Neste trabalho, vários aspectos relacionam ao processo de projeto estrutural de um cheio-carbono reforçado com fibra plástico veículo solar são detalhados, enfocando o chassi monocoque, as molas de lâmina, e testar o veículo como um todo durante um acidente.
Cruzadores são ocupantes multi veículos solares que são concebidos para competir em longa distância (mais de 3.000 km) corridas solares baseiam o melhor compromisso entre o consumo de energia e a carga. Eles devem obedecer às regras da prova em relação as dimensões totais, o tamanho do painel solar, funcionalidade e segurança e requisitos estruturais, enquanto a forma, os materiais, o trem de força, e os mecânicos são considerados, a critério do designer. Neste trabalho, os aspectos mais relevantes do processo de projeto estrutural de um cheio-carbono reforçado com fibra de plástico solar veículo são detalhados. Em particular, os protocolos utilizados para a concepção da sequência de laminação de chassis, a análise estrutural das molas e a simulação numérica de teste de queda do veículo, incluindo a gaiola de segurança, são descritos. A complexidade da metodologia de projeto de estruturas de compósitos reforçado com fibra é compensada pela possibilidade de adaptar suas características mecânicas e otimizando o peso total do carro.
Um carro solar é um veículo movido a energia solar, utilizado para transporte terrestre. O primeiro carro solar foi apresentado em 1955: era um pequena modelo de 15 polegadas, composto de 12 células fotovoltaicas de selênio e um pequeno motor elétrico1. Desde aquela demonstração bem sucedida, grandes esforços foram feitos em todo o mundo para provar a viabilidade da mobilidade sustentável-solar.
A concepção de um veículo solar2 é severamente restringida pela quantidade de entrada de energia para o carro, que é bastante limitada em condições normais. Alguns protótipos foram projetados para uso público, embora sem carros principalmente movido a energia solar estão disponíveis comercialmente. Por uma questão de fato, carros solares parecem longe de ser um uso comum na vida cotidiana, dada seus limites atuais, especialmente em termos de custo, escala e funcionalidade. Ao mesmo tempo, eles estão representando um banco de teste válido para o desenvolvimento de novas metodologias, a nível de design e fabricação, combinando tecnologia normalmente usada em setores industriais avançados, tais como energia alternativa, aeroespacial, e automotivo. Além disso, a maioria dos carros solares foram construídos com a finalidade de corridas de carro solar, brasonadas eventos ao redor do mundo, cujos participantes são, principalmente, universidades e centros de pesquisa que estão ostentando a pesquisa de soluções ideais para cada problema técnico. Em particular, os organizadores das competições mais importantes (por exemplo, o World Solar Challenge) tem sido adotar uma estratégia de desenvolvimento dos regulamentos que visam trazer estes veículos extremos tão próxima quanto possível para a mais tradicional corrida meios de transporte. Especificamente, depois de muitos anos em que os veículos eram o único-seaters e projetado para a rota de viagem como rapidamente quanto possível, a categoria emergente dos veículos do cruzador foi recentemente introduzido e desenvolvido para o transporte eficiente de passageiros mais.
Para estes veículos, as prescrições técnicas tornaram-se ainda mais rigorosas. Na verdade, não só que eles têm de garantir a máxima eficiência energética, mas também devem cumprir com condições mais complexas de engenharia ligadas a diferentes funcionalidades. Por exemplo, a possibilidade de transportar um maior número de ocupantes torna mais difícil para garantir as condições de segurança e dirigibilidade. O esforço é feito mais complicado devido o aumento de peso global e a necessidade de inserir uma muito maior bateria, enquanto espaços internos devem ser reduzidos, tornando o posicionamento da mecânica difícil.
Uma nova filosofia de design deve ser abordada, incluindo uma visão diferente do uso de material e fabricação. Em primeiro lugar, os materiais devem ser escolhidos baseia a mais elevada relação resistência-peso e, como consequência directa, plásticos fibra de carbono reforçado representam uma solução ideal. Além disso, estratégias específicas no projeto devem ser implementadas.
