इस काम में, कई एक पूर्ण कार्बन फाइबर के संरचनात्मक डिजाइन प्रक्रिया से संबंधित पहलुओं प्रबलित प्लास्टिक सौर वाहन विस्तृत रहे हैं, चेसी चेसिस पर ध्यान केंद्रित, पत्ती स्प्रिंग्स, और एक दुर्घटना परीक्षण के दौरान एक पूरे के रूप में वाहन ।
क्रूजर बहु निवासी सौर वाहनों है कि लंबी दूरी (३,००० किमी से अधिक) सौर ऊर्जा की खपत और पेलोड के बीच सबसे अच्छा समझौता के आधार पर दौड़ में प्रतिस्पर्धा की कल्पना कर रहे हैं । वे दौड़ के समग्र आयामों के बारे में नियमों का पालन करना चाहिए, सौर पैनल आकार, कार्यक्षमता, और सुरक्षा और संरचनात्मक आवश्यकताओं, जबकि आकार, सामग्री, powertrain, और यांत्रिकी डिजाइनर के विवेक पर विचार कर रहे हैं । इस काम में, एक पूर्ण कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक सौर वाहन के संरचनात्मक डिजाइन प्रक्रिया के सबसे अधिक प्रासंगिक पहलुओं विस्तृत कर रहे हैं । विशेष रूप से, चेसिस के फाड़ना अनुक्रम के डिजाइन के लिए इस्तेमाल प्रोटोकॉल, पत्ती स्प्रिंग्स संरचनात्मक विश्लेषण, और दुर्घटना परीक्षण वाहन के संख्यात्मक अनुकरण, सुरक्षा पिंजरे सहित, वर्णित हैं । फाइबर प्रबलित समग्र संरचनाओं के डिजाइन पद्धति की जटिलता उनके यांत्रिक विशेषताओं सिलाई और कार के समग्र वजन के अनुकूलन की संभावना से मुआवजा दिया है ।
एक सौर कार सौर ऊर्जा चालित भूमि परिवहन के लिए इस्तेमाल किया वाहन है । पहली सौर कार १९५५ में प्रस्तुत किया गया था: यह एक छोटे से 15 इंच का मॉडल था, 12 सेलेनियम फोटोवोल्टिक कोशिकाओं और एक छोटे से बिजली के मोटर से बना1। उस सफल प्रदर्शन के बाद से, सौर-स्थाई गतिशीलता की व्यवहार्यता साबित करने के लिए दुनिया भर में बड़े प्रयास किए गए हैं ।
एक सौर वाहन2 के डिजाइन गंभीर रूप से कार में ऊर्जा इनपुट की राशि से प्रतिबंधित है, जो साधारण परिस्थितियों में काफी सीमित है । कुछ प्रोटोटाइप सार्वजनिक उपयोग के लिए डिजाइन किया गया है, हालांकि कोई कारों मुख्य रूप से सूर्य द्वारा संचालित व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं । तथ्य की बात के रूप में, सौर कारों रोजमर्रा की अपनी मौजूदा सीमा दी जीवन में एक आम उपयोग से दूर लग रहे हैं, विशेष रूप से लागत, सीमा, और कार्यशीलता के मामले में । एक ही समय में, वे नए तरीके के विकास के लिए एक वैध परीक्षण पीठ का प्रतिनिधित्व कर रहे हैं, दोनों डिजाइन और विनिर्माण के स्तर पर, आम तौर पर ऐसे एयरोस्पेस, वैकल्पिक ऊर्जा के रूप में उंनत औद्योगिक क्षेत्रों में इस्तेमाल प्रौद्योगिकी के संयोजन, और मोटर वाहन. इसके अलावा, सबसे सौर कारों सौर कार दौड़ के प्रयोजन के लिए बनाया गया है, दुनिया भर के सभी blazoned घटनाओं, जिनके प्रतिभागियों मुख्य रूप से विश्वविद्यालयों और अनुसंधान केंद्रों है कि प्रत्येक तकनीकी समस्या के लिए इष्टतम समाधान के अनुसंधान घमंड कर रहे हैं । विशेष रूप से, सबसे महत्वपूर्ण प्रतियोगिताओं के आयोजकों (उदाहरणके लिए, विश्व सौर चैलेंज) दौड़ विनियमों के विकास की एक रणनीति अपनाने गया है कि इन चरम वाहनों के रूप में बंद के रूप में अधिक परंपरागत के लिए संभव के रूप में लाने का लक्ष्य परिवहन के साधन । विशेष रूप से, कई वर्षों के बाद जो वाहनों में एकल सीट थे और मार्ग यात्रा के रूप में जल्दी से संभव बनाया गया है, क्रूजर वाहनों की आपात श्रेणी हाल ही में शुरू किया गया है और अधिक यात्रियों के कुशल परिवहन के लिए विकसित की है ।
