בעבודה זו, מספר היבטים הקשורים תהליך תכנון מבני העתק מלא סיבים מחוזק פלסטיק רכב סולארי מפורטים, התמקדות המארז monocoque, המעיינות עלה, ולבדוק הרכב כולו במהלך קריסה.
סיירות הם רכב סולארי הדייר מרובה הם שייצרו את להתחרות בלטווח ארוך (מעל 3,000 ק מ) גזעים סולארית המבוססת על הפשרה המיטבית בין צריכת האנרגיה את המטען. הם חייבים לציית מכללי של הגזע את הממדים הכולל גודל פאנל סולארי, פונקציונליות, ואת הבטיחות, דרישות מבניות, בעוד הצורה, את החומרים, את powertrain, ונחשבים המכניקה שיקול דעת של המעצב. בעבודה זו, ההיבטים הרלוונטיים ביותר של תהליך תכנון מבני מלא פחמן מחוזק סיבי פלסטיק השמש רכב מפורטים. בפרט, בפרוטוקולים המשמשים לעיצוב של הרצף למינציה של המארז, ניתוח מבנה של מעיינות עלה התרסקות מבחן סימולציה נומרי של הרכב, כולל הכלוב בטיחות, מתוארים. המורכבות של המתודולוגיה עיצוב של סיבים מחוזק מבנים מרוכבים יפוצה על ידי האפשרות של תפירה שלהם מאפיינים מכני, אופטימיזציה של המשקל הכולל של הרכב.
מכונית סולארית הוא רכב סולארית שימשו יבשתית. המכונית הסולארית הראשונה הוצגה בשנת 1955: זה היה מודל 15 אינץ זעירים, של 12 תאים פוטו סלניום ו- מנוע חשמלי קטן1. מאז זה הדגמה מוצלחת, מאמצים גדולים בוצעו ברחבי העולם כדי להוכיח את הכדאיות של השמש-ניידות.
העיצוב של רכב סולארי2 הוא מוגבל חמור לפי כמות האנרגיה המושקעת נכנס למכונית, אשר די מוגבל בתנאים רגילים. איזה טיפוס עוצבו לשימוש הציבור, למרות אין מכוניות בעיקר מופעל על ידי השמש זמינים מסחרית. לאמיתו של דבר, מכוניות השמש נראה רחוק שימוש משותף בחיי היומיום, בהתחשב ליכולתם הנוכחי, במיוחד במונחים של עלות, הטווח והפונקציונליות. במקביל, הם הם המייצגים ספסל מבחן תקף לפיתוח מתודולוגיות חדשות, ברמות של עיצוב והן בייצור, שילוב טכנולוגיה המשמשת בדרך כלל בתחומים תעשייתיים מתקדמות, כמו התעשייה האווירית, אנרגיה חלופית, ו כלי רכב. בנוסף, רוב מכוניות השמש נבנו לצורך מכונית סולארית גזעים, blazoned אירועים בכל רחבי העולם, אשר המשתתפים הם בעיקר מאוניברסיטאות וממרכזי מחקר זה הן המתגאה המחקר של האופטימלית פתרונות לכל בעיה טכנית. בפרט, מארגני התחרויות החשובות ביותר (למשל, האתגר העולמי השמש האתגר) יש כבר אימוץ אסטרטגיה של פיתוח של תקנות המירוץ שמטרתן הבאת רכב קיצוניים אלה קרוב ככל האפשר כדי מסורתיות יותר אמצעי התחבורה. באופן ספציפי, לאחר שנים רבות בהם היו כלי רכב יחיד-מקומות, לנוע את המסלול מהר ככל האפשר, הקטגוריה מתהווה של כלי רכב סיירת יש כבר לאחרונה הציג ופיתח עבור תעבורה יעילה של עוד נוסעים.
לכלי רכב אלה, הדרישות הטכניות הפכו מחמירים עוד יותר. למעשה, לא רק הם צריכים להבטיח את יעילות אנרגיה מקסימלית, אלא הם גם חייבים לקיים תנאים הנדסיים מורכבים יותר קשורה פונקציות שונות. לדוגמה, אפשרות שינוע מספר רב יותר של הדיירים מקשה יותר להבטחת תנאי הבטיחות ואת drivability. המאמץ נעשה מסובך יותר עקב העלייה במשקל הכללי ואת הצורך להוסיף חבילת הסוללה גדול יותר, ואילו החללים הפנימיים צריך להיות מופחת, שהופך את המיקום של המכניקה קשה.
פילוסופיה עיצוב חדש יש לגשת, כולל חזון שונה של שימוש בחומר וייצור. ראשית, חומרים יש לבחור המבוסס על יחס חוזק למשקל הגבוה ביותר ולייצג, כתוצאה ישירה, סיבי פחמן מחוזק פלסטיק פתרון אופטימלי. יתר על כן, עליך ליישם בתחבולות ספציפיים עיצוב.