No presente artigo, são descritos os procedimentos utilizados para projetar algumas das mais importantes peças estruturais do veículo solar, como seu chassi monocoque, a suspensão e até mesmo um teste de batida computacional. O escopo final é obter rapidamente um veículo solar com o peso mínimo possível, em uma troca com regras de aerodinâmica e corrida.
Obviamente, a pesquisa para o material ideal em termos de relação entre peso e resistência é restrita pela tecnologia empregada, que é o molde da autoclave de pré-impregnados CFRP. O objetivo dos métodos selecionados é a determinação rápida da escolha material ideal em termos de tipologia de dobras dentro de um intervalo finito de possibilidades e em termos de percebê-lo. Na verdade, projetando com materiais compostos implica a escolha simultânea de Propriedades geométricas de seções, do material específico e da tecnologia apropriada (que, no caso apresentado aqui, estava determinado a priori, como muitas vezes acontece).
Várias competições de renome desempenho de longa distância para veículos eléctricos solares foram realizadas em todo o mundo nas últimas décadas, envolvendo top-rank universidades e centros de pesquisa, que são os principais agentes de promoção para o desenvolvimento deste tipo de mobilidade tecnologia. No entanto, a competitividade que corre neste campo de investigação em aliança com os limites da propriedade intelectual é um fator limitante a sério para a difusão do conhecimento sobre o assunto. Por esta razão, a revisão de literatura sobre contas de projeto de carro solar para alguns (e às vezes desatualizadas) referências, mesmo quando toda pesquisas são baseadas sobre este survey3, que é porque são encorajados a realização de obras como o presente.
Independentemente de qual aspecto do design do veículo está sendo melhorado, um objectivo comum sempre visa: a obtenção de maior eficiência energética. Produtivas mudanças no desenho não são sempre baseadas em tecnologias de ponta, como eles podem ser meramente com base na mecânica como abaixar o centro de gravidade do veículo para aumentar a sua estabilidade (o que é particularmente importante para competições realizadas no deserto rajadas de regiões4 , devido ao vento lateral5) ou reduzindo o peso do veículo peças6-de que um 10% de redução de peso global em veículos elétricos pode-se inferir até 13,7% em7de poupança de energia. Estratégias de gestão de energia profunda também são comumente usadas em eventos de corrida para garantir o melhor desempenho possível, onde excitante velocidade máxima de 130 km/h e única acusações que duram por mais de 800 km pode ser obtido no cruzador classe carros8.
O estudo da aerodinâmica da5,9,10 do veículo é importante para garantir a resistência do ar e suavidade durante a condução, onde os principais aspectos a ser controlado são uma redução do coeficiente de arrasto para permitir que o carro para levar ao gastar menos energia e o coeficiente do elevador deve ser mantido negativo para garantir que o carro está com segurança e estàvel presos ao solo, mesmo em velocidades mais altas.
Outro parâmetro importante a ser desenvolvida é o sistema de suspensão, que é geralmente aplicado em veículos regulares com fins exclusivo de fornecer conforto, estabilidade e segurança, mas em carros solares deve também ser luz. Este aspecto importante tem sido explorado desde 199911 em estudos envolvendo molas de lâmina de fibra de vidro e, mais recentemente, com fibra de carbono12 que, quando usado para constituir a fúrcula ligações13, provou-se para fornecer não somente o peso redução, mas também um fator de segurança reforçada. Embora as suspensões dobro-wishbone, sem dúvida, são mais frequentemente utilizadas em carros solares14, o atual estudo considera uma mola de lâmina transversal construída com fibra de carbono, por isso é um sistema de suspensão mais simples e mais leve, com redução de peso não suspenso.
