga främja agenterna för utvecklingen av sådan rörlighet teknik. Konkurrenskraft som körs i detta forskningsområde i allians med immateriella gränser är dock ett allvarligt begränsande faktor för spridningen av kunskap i frågan. För därför litteraturstudien på solar bil design konton för några (och ibland kan inaktuella) referenser, även när hela undersökningar bygger på denna undersökning3, vilket är varför uppmuntras förverkligandet av verk som förevarande.
Oberoende av vilken aspekt av fordonets design förbättras, ett gemensamt mål är alltid att: att uppnå mer energieffektivitet. Produktiva förändringar i design baseras inte alltid på spjutspetsteknik, som de bara kan baseras på mekanik såsom sänka tyngdpunkten av fordonet att öka dess stabilitet (vilket är särskilt viktigt för tävlingar hölls i öknen regioner4 på grund av sidvind vindbyarna5) eller minska vikten på fordonet delar6-av som en 10% av total viktminskning av elektriska fordon kan sluta upp till 13,7% i energibesparing7. Noggrann energistrategier används också ofta i tävlingar för att säkerställa bästa möjliga prestanda, där spännande maximat rusar av 130 km/h och enda avgifter som varade i över 800 km kan erhållas i cruiser-klass bilar8.
Studien av bilens aerodynamik5,9,10 är viktigt att försäkra lite motstånd från luft och jämnhet under körning, där de viktigaste aspekterna som skall kontrolleras är en minskning av koefficienten som drar till Låt bilen att flytta medan spendera mindre energi, och hiss koefficienten som måste hållas negativa att garantera att bilen sitter säkert och stabilt på marken, även vid högre hastigheter.
En annan viktig parameter utformas är suspensionssystemet, som allmänt tillämpas i vanliga fordon med enbart att tillhandahålla komfort, stabilitet och säkerhet, men i solar bilar måste det också vara ljus. Denna viktiga aspekt har undersökts sedan 199911 i studier med glasfiber bladfjädrar och, mer nyligen, med kolfiber12 som, när den används att utgöra wishbone länkar13, har visat sig ge inte bara vikt minskning men också en ökad säkerhetsfaktor. Trots dubbla triangellänkar suspension används utan tvekan mer ofta i solar bilar14, anser den aktuella studien en tvärgående bladfjäder som byggs med kolfiber, för det är en enklare och lättare bärsystem med minskad ofjädrad vikt.
När det gäller tillverkning av chassit, har byggandet av en monocoque struktur gjord av kolfiber visat sig ge en betydande prestandafördel, att vara en oumbärlig design begränsning för mest framstående befintliga4,8 ,15 solar bil lag. Användningen av kolfiber är avgörande för körning av fordonet, vilket gör att lagen att bygga fordon där var och en av de strukturella komponenter (eller olika delar av samma struktur, som i chassit) har en optimal mängd fibrer lager i beräknas riktlinjer. För att i detta arbete, materialet egenskaper har bedömts genom standardiserade experimentella tester, såsom trepunkts böjande testet och interlaminär skjuvning hållfasthetsprovningen (servers).
För att säkerställa dimensionell stabilitet under cure cykel, görs allmänt byggande med vakuum uppsamlare och autoklavera molding4 på kolfiber formar, som i sin tur är laminerat på just slipat Högdensitetsskum eller aluminium mönster. Majoriteten av delarna utgörs av sandwichkonstruktioner (dvs.med fibrer på huden och extremt lätta kärnan material som tjänar till att tillskriva böjmotstånd till sammansatt bär en extremt låg vikt). Kolfiber är dessutom också fördelaktiga för att erbjuda högre vibrationella säkerhetsnivåer mot resonans fenomen12.
Syftar till att intyga säkerheten för passagerarna i krasch händelser, innebära krocktester brukar tidsödande och oekonomiskt, experimentell och destruktiva tester med prov fordon. En senaste trend som vinner enorma popularitet är datorsimulerad crash test, där dessa simuleringar undersöka säkerheten för bil åkande under olika typer av effekter (t.ex., full frontal, offset frontal, sida effekt och rulla över) . Med tanke på vikten av att göra en krasch analyser på ett vägfordon och möjligheten att därigenom genom numerisk modellering, denna undersökning syftar till att identifiera de mest kritiska områdena av solar fordonet, när det gäller både maximal stress och deformation, för att möjliggöra en hypotes av förbättring av strukturen.
Den numeriska krocktest på solar fordon härmed utförs är utan motstycke. Med tanke på avsaknaden av bibliografi över forskning och specifika regler för detta innovativa solar bil tillvägagångssätt antogs en anpassning som behandlar följderna av fordonet på en styv hinder vid dess genomsnittliga hastighet. För att geometri modellering av fordonet och simulering (inklusive mesh konstitutionen och simulering set-up) har utförts på olika lämplig programvara. Användningen av kolfiber för fordonets struktur motiveras också av dess krocksäkerhet beteende, vilket redan har visat sig vara högre än för andra material, såsom glas fiberkompositer, på krocktester av elfordon16.
Från tabell 1är det möjligt att märka att de enda laminas inte är symmetriska, medan hela smörgåsen är. Detta beror på nödvändigheten av att ha båda minst antal plies, tekniska minimum och önskad mekaniska egenskaper.
På ena sidan, avsnittet markeras som 1/1b, 2, 3 i figur 7 är ansvarig för de övergripande mekaniska egenskaper, är inriktningen av de höghållfasta förstärkning enkelriktad ply den största skillnaden mellan dem. På andra sidan markerade avsnitten A, B, C och D är ändrade för att beakta de koncentrerade lasterna av fjädringssystem och passagerarnas säten, på grund av bladfjädrarna.
Den finita element-modell som används för analys av sammansatta chassit är baserad på en shell-topologi. Shell element är ett lämpligt alternativ för återge kompositstrukturer, eftersom de tenderar att fånga böjstyvheten för tunna organ med väsentligen enklare maskor än solid element. Däremot, bör tillgripa kontinuum shell eller solid element övervägas vid modellering tjock sandwichkonstruktioner eller regioner med branta stress övertoningar; en jämförande diskussion om shell och continuum skal element ges24,25.
Huvudsyftet med den statisk analysen är att verifiera att styvhet och styrka av strukturen uppfyller kraven. Stelhet krav verkställs direkt genom att säkerställa att deformationen av fordonet under varje belastning fall inom ramen för förordningarna (dvs.ingen del av fordonet tränger de boendes rum). Bedömningen av strukturens styrka bygger på att utvärdera Hashins skada26 i sammansatta skikten; Hashins parametrar måste nämligen vara strängt mindre än 1. Eftersom olika skadliga lägen bidrar till globala bristande sammansatt laminat, användningen av kumulativa skador kriterier (t.ex., Hashin’s) rekommenderas; Maximum spänning kriterier kan vara lämplig för metalliska komponenter.
Litteraturen har föreslagit olika lösningar för design optimering av lätta sammansatta bladfjädrar, men de flesta av dem ansluter bara en enda hjul27,28 (inga antiroll kapacitet) eller lämpar sig endast för infusion mögel teknik (dubbel-avsmalnande)29. Utformningen av den bladfjäder som här presenteras är begränsad förhand av den natriumvätesulfit laminering process som tillåter inte en dubbel-avsmalnande designlösning men garanterar hög materiell styrka och tillförlitlighet.
Den innovativa aspekten av bladfjäder är funktionell integrering av två komponenter i en (våren och baren antiroll) och den största fördelen är att massa minska. Tack vare den föreslagna analytiska modellen är det dessutom möjligt att ytterligare minska massan och få optimala geometrin snabbt för att ange maximal belastning och förskjutning.
Den lokala spänningar och out-av-plan som inte uppskattas av den analytiska modellen, utvärderas av finita elementmetoden och bladfjäder sammansatta inre lager är modellerade med tegel element. Denna lösning är beräkningsmässigt tyngre än att använda skal men tillåter, i kombination med Hashin, 3D-fel kriterier att förutsäga delaminering orsakas av ute-av-plane laster, som är en kritisk aspekt av bladfjäder design. Slutligen, de analytiska och numeriska modellerna för utformningen av bladfjäder har validerats av en experimentell test på en skalad bladfjäder.
Angående krocktest, relativt förhöjda förskjutningen av störtbåge, även om den inte utgör en källa till oro, främst tillskrivs layouten för dess front bar. Dess noncurved form och akut vägen där den är placerad, med inga kurvor och på en skarp vinkel med slagets riktning, är ansvarig för att överföra de flesta av energin som ska absorberas av chassit till rulle buren, som har en distinkt strukturella mål . Därför skjuts störtbåge baktill på fordonet, orsakar en förhöjd stress på dess fastsättning regioner på säten. Det är viktigt att notera att trots alla säkerhet funktioner som potentiellt skulle kunna förbättras, minimal deformation av monocoque och det faktum att inga komponenter penetrerad/perforerade andra klargöra att utformningen av fordonet anses säker om dess krocksäkerhet.
Därför anses den strukturella utformningen av fordonet som helhet har optimerats vad gäller materialanvändningen, där omfattande beräkningen visade i prövningsprotokollet är avgörande för utformningen av en monocoque och de bladfjädrar som var anpassade för att vara ljus och presentera en bättre mekanisk prestanda. Dessutom genom en numerisk krasch testa simulering, fordonskonstruktionen visade att det är framgångsrikt tåla den drivkraft som härledas av en full-frontal påverkan med tanke på den genomsnittliga hastigheten av bilen på dess optimal energieffektivisering.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka alla medlemmar av den Onda Solare Sport Association (www.ondasolare.com) för deras väsentliga stöd och Marko Lukovic som var estetiska designer av kryssaren. Denna forskning realiserades med ekonomiskt stöd av Europeiska unionen och regionen Emilia-Romagna inne i POR-FESR 2014-2020, axel 1, forskning och innovation.
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 |