במאמר הנוכחי, מתוארים ההליכים מועסקים לעצב חלקים מבניים החשוב ביותר של הרכב סולארית, כגון התושבת שלה monocoque, ההשעיה, אפילו מבחן התרסקות חישובית. הטווח הסופי הוא להשיג במהירות רכב סולארי עם כמה שפחות המשקל, פשרה עם חוקי האווירודינמיקה וגזע.
ללא ספק, החיפוש אחר החומר האופטימלי מבחינת היחס בין משקל והתנגדות מוגבלת על ידי טכנולוגיית מועסק, אשר המכייר אוטוקלב של CFRP prepregs. מטרת השיטות שנבחרה היא הקביעה מהירה של הבחירה גשמי האופטימלית מבחינת רובדי טיפולוגיה בטווח מוגבל של אפשרויות ומבחינת קליעת ליי-אפ. למעשה, עיצוב עם חומרים מרוכבים מרמז על הבחירה בו זמנית של מאפיינים גיאומטריים של הסעיפים של חומר מסוים, הטכנולוגיה המתאימה (כך, המקרה שהוצג כאן, היה נחוש א-פריורי, כפי שקורה לעתים קרובות).
מספר תחרויות ביצועים הבינעירוניים הנודע עבור כלי רכב חשמליים שמשי נערכו ברחבי העולם בעשורים האחרונים, המערבים למעלה-דרגה לאוניברסיטאות ולמרכזי מחקר, מי הם הסוכנים הראשיים קידום פיתוח כזה ניידות טכנולוגיה. אולם, התחרותיות הפועלת בתחום מחקר זה בברית עם גבולות קניין רוחני הוא גורם מגביל ברצינות על פעפוע של ידע בנושא. משום כך, סקירת ספרות בחשבונות עיצוב מכונית סולארית עבור הפניות כמה (וגם לפעמים מיושנים), גם כאשר כל מחקרים מבוססים על זה סקר3, וזה למה המימוש של יצירות כמו ההווה מעודדים.
ללא תלות להיות משופרת איזה היבט של העיצוב של הרכב, מטרה משותפת תמיד מכוונת: הפרי של צריכת אנרגיה יעילה יותר. פרודוקטיבי שינויים בעיצוב לא תמיד מבוססים על טכנולוגיות חדשניות, כפי שהם יכול להתבסס רק על מכניקת כגון הנמכת מרכז הכובד של הרכב כדי להגביר את היציבות שלה (אשר חשוב במיוחד עבור תחרויות שנערכה במדבר אזורים4 עקב בצד רוח משבים5) או הפחתת המשקל של חלקי רכב6-של אשר 10% ירידה במשקל הכולל של כלי רכב חשמליים ניתן להסיק עד 13.7% ב7חיסכון באנרגיה. אסטרטגיות ניהול אנרגיה יסודי גם משמשות בדרך כלל באירועים מירוץ כדי להבטיח את הביצועים הטובים ביותר, היכן מרגש למהירות מקסימלית של 130 קמ ש וחיובים יחיד שאורכים מעל 800 ק מ ניתן להשיג מכוניות סיירת-קלאס8.
המחקר של הרכב אווירודינמיקה5,9,10 הוא חשוב להבטיח עמידות קטן מן האוויר וחלקות במהלך נהיגה, איפה מספר היבטים מרכזיים כדי להיות נשלט הפחתה של מקדם גרירה כדי לאפשר למכונית לעבור ולבזבז פחות אנרגיה, המקדם מעלית שחייב להישמר שלילי כדי להבטיח כי המכונית בבטחה, stably מחובר לקרקע, גם במהירויות גבוהות יותר.
פרמטר חשוב נוסף צריך להיות מעוצב מערכת ההשעיה, אשר מיושמת בדרך כלל כלי רכב רגיל עם המטרה הבלעדית של מתן נוחות, יציבות, בטיחות, אך מכוניות השמש זה חייב גם להיות אור. היבט זה חשוב יש נחקרו מאז 199911 מחקרים שכללו פיברגלס עלה מעיינות ו, לאחרונה, עם סיבי פחמן12 אשר, בעת שימוש להוות המשאלות קישורים13, הוכיח את עצמו לספק לא רק משקל הפחתת אבל גם גורם בטיחות משופרת. למרות המתלים כפול-עצם ללא ספק משמשים לעתים קרובות יותר מכוניות השמש14, המחקר הנוכחי מתייחס קפיץ עלה ואלכסוני בנוי עם סיבי פחמן, בשביל זה היא מערכת ההשעיה פשוטים וקלים עם משקל unsprung מופחת.
לגבי הייצור של המארז, הבנייה של מבנה monocoque עשוי סיבי פחמן הוכיח להעניק יתרון משמעותיים בביצועים, להיות אילוץ עיצוב הכרחית עבור הבולטים קיימים4,8 ,15 מכונית סולארית צוותים. השימוש של סיבי פחמן חיונית לביצוע של הרכב, המאפשר את הקבוצות לבנות כלי רכב שבו כל אחד של רכיבים מבניים (או חלקים שונים באותו המבנה, כמו המארז) יש כמות אופטימלית של סיבי שכבות מחושב כיוונים. בשביל זה, בעבודה זו, החומר היה להעריך נכסים דרך סטנדרטית בדיקות ניסיוניות, כגון הבחינה כיפוף 3 נקודות במבחן כוח (ILSS) interlaminar הטיה.
כדי להבטיח יציבות ממדית במהלך מחזור התרופה, הבנייה נעשית בדרך כלל עם שאלסי ואקום, החיטוי שהמודעות4 על תבניות סיב פחמן אשר, בתורם, הן בלמינציה קצף בצפיפות גבוהה דווקא טחון או בתבניות אלומיניום. רוב החלקים היוו מאת סנדוויץ מבנים (קרי, עם סיבים על העור, חומרים מאוד קל הליבה לשרת לייחס את ההתנגדות כיפוף הפרדות צבע נשיאה של משקל נמוך מאוד). בנוסף, סיב פחמן הוא גם יתרון המציעה רמות גבוהות יותר של בטיחות הרטט נגד תופעות תהודה12.
מכוון כדי לאשר את הבטיחות של הנוסעים באירועים התרסקות, מבחני ריסוק כרוך בדרך כלל בדיקות זמן רב ו uneconomical ניסיוני, הרסני עם כלי רכב מדגם. המגמה האחרונה אחד, כך הוא צובר פופולריות עצומה היא התרסקות מדומה-מחשב בדיקה, איפה סימולציות אלו לחקור על ביטחונם של הדיירים המכונית במהלך סוגים שונים של השפעות (למשלפרונטלי מלא, היסט חזיתית, בצד ההשפעה, רול מעל) . את החשיבות של ביצוע ניתוח התרסקות על רכב הכביש ואת הכדאיות לעשות זאת באמצעות דגמי מספריים, החקירה הנוכחית שמטרתה זיהוי התחומים הקריטיים ביותר של הרכב סולארית, במונחים של שני לחץ מרביות, דפורמציה, על מנת לאפשר השערה של שיפור של המבנה.
הבדיקה התרסקות מספרי רכב סולארי בזאת ביצעו הוא חסר תקדים. בהתחשב חוסר ביבליוגרפיה על מחקר תקנות ספציפיות עבור גישה חדשנית מכונית סולארית זו, הנחנו כי עיבוד זה מחשיב את ההשפעה של הרכב על מכשול נוקשה במהירות הממוצעת שלו. בשביל זה, דגמי הגיאומטריה של הרכב, ההדמיה (כולל רשת שינוי החוקה וסימולציות הגדרת) נערכו על תוכנות שונות המתאימות. השימוש של סיבי פחמן עבור המבנה של הרכב היא מוצדקת גם על-ידי אופן הפעולה שלו crashworthiness, אשר כבר הוכח להיות גבוה מזה של חומרים אחרים, כגון זכוכית סיבים מרוכבים, על מבחני ריסוק של כלי רכב חשמליים16.
טבלה 1, זה ניתן להבחין כי laminas יחיד אינם סימטריים, אמנם כל כריך. זאת בשל הצורך שיש לפחות שני מספר עננים נים, המינימום טכנולוגי, ואת התכונות המכאניות הרצוי.
מצד אחד, המקטע מסומן כ- 1/1 ב, 2, 3 איור 7 אחראי על תכונות מכאניות בסך הכל, להיות הכיוון של רובדי חד כיווני חיזוק גבוהה-כוח ההבדל העיקרי ביניהם. בצד השני, הסעיפים שסומנו A, B, C ו- D משתנים כדי לקחת בחשבון את עומסי מרוכז של המערכות ההשעיה, של מושבי הנוסעים, בשל נוכחותם של המעיינות עלה.
המודל סופיים המשמש לניתוח של המארז ללא הפרדות צבע מבוסס על טופולוגיה מעטפת. רכיבי מעטפת הם אופציה מתאימה עבור שכפול מבנים מרוכבים, כפי שהם נוטים לתפוס את נוקשות כיפוף של גופים עם קירות דקים עם רשתות פשוטות יותר באופן משמעותי מאשר יסודות מוצקים. מצד שני, להזדקק הרצף מעטפת או רכיבים מוצק יש לקחת בחשבון בעת דגמי מבנים כריך עבה או אזורים עם מעברי צבע מתח גבוה; דיון השוואתי על רכיבי מעטפת מעטפת ושיח מסופק24,25.