Quanto para a fabricação do chassis, revelou-se a construção de uma estrutura monocoque de fibra de carbono para conceder uma vantagem de desempenho significativa, sendo uma restrição do projeto indispensável para o mais proeminente existentes4,8 ,15 equipes de carro solar. O uso da fibra do carbono é vital para a execução do veículo, permitindo que as equipes para construir veículos onde cada uma das componentes estruturais (ou diferentes partes da estrutura do mesma, como no chassis) tem uma quantidade ideal de fibras em camadas em calculado orientações. Por isso, neste trabalho, o material Propriedades foram avaliadas através de padronizados ensaios experimentais, tais como o teste de flexão de três pontos e o teste de força (ILSS) cisalhamento interlaminar.
Para garantir a estabilidade dimensional durante o ciclo de cura, a construção geralmente é feita com ensaque do vácuo e autoclave4 em moldes de fibra de carbono que, por sua vez, são laminadas em espuma de alta densidade precisamente branqueada ou padrões de alumínio de molde. A maioria das peças é constituída por estruturas sanduíche (ou seja, com fibras na pele e materiais do núcleo extremamente leves que servem para atribuir a flexão resistência à composição carregando um peso extremamente baixo). Além disso, a fibra de carbono também é vantajosa para oferecendo níveis mais altos de segurança vibracional contra fenómenos de ressonância12.
Com o objetivo de certificar a segurança dos passageiros em eventos de colisão, testes de choque geralmente envolvem testes demorados e antieconômico, experimentais e destrutivas com veículos de amostra. Uma tendência recente que vem ganhando grande popularidade é artificialmente crash testes, onde estas simulações investigar a segurança dos ocupantes do carro durante diferentes tipos de impactos (por exemplo, frontal completa, deslocamento de impacto frontal, lateral e virar) . Dada a importância da realização de uma análise de um acidente em um veículo de estrada e a viabilidade de fazê-lo através de modelagem numérica, a presente investigação visa identificar as áreas mais críticas do veículo solar, em termos de tanto stress máximo e deformação, de modo a permitir uma hipótese de melhoria da estrutura.
O teste de queda numérica na solares veículos realizadas por este meio é sem precedentes. Considerando a falta de bibliografia sobre a pesquisa e a regulamentação específica para esta abordagem inovadora carro solar, supunha-se uma adaptação que considera o impacto do veículo em um obstáculo rígido a sua velocidade média. Por isso, a modelagem da geometria do veículo e a simulação (incluindo malha Constituição e simulação de set-up) têm sido realizados sobre diferente software apropriado. O uso de fibra de carbono para a estrutura do veículo também é justificado pelo seu comportamento, resistência ao choque, que já foi mostrado para ser maior do que a de outros materiais, tais como compósitos de fibra de vidro, em testes de colisão de veículos eléctricos16.
Da tabela 1, é possível perceber que o único dos podócitos não são simétricos, enquanto é o sanduíche inteiro. Isto é devido a necessidade de ter tanto o menor número de dobras, o tecnológico mínimo e as propriedades mecânicas desejadas.
De um lado, a seção marcada como 1/1b, 2, 3, na Figura 7 é responsável para as propriedades mecânicas em geral, sendo a orientação da camada de reforço de alta resistência unidirecional, a principal diferença entre eles. Do outro lado, as seções marcadas como A, B, C e D são modificadas para ter em conta as cargas concentradas dos sistemas de suspensão e de assentos de passageiros, devido à presença das molas de lâmina.
O modelo de elementos finitos utilizado para a análise do chassi composto baseia-se em uma topologia de concha. Elementos de casca são uma opção adequada para a reprodução de estruturas compósitas, como eles tendem a capturar a rigidez de flexão dos corpos de paredes finas com malhas substancialmente mais simples do que elementos sólidos. Por outro lado, recorrer ao continuum shell ou elementos sólidos deve ser considerado quando modelar estruturas sanduíche grosso ou regiões com inclinações íngremes de stress; uma discussão comparativa sobre elementos de casca shell e contínuo é fornecida24,25.
O principal objetivo da análise estática é verificar que a rigidez e a resistência da estrutura preenