In questo lavoro, diversi aspetti relativi al processo di progettazione strutturale di un full carbon fibra rinforzata plastica veicolo solare sono dettagliati, concentrandosi sul telaio monoscocca, le balestre, e il veicolo nel suo complesso durante un crash test.
Gli incrociatori sono veicoli solari multi-occupante che nascono per competere in a lungo raggio (oltre 3.000 km) Gare solare basato sul miglior compromesso tra il consumo di energia e il payload. Essi deve aderire alle regole della gara per quanto riguarda gli ingombri, la dimensione del pannello solare, funzionalità e sicurezza e requisiti strutturali, mentre la forma, i materiali, il propulsore, e la meccanica è considerata a discrezione del progettista. In questo lavoro, gli aspetti più rilevanti del processo di progettazione strutturale di un full carbon fibra rinforzata plastica veicolo solare sono dettagliati. In particolare, i protocolli utilizzati per la progettazione della sequenza di laminazione del telaio, l’analisi strutturale di molle a balestra e la simulazione numerica di prova di incidente del veicolo, tra cui la gabbia di sicurezza, sono descritti. La complessità della metodologia di progettazione di strutture in composito fibrorinforzato è compensata dalla possibilità di sartoria loro caratteristiche meccaniche e ottimizzando il peso complessivo della vettura.
Un’auto solare è un veicolo solare usato per trasporto via terra. Il primo automobile solare è stata presentata nel 1955: era un modello da 15 pollici piccolo, composto da 12 celle fotovoltaiche di selenio e un piccolo motore elettrico1. Poiché tale dimostrazione riuscita, grandi sforzi sono stati fatti in tutto il mondo per dimostrare la fattibilità della mobilità solare sostenibile.
La progettazione di un veicolo solare2 è severamente limitata dalla quantità di input di energia dentro l’auto, che è abbastanza limitata in condizioni ordinarie. Alcuni prototipi sono stati progettati per uso pubblico, anche se nessuna auto alimentata principalmente dal sole è disponibile in commercio. Infatti, automobili solari sembrano lontano da un uso comune nella vita quotidiana dato loro limiti attuali, soprattutto in termini di costo, gamma e funzionalità. Allo stesso tempo, essi rappresentano un banco di prova valido per lo sviluppo di nuove metodologie, ai livelli di progettazione e di fabbricazione, che unisce la tecnologia utilizzata in genere in settori industriali avanzati, quali alternativa, aerospaziale, energia, e automobilistico. Inoltre, la maggior parte delle automobili solari sono state costruite allo scopo di corse di auto solare, blasonati eventi in tutto il mondo, i cui partecipanti sono principalmente università e centri di ricerca che stanno vantando la ricerca di soluzioni ottimali per ogni problema tecnico. In particolare, gli organizzatori delle competizioni più importanti (ad esempio, il World Solar Challenge) sono stati l’adozione di una strategia di sviluppo dei regolamenti di gara che mirano a portare questi veicoli estremi più vicino possibile al più classico mezzi di trasporto. In particolare, dopo molti anni in cui i veicoli erano monoposto e progettato per percorrere il percorso come velocemente possibile, la categoria emergente di cruiser veicoli recentemente introdotto e sviluppato per il trasporto efficiente di più passeggeri.
Per questi veicoli, i requisiti tecnici sono diventati ancora più severi. Infatti, non solo devono garantire la massima efficienza energetica, ma devono anche rispettare condizioni più complesse di ingegneria collegate a diverse funzionalità. Ad esempio, la possibilità di trasportare un maggior numero di occupanti rende più difficile garantire le condizioni di sicurezza e manovrabilità. Lo sforzo è reso più complicato a causa del generale aumento di peso e la necessità di inserire un pacco di batterie molto più grande, mentre gli spazi interni devono essere ridotto, rendendo il posizionamento della meccanica difficile.
Una nuova filosofia di progettazione deve essere affrontata, tra cui una visione diversa dell’uso di materiali e fabbricazione. In primo luogo, i materiali devono essere scelti sulla base del rapporto resistenza-peso più alto e, come diretta conseguenza, plastica della fibra di carbonio rinforzata rappresenta una soluzione ottimale. Inoltre, è necessario implementare specifici accorgimenti nella progettazione.
Nel presente articolo, le procedure utilizzate per la progettazione di alcune delle più importanti parti strutturali del veicolo solare, come il suo telaio monoscocca, le sospensioni e anche un calcolo crash test sono raffigurate. Lo scopo finale è quello di ottenere rapidamente un veicolo solare con il minor peso, in un compromesso con le regole di gara e aerodinamica.
Ovviamente, la ricerca del materiale ottima in termini di rapporto tra resistenza e peso è vincolata dalla tecnologia impiegata, che è lo stampaggio di autoclave di CFRP preimpregnati. Lo scopo dei metodi selezionati è la determinazione rapida della scelta del materiale ottima in termini di tipologia di strati in un intervallo finito di possibilità e di lay-up. In realtà, progettazione con materiali compositi implica la scelta simultanea delle proprietà geometriche delle sezioni del materiale specifico e della tecnologia adatta (che, nel caso presentato qui, era determinato a priori, come spesso accade).
Diversi concorsi di rinomata performance a lunga percorrenza per i veicoli elettrici solari sono tenute in tutto il mondo negli ultimi decenni, che coinvolge top-rank Università e centri di ricerca, che sono i principali agenti di promozione per lo sviluppo di tale mobilità tecnologia. Tuttavia, la competitività che corre in questo campo di ricerca in alleanza con i confini di proprietà intellettuale è un fattore limitante seriamente per la diffusione della conoscenza della materia. Per questo motivo, la revisione della letteratura sui conti di progettazione solare auto per pochi (e a volte obsoleti) i riferimenti, anche quando tutto ricerche si basano su questo sondaggio3, che è perché la realizzazione di opere come il presente sono incoraggiati.
Indipendentemente da quale aspetto della progettazione del veicolo è in fase di miglioramento, è sempre puntato un obiettivo comune: il raggiungimento della maggiore efficienza energetica. Cambiamenti produttivi nel design non sono sempre basate su tecnologie d’avanguardia, come possono essere semplicemente basati sulla meccanica quali l’abbassamento del baricentro del veicolo per aumentare la stabilità (che è particolarmente importante per le gare nel deserto regioni,4 a causa di vento laterale raffiche5) o riducendo il peso del veicolo parti6-di cui un 10% di riduzione complessiva del peso di veicoli elettrici in grado di dedurre fino a 13,7% in7di risparmio energetico. Strategie di gestione energia approfondita sono inoltre comunemente usate in eventi di gara per assicurare le migliori prestazioni possibili, dove emozionante una velocità massima di 130 km/h e singole spese che durano per oltre 800 km possono essere ottenuti in incrociatore classe auto8.
Lo studio del veicolo aerodinamica5,9,10 è importante assicurare una poca resistenza da aria e scorrevolezza durante la guida, dove i principali aspetti da controllare sono una riduzione del coefficiente di resistenza al lasciare l’auto per muoversi mentre la spesa meno energia e il coefficiente di portanza che dovrà essere mantenuto negativo per garantire che l’auto sia fissata in modo sicuro e stabile al suolo, anche a velocità più elevate.
Un altro parametro importante da progettare è il sistema di sospensione, che è generalmente applicato in veicoli regolari con il solo scopo di fornirvi comfort, stabilità e sicurezza, ma in auto solari deve anche essere luce. Questo importante aspetto è stato esplorato dal 199911 in studi condotti su molle a lamelle in fibra di vetro e, più recentemente, con fibra di carbonio12 che, quando utilizzati per costituire wishbone link13, ha dimostrato di fornire non solo peso riduzione, ma anche un fattore di miglioramento della sicurezza. Doppio braccio oscillante sospensioni senza dubbio sono più spesso utilizzati nelle automobili solari14, lo studio corrente considera una molla a balestra trasversale costruita con fibra di carbonio, per esso è un sistema di sospensione più semplice e leggero con riduzione di peso delle masse non sospese.
Per quanto riguarda la fabbricazione del telaio, la costruzione di una struttura monoscocca in fibra di carbonio ha dimostrato di concedere un vantaggio significativo delle prestazioni, essendo un vincolo di progettazione indispensabile per i più importanti esistenti4,8 ,15 squadre di auto ad energia solare. L’utilizzo della fibra di carbonio è di vitale importanza per l’esecuzione del veicolo, permettendo alle squadre di costruire veicoli dove ognuno dei componenti strutturali (o parti diverse della stessa struttura, come il telaio) ha una quantità ottimale di fibre sovrapposte in calcolato orientamenti. Per che, in quest’opera, il materiale sono stati valutati attraverso standardizzato prove sperimentali, come la prova di flessione di tre punti e la prova di resistenza (ULS) taglio interlaminare.
Per garantire la stabilità dimensionale durante il ciclo di cura, la costruzione è realizzata generalmente con sacchi a vuoto e autoclave4 su stampi in fibra di carbonio che, a loro volta, sono laminati su precisamente fresato schiuma ad alta densità o modelli di alluminio di stampaggio. La maggior parte delle parti è costituita da strutture sandwich (cioè, con fibre sulla pelle e materiali estremamente leggero nucleo che servono ad attribuire la resistenza alla flessione per il composito che trasportano un peso estremamente ridotto). Inoltre, la fibra di carbonio è anche vantaggiosa per che offre livelli superiori di sicurezza vibrazionale contro fenomeni di risonanza12.
Al fine di certificare la sicurezza dei passeggeri in eventi crash, crash test coinvolgono di solito test che richiede tempo e antieconomico, sperimentale e distruttivo con veicoli di campione. Una tendenza recente che sta guadagnando grande popolarità è simulato computer crash test, dove queste simulazioni investigare la sicurezza degli occupanti auto durante diversi tipi di impatti (ad es., impatto frontale, lato frontale completa, offset e rotolare) . Data l’importanza di eseguire un’analisi di crash su un veicolo stradale e la fattibilità di farlo attraverso la modellazione numerica, la presente inchiesta mira a individuare le aree più critiche del veicolo solare, in termini sia lo sforzo massimo e deformazione, al fine di consentire un’ipotesi di miglioramento della struttura.
Il numerico crash test su veicoli solari dichiara effettuato è senza precedenti. Considerando la mancanza di bibliografia su ricerca e delle norme specifiche per questo approccio innovativo auto solare, un adattamento che considera l’impatto del veicolo su un ostacolo rigido alla sua velocità media è stata assunta. Per questo, la modellazione della geometria del veicolo e la simulazione (compresi maglia costituzione e simulazione set-up) sono stati condotti su diversi software appropriato. L’utilizzo della fibra di carbonio per la struttura del veicolo è giustificato anche dal suo comportamento di resistenza all’urto, che ha già dimostrato di essere superiore a quello di altri materiali, quali compositi di fibra di vetro, il crash test di veicoli elettrici16.
Dalla tabella 1, è possibile notare che le singole lamine non sono simmetriche, mentre è il panino intero. Questo è dovuto alla necessità di avere sia il minor numero di strati, il minimo tecnologico e le caratteristiche meccaniche desiderate.
Da un lato, la sezione contrassegnata come 1/1b, 2, 3 nella Figura 7 è responsabile per le proprietà meccaniche globali, come l’orientamento dello strato unidirezionale ad alta resistenza di rinforzo la differenza principale tra di loro. Da altro lato, la sezioni contrassegnate come A, B, C e D sono modificati per tenere conto i carichi concentrati dei sistemi di sospensione e di sedili dei passeggeri, a causa della presenza di molle a balestra.
Modello ad elementi finiti utilizzato per l’analisi del telaio composito si basa su una topologia di shell. Gli elementi shell sono un’opzione adatta per la riproduzione di strutture composite, come essi tendono a catturare la rigidità alla flessione dei corpi sottili con sostanzialmente più semplice mesh di elementi solidi. D’altra parte, ricorrere a continuum shell o elementi solidi dovrebbe essere considerata quando modellazione strutture sandwich spessore o regioni con pendenze ripide stress; una discussione comparativa su elementi shell shell e continuum è fornita24,25.
L’obiettivo principale dell’analisi statica sta verificando che la rigidità e la robustezza della struttura soddisfa i requisiti. Requisiti di rigidità vengono applicati direttamente, garantendo che la deformazione del veicolo in ogni caso di carico è entro i limiti dei regolamenti (vale a dire, nessuna parte del veicolo penetra camera degli occupanti). Valutazione della resistenza della struttura si basa sulla valutazione danno26 strati di composito; di Hashin vale a dire, i parametri di Hashin devono essere strettamente minore di 1. Come diversi modi dannosi contribuiscono al fallimento globale del composito laminato, l’uso di criteri di danno cumulativo (ad es., di Paola) è consigliato; criteri di massima sollecitazione potrebbero essere adatti per componenti metallici.
La letteratura ha proposto varie soluzioni per l’ottimizzazione della progettazione di molle a balestra composite leggere, ma la maggior parte di loro collegare solo una singola ruota27,28 (nessuna capacità antirollio) o sono adatta solo per stampo di infusione tecnologia (doppio-conico)29. Il design della foglia molla qui presentato è vincolata aprioristicamente di preimpregnati processo, che non consente una soluzione di design double-conico ma garantisce affidabilità e ad alta resistenza del materiale di laminazione.
L’aspetto innovativo della molla a balestra è l’integrazione funzionale di due componenti in uno (la molla e la barra antirollio) e il vantaggio principale è la riduzione della massa. Inoltre, grazie al modello analitico proposto, è possibile ulteriormente ridurre la massa e ottenere la geometria ottima veloce per il carico massimo impostato e lo spostamento.
Le sollecitazioni locali e fuori-di-piano quelli, che non può essere apprezzata dal modello analitico, vengono valutate con il metodo degli elementi finiti, e il molla a balestra composito singoli strati sono modellati con elementi in laterizio. Questa soluzione è computazionalmente più pesante rispetto all’utilizzo di conchiglie, ma permette, in combinazione con Hashin, criteri di cedimento 3D per predire la delaminazione causati da carichi fuori del piano, che è un aspetto critico del design balestra. Infine, i modelli analitici e numerici per la progettazione della molla a balestra sono stati convalidati da una prova sperimentale su una molla a balestra in scala.
Per quanto riguarda il crash test, la cilindrata relativamente elevata della gabbia del rullo, anche se non rappresenta un motivo di preoccupazione, è principalmente attribuita al layout della sua barra anteriore. La sua forma noncurved e il modo acuto in cui è collocato, con senza curve e su un angolo acuto con la direzione dell’impatto, è responsabile del trasferimento la maggior parte dell’energia che deve essere assorbita dal telaio per la gabbia del rullo, che ha un obiettivo strutturale distinto . Per questo motivo, la gabbia del rullo è spinto verso la parte posteriore del veicolo, causando un elevato stress su sue regioni di fissaggio ai sedili. È importante notare che, nonostante di qualsiasi sicurezza caratteristiche che potrebbero potenzialmente essere migliorate, la minima deformazione della monoscocca e il fatto che nessun componente penetrarono/perforato gli altri mettono in chiaro che il design del veicolo è considerato Cassetta di sicurezza per quanto riguarda la sua resistenza agli urti.
Di conseguenza, il disegno strutturale del veicolo nel suo complesso è considerato sono state ottimizzate in termini di utilizzo dei materiali, dove il vasto calcolo ha mostrato nel protocollo è essenziale per la progettazione di un monoscocca e per le balestre che sono state ideate per essere luce e presentare una prestazioni meccaniche migliorate. Inoltre, attraverso un numerico crash test simulazione, della struttura del veicolo ha dimostrato che è in grado di resistere con successo lo slancio dedotto da un impatto frontale considerando la velocità media della vettura sulla sua efficienza energetica ottima.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori vogliono ringraziare tutti i membri dell’associazione Onda Solare Sport (www.ondasolare.com) per il loro supporto essenziale e Marko Lukovic che fu il progettista estetico dell’incrociatore. Questa attività di ricerca è stata realizzata con il sostegno finanziario dell’Unione europea e della regione Emilia-Romagna all’interno del POR-FESR 2014-2020, asse 1, ricerca e innovazione.
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 |