इन वाहनों के लिए तकनीकी आवश्यकताएँ और भी सख़्त हो गई हैं. वास्तव में, न केवल वे अधिकतम ऊर्जा क्षमता की गारंटी है, लेकिन वे भी अधिक जटिल इंजीनियरिंग विभिंन कार्यक्षमताओं से जुड़ी स्थितियों के साथ अनुपालन करना चाहिए । उदाहरण के लिए, रहने वालों की अधिक से अधिक संख्या के परिवहन की संभावना यह सुरक्षा और ड्राइवबिलिटी की स्थिति की गारंटी के लिए और अधिक कठिन बना देता है । प्रयास है और अधिक जटिल समग्र वजन बढ़ाने के लिए और एक बहुत बड़ा बैटरी पैक डालने की जरूरत है, जबकि आंतरिक रिक्त स्थान कम किया जाना चाहिए, यांत्रिकी की स्थिति मुश्किल बना रही है ।
एक नए डिजाइन दर्शन सामग्री का उपयोग करें और विनिर्माण के एक अलग दृष्टि सहित, संपर्क किया जाना चाहिए । सबसे पहले, सामग्री उच्चतम शक्ति से वजन अनुपात के आधार पर चयन किया जाना चाहिए और, एक प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में, कार्बन प्रबलित फाइबर प्लास्टिक एक इष्टतम समाधान का प्रतिनिधित्व करते हैं । इसके अलावा, डिजाइन में विशिष्ट तिकड़मों लागू किया जाना चाहिए ।
वर्तमान लेख में, इस तरह के अपने चेसी चेसिस, निलंबन के रूप में सौर वाहन के सबसे महत्वपूर्ण संरचनात्मक भागों में से कुछ डिजाइन करने के लिए कार्यरत प्रक्रियाओं, और यहां तक कि एक गणना दुर्घटना परीक्षण चित्रित कर रहे हैं । एक व्यापार में बेधड़क और दौड़ के नियमों के साथ बंद करने के लिए सबसे कम संभव वजन के साथ तेजी से एक सौर वाहन प्राप्त करने के लिए अंतिम गुंजाइश है ।
जाहिर है, प्रतिरोध और वजन के बीच अनुपात के संदर्भ में इष्टतम सामग्री के लिए खोज कार्यरत प्रौद्योगिकी द्वारा विवश है, जो CFRP prepregs के आटोक्लेव मोल्डिंग है । चयनित विधियों का उद्देश्य एक परिमित सीमा के भीतर और typology के रूप में प्लाई के संदर्भ में इष्टतम सामग्री विकल्प की तेजी से दृढ़ संकल्प है । वास्तव में, समग्र सामग्री के साथ डिजाइन ‘ वर्गों ज्यामितीय गुणों का एक साथ विकल्प का तात्पर्य, विशिष्ट सामग्री की, और उपयुक्त प्रौद्योगिकी के (है कि, मामले में यहां प्रस्तुत, एक प्राथमिकताओंनिर्धारित किया गया था, के रूप में अक्सर होता है) ।
कई प्रसिद्ध लंबी दूरी सौर बिजली के वाहनों के लिए प्रदर्शन प्रतियोगिताओं पिछले दशकों में दुनिया भर में आयोजित किया गया है, शीर्ष रैंक विश्वविद्यालयों और अनुसंधान केंद्रों, जो इस तरह की गतिशीलता के विकास के लिए मुख्य को बढ़ावा देने के एजेंट है शामिल प्रौद्योगिकी. हालांकि, प्रतिस्पर्धात्मकता है कि इस अनुसंधान के क्षेत्र में बौद्धिक संपदा सीमाओं के साथ गठबंधन में चलाता है एक मामले पर ज्ञान के प्रसार के लिए गंभीरता से सीमित कारक है । इस कारण से, कुछ के लिए सौर कार डिजाइन खातों पर साहित्य की समीक्षा (और कई बार पुरानी) संदर्भ, यहां तक कि जब पूरे शोध इस सर्वेक्षण3पर आधारित हैं, यही वजह है कि वर्तमान के रूप में काम करता है की प्राप्ति के लिए प्रोत्साहित किया जाता है ।
स्वतंत्र रूप से जो वाहन के डिजाइन के पहलू में सुधार किया जा रहा है, एक आम उद्देश्य हमेशा के उद्देश्य से है: अधिक ऊर्जा दक्षता की प्राप्ति । डिजाइन में उत्पादक परिवर्तन हमेशा अत्याधुनिक प्रौद्योगिकियों पर आधारित नहीं हैं, क्योंकि वे केवल यांत्रिकी पर आधारित हो सकता है जैसे वाहन के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र को कम करने के लिए अपनी स्थिरता में वृद्धि (जो विशेष रूप से रेगिस्तान में आयोजित प्रतियोगिताओं के लिए महत्वपूर्ण है क्षेत्रों4 के कारण की ओर हवा झोंका5) या वाहन6भागों के वजन को कम करने-जिनमें से एक 10% बिजली के वाहनों में कुल वजन कमी के7ऊर्जा बचत में १३.७% तक अनुमान कर सकते हैं । पूरी तरह से ऊर्जा प्रबंधन रणनीतियों को भी आमतौर पर दौड़ की घटनाओं में इस्तेमाल के लिए सबसे अच्छा संभव प्रदर्शन, आश्वासन जहां १३० किमी प्रति घंटा और एक आरोप है कि पिछले ८०० किलोमीटर से अधिक के लिए है, क्रूजर वर्ग8कारों में प्राप्त किया जा सकता के रोमांचक अधिकतम गति ।
वाहन के बेधड़क5,9,10 के अध्ययन ड्राइविंग के दौरान हवा और चिकनाई से थोड़ा प्रतिरोध को आश्वस्त करने के लिए महत्वपूर्ण है, जहां मुख्य पहलुओं को नियंत्रित किया जा करने के लिए खींचें गुणांक की कमी है कार की अनुमति के लिए कदम है, जबकि कम ऊर्जा खर्च, और वृद्धि गुणांक कि गारंटी के लिए रखा जाना चाहिए कि कार सुरक्षित है और छुरा जमीन से जुड़ा हुआ है, यहां तक कि उच्च वेग पर ।
एक अंय महत्वपूर्ण पैरामीटर को तैयार किया जाना है निलंबन प्रणाली है, जो आम तौर पर आराम, स्थिरता और सुरक्षा प्रदान करने के एकमात्र प्रयोजनों के साथ नियमित रूप से वाहनों में लागू किया जाता है, लेकिन सौर कारों में यह भी प्रकाश होना चाहिए । इस महत्वपूर्ण पहलू का पता लगाया गया है के बाद से १९९९11 अध्ययन में शामिल शीसे रेशा पत्ती स्प्रिंग्स और, और अधिक हाल ही में, कार्बन फाइबर के साथ12 जो, जब wishbone13लिंक का गठन करने के लिए इस्तेमाल किया, न केवल वजन प्रदान करने के लिए साबित कर दिया है कमी लेकिन यह भी एक बढ़ाया सुरक्षा कारक । हालांकि डबल wishbone सस्पेंशन निस्संदेह अधिक बार सौर14कारों में इस्तेमाल कर रहे हैं, वर्तमान अध्ययन एक आड़ा पत्ता वसंत कार्बन फाइबर के साथ बनाया पर विचार, के लिए यह एक सरल और कम उछला वजन के साथ हल्का निलंबन प्रणाली है ।
हवाई जहाज़ के पहिए के निर्माण के लिए के रूप में, एक चेसी कार्बन फाइबर से बना संरचना के विनिर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण प्रदर्शन लाभ अनुदान साबित कर दिया है, सबसे प्रमुख मौजूदा4,8 के लिए एक अपरिहार्य डिजाइन बाधा जा रहा है ,15 सोलर कार उतारेगी । कार्बन फाइबर का उपयोग वाहन के निष्पादन के लिए महत्वपूर्ण है, टीमों वाहनों का निर्माण करने के लिए जहां संरचनात्मक घटकों में से हर एक (या एक ही संरचना के विभिंन भागों, के रूप में चेसिस में) की गणना में स्तरित तंतुओं की एक इष्टतम राशि है झुकाव. उसके लिए, इस कार्य में, सामग्री संपत्तियों का मूल्यांकन मानकीकृत प्रायोगिक परीक्षणों के माध्यम से किया गया है, जैसे कि तीन सूत्रीय झुकने की परीक्षा और interlaminar कतरनी शक्ति (ILSS) परीक्षण.
इलाज चक्र के दौरान आयामी स्थिरता को आश्वस्त करने के लिए, निर्माण आम तौर पर कार्बन फाइबर मोल्ड्स पर वैक्यूम सामान और आटोक्लेव मोल्डिंग4 के साथ किया जाता है, जो उनकी बारी में, ठीक से मिल उच्च घनत्व फोम या एल्यूमीनियम पैटर्न पर फाड़े हुए हैं । भागों के बहुमत सैंडविच संरचनाओं द्वारा गठित है (यानी, त्वचा और अत्यंत हल्के वजन के मुख्य सामग्री पर फाइबर के साथ कि एक बहुत कम वजन ले जा समग्र को झुकने प्रतिरोध विशेषता की सेवा) । इसके अलावा, कार्बन फाइबर अनुनाद घटनाएं के खिलाफ उच्च कंपन सुरक्षा के स्तर की पेशकश के लिए भी लाभप्रद है12।
दुर्घटना की घटनाओं में यात्रियों की सुरक्षा को प्रमाणित करने के लिए लक्ष्य, दुर्घटना परीक्षण आमतौर पर नमूना वाहनों के साथ समय लेने वाली और लाभकर, प्रयोगात्मक, और विनाशकारी परीक्षण शामिल. एक हाल की प्रवृत्ति है कि विशाल लोकप्रियता प्राप्त कर रहा है कंप्यूटर-नकली दुर्घटना परीक्षण है, जहां इन सिमुलेशन प्रभावों के विभिंन प्रकार के दौरान कार में रहने वालों की सुरक्षा की जांच (जैसे, पूर्ण ललाट, ललाट, पक्ष प्रभाव ऑफसेट, और रोल खत्म) . एक सड़क वाहन पर एक दुर्घटना विश्लेषण प्रदर्शन और संख्यात्मक मॉडलिंग के माध्यम से ऐसा करने की व्यवहार्यता के महत्व को देखते हुए, वर्तमान जांच का उद्देश्य सौर वाहन के सबसे महत्वपूर्ण क्षेत्रों की पहचान करने के लिए, दोनों के मामले में अधिकतम तनाव और विकृति, संरचना के सुधार की एक परिकल्पना की अनुमति देने के लिए ।
इसके द्वारा किए गए सौर वाहनों पर संख्यात्मक दुर्घटना परीक्षण अभूतपूर्व है । अनुसंधान पर ग्रंथ सूची की कमी को ध्यान में रखते हुए और इस अभिनव सौर कार दृष्टिकोण, एक अनुकूलन है कि अपनी औसत गति से एक कठोर बाधा पर वाहन के प्रभाव पर विचार के लिए विशिष्ट नियमों को ग्रहण किया गया । उसके लिए, वाहन के ज्यामिति मॉडलिंग और सिमुलेशन (जाल संविधान और सिमुलेशन सेट अप सहित) अलग उपयुक्त सॉफ्टवेयर पर आयोजित किया गया है । वाहन की संरचना के लिए कार्बन फाइबर का उपयोग भी अपने crashworthiness व्यवहार है, जो पहले से ही अंय सामग्री की तुलना में अधिक होना दिखाया गया है द्वारा उचित है, इस तरह के ग्लास फाइबर कंपोजिट, बिजली के वाहनों की दुर्घटना परीक्षण पर16।
1 तालिकासे, यह सूचना है कि एकल laminas सममित नहीं हैं, जबकि पूरे सैंडविच है संभव है । इस plies, तकनीकी ंयूनतम, और वांछित यांत्रिक गुणों के दोनों कम से अधिक संख्या होने की आवश्यकता के कारण है ।
एक तरफ, खंड 1 के रूप में चिह्नित/1b, 2, 3 चित्रा 7 में समग्र यांत्रिक गुणों के लिए जिंमेदार है, उच्च शक्ति सुदृढीकरण के उंमुखीकरण जा रहा है एकतरफ़ा उन दोनों के बीच मुख्य अंतर प्लाई । दूसरी ओर, ए, बी, सी, और डी के रूप में चिह्नित वर्गों को खाते में निलंबन प्रणालियों के और यात्रियों की सीटों के केंद्रित भार लेने के लिए संशोधित कर रहे हैं, पत्ती स्प्रिंग्स की उपस्थिति के कारण ।
कंपोजिट चेसिस के विश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया परिमित तत्व मॉडल एक शेल टोपोलॉजी पर आधारित है । शैल तत्वों समग्र संरचनाओं reproducing के लिए एक उपयुक्त विकल्प हैं, के रूप में वे ठोस तत्वों से काफी सरल जाल के साथ पतली दीवारों निकायों के झुकने कठोरता पर कब्जा करते हैं । दूसरी ओर, सातत्य शैल या ठोस तत्वों का सहारा जब मोटी सैंडविच संरचनाओं या खड़ी तनाव ढाल के साथ क्षेत्रों मॉडलिंग पर विचार किया जाना चाहिए; शैल और सातत्य शैल तत्वों पर तुलनात्मक चर्चा24,25प्रदान की गई है ।
स्थैतिक विश्लेषण का मुख्य उद्देश्य है कि कठोरता और संरचना की ताकत की आवश्यकताओं को पूरा सत्यापित कर रहा है । कठोरता आवश्यकताओं को सुनिश्चित करने से सीधे लागू कर रहे है कि प्रत्येक लोड मामले के तहत वाहन के विरूपण नियमों की सीमा के भीतर है (यानी, वाहन का कोई हिस्सा रहने वालों के कमरे में प्रवेश) । संरचना की शक्ति का आकलन हशिण के समग्र plies के26 नुकसान का मूल्यांकन करने पर आधारित है; अर्थात्, हशिण के मापदंडों को कड़ाई से 1 से कम होना चाहिए । के रूप में अलग हानिकारक मोड मिश्रित टुकड़े करने की वैश्विक विफलता के लिए योगदान, संचई क्षति मानदंड का उपयोग करें (जैसे, हशिण) की सिफारिश की है; अधिकतम तनाव मानदंड धातु घटकों के लिए उपयुक्त हो सकता है ।
साहित्य हल्के समग्र पत्ती स्प्रिंग्स के डिजाइन अनुकूलन के लिए विभिंन समाधानों का प्रस्ताव किया है, लेकिन उनमें से ज्यादातर केवल एक ही पहिया27,28 कनेक्ट (कोई antiroll क्षमता) या केवल अर्क मोल्ड के लिए उपयुक्त है प्रौद्योगिकी (डबल पतला)29। यहां प्रस्तुत पत्ती वसंत के डिजाइन prepreg फाड़ना प्रक्रिया है, जो एक डबल पतला डिजाइन समाधान की अनुमति नहीं है लेकिन उच्च सामग्री शक्ति और विश्वसनीयता की गारंटी देता है द्वारा एक प्राथमिकताओं विवश है ।
पत्ती वसंत का अभिनव पहलू एक में दो घटकों के कार्यात्मक एकीकरण है (वसंत और antiroll बार) और मुख्य लाभ बड़े पैमाने पर कमी है । इसके अलावा, प्रस्तावित विश्लेषणात्मक मॉडल के लिए धन्यवाद, यह आगे द्रव्यमान को कम करने के लिए संभव है और सेट अधिकतम लोड और विस्थापन के लिए इष्टतम ज्यामिति तेजी से मिलता है ।
स्थानीय तनावों और बाहर के विमान लोगों, जो विश्लेषणात्मक मॉडल द्वारा की सराहना नहीं किया जा सकता है, परिमित तत्व विधि द्वारा मूल्यांकन कर रहे हैं, और पत्ती वसंत समग्र एकल परतों ईंट तत्वों के साथ मॉडलिंग कर रहे हैं । यह समाधान गणना से भारी गोले का उपयोग कर रहा है, लेकिन अनुमति देता है, हशिण के साथ संयोजन में, 3-डी विफलता मानदंड के बाहर के विमान भार है, जो पत्ती वसंत डिजाइन का एक महत्वपूर्ण पहलू है की वजह से फाड़ना भविष्यवाणी करने के लिए । अंत में, पत्ती वसंत के डिजाइन के लिए विश्लेषणात्मक और संख्यात्मक मॉडल एक छोटा पत्ता वसंत पर एक प्रयोगात्मक परीक्षण द्वारा मान्य किया गया है.
दुर्घटना परीक्षण के बारे में, रोल पिंजरे के अपेक्षाकृत ऊंचा विस्थापन, हालांकि यह चिंता का विषय का प्रतिनिधित्व नहीं करता है, मुख्य रूप से इसके सामने पट्टी के लेआउट के लिए जिंमेदार ठहराया है । यह एक विशिष्ट संरचनात्मक उद्देश्य है जो रोल पिंजरे, के लिए चेसिस द्वारा अवशोषित किया जाना चाहिए कि ऊर्जा के अधिकांश स्थानांतरित करने के लिए जिम्मेदार है, यह कोई घटता और प्रभाव दिशा के साथ एक तेज कोण पर, साथ रखा गया है, जो तीव्र तरीके से यह . इस कारण से, रोल पिंजरे वाहन के पीछे करने के लिए धक्का दिया है, जिससे सीटों के लिए अपने लगाव क्षेत्रों पर एक ऊंचा तनाव पैदा कर रहा है । यह ध्यान देने वाली बात है कि, किसी भी सुरक्षा सुविधाओं है कि संभावित पर सुधार किया जा सकता है के बावजूद, चेसी की ंयूनतम विकृति और तथ्य यह है कि कोई घटक प्रवेश/यह स्पष्ट है कि वाहन के डिजाइन माना जाता है बना सुरक्षित इसके crashworthiness के संबंध में ।
इसलिए, एक पूरे के रूप में वाहन के संरचनात्मक डिजाइन माना जाता है सामग्री के उपयोग के मामले में अनुकूलित किया गया है, जहां व्यापक गणना प्रोटोकॉल में दिखाया एक चेसी के डिजाइन के लिए आवश्यक है और पत्ती के लिए स्प्रिंग्स कि सिलवाया रहे थे के लिए प्रकाश और एक बढ़ाया यांत्रिक प्रदर्शन पेश करने के लिए । इसके अलावा, एक संख्यात्मक दुर्घटना परीक्षण सिमुलेशन के माध्यम से, वाहन संरचना का प्रदर्शन किया है कि यह सफलतापूर्वक एक पूर्ण ललाट अपने इष्टतम ऊर्जावान दक्षता पर कार की औसत वेग पर विचार प्रभाव द्वारा आस्थगित गति झेलने में सक्षम है ।
The authors have nothing to disclose.
लेखकों को उनके आवश्यक समर्थन और Marko Lukovic जो क्रूजर के सौंदर्य डिजाइनर था के लिए Onda सोलर स्पोर्टस एसोसिएशन (www.ondasolare.com) के सभी सदस्यों को धंयवाद देना चाहता हूं । इस अनुसंधान गतिविधि यूरोपीय संघ और एमिलिया के वित्तीय सहायता के साथ महसूस किया गया था-Romagna क्षेत्र के अंदर-FESR 2014-2020, 1 धुरी, अनुसंधान और नवाचार ।
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 |