המטרה העיקרית של ניתוח סטטי הוא מאמת הנוקשות והעוצמה של המבנה עומד בדרישות. דרישות נוקשות נאכפות ישירות על-ידי הבטחת כי להרכב של הרכב תחת כל מקרה טען היא בגבולות של התקנות (כלומר, לא החלק של הרכב חודר לחדר הדיירים). הערכת לכוח של המבנה מבוסס על הערכת הנזק של Hashin26 של עננים נים ללא הפרדות צבע; כלומר, הפרמטרים של Hashin חייב להיות אך ורק פחות מ 1. כמו מצבי נזק שונים לתרום הכישלון הגלובלית של הפרדות צבע למינציה, השימוש בקריטריונים נזק מצטבר (למשל, של Hashin) מומלץ; קריטריונים לחץ מרביות יכול להיות מתאים רכיבים מתכתיים.
הספרות הציעה פתרונות שונים עבור אופטימיזציה עיצוב של מעיינות עלה מרוכבים קלת משקל, אולם רובם להתחבר רק עם גלגל יחיד27,28 (אין יכולת antiroll) או רק מתאימים אינפוזיה עובש טכנולוגיה (צמצום כפול)29. העיצוב של האביב העלה שהוצגו כאן הוא מוגבל אפריורי מאת prepreg היומי תהליך, אשר אינו מאפשר פתרון כפול-צמצום עיצוב אבל מבטיח חוזק חומרים גבוהה ואמינות.
ההיבט החדשני של האביב העלה הוא שילוב פונקציונאלי של שני רכיבים באחד (המעיין, הבר antiroll), היתרון העיקרי הוא הפחתת מסה. יתר על כן, בזכות המודל האנליטי המוצע, זה אפשרי להקטין את המסה ולקבל עוד יותר את הגיאומטריה של האופטימלית מהר עבור עומס מרבי set והזחה.
לחצים מקומיים ו- out-של-המטוס אלה, אשר לא יכול להיות מוערך על ידי המודל האנליטי, מוערכות על-ידי אלמנטים סופיים, הרבדים יחיד ללא הפרדות צבע העלים הם עוצב עם אלמנטים לבנים. פתרון זה שהמפתחות כבד יותר באמצעות צדפים אבל מאפשר, בשילוב עם Hashin, כשל תלת-ממדי קריטריונים כדי לחזות delamination הנגרמת על ידי מטענים out-של-המטוס, אשר הוא היבט חשוב של העיצוב העלים. לבסוף, יש מודלים אנליטיים ומספרי עבור העיצוב של המעיין עלה מאומתים על-ידי בדיקה ניסויית על קפיץ עלה שקנה המידה שלה השתנה.
לגבי הבדיקה התרסקות, העקירה גבוהות יחסית של הכלוב רול, אמנם הוא לא מייצג עניין של דאגה, בעיקר מיוחס בפריסה של הבר הקבלה שלו. צורתו noncurved ועל הדרך חריפה שבה היא ממוקמת, עם. ללא רמאות, על זווית חדה עם כיוון ההשפעה, אחראי להעברת רוב האנרגיה כי צריך להיספג על ידי המארז לכלוב רול, אשר יש מטרה ברורה מבנית . מסיבה זו, דחף את הכלוב רול האחורי של הרכב, גורם מתח גבוהות על-פני אזורים שלו מצורף אל המושבים. חשוב לשים לב כי למרות לבטיחות כל תכונות אשר יכול להיות פוטנציאל משופר, להרכב מינימלי של monocoque ואת העובדה כי לא רכיבים שחדר/מחורר אחרים שיהיה ברור שנחשב העיצוב של הרכב בטוחה בנוגע crashworthiness שלה.
לכן, העיצוב מבנית של הרכב כולו נחשב מוטבו מבחינת בחומרים, איפה חיוני על העיצוב של monocoque ועל המעיינות עלה כי היו המותאמים להיות בחישוב מקיף הראה בפרוטוקול אור וכדי להציג הופעה מכניות משופרות. יתר על כן, באמצעות מספריים קריסה מבחן סימולציה, מבנה הרכב הוכיח כי הוא מסוגל לעמוד בהצלחה את המומנטום להסיק על ידי השפעה פרונטלי בהתחשב המהירות הממוצעת של המכונית על היעילות האנרגטית אופטימלית שלה.
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצה להודות לכל חברי האגודה ספורט Solare אונדה (www.ondasolare.com) על תמיכתם חיוני Lukovic מרקו שהיה ליוצר הסיירת אסתטי. פעילות מחקרית זו מומש עם התמיכה הכלכלית של האיחוד האירופי ושל האזור Emilia-Romagna בתוך POR FESR 2014-2020, ציר 1, מחקר וחדשנות.
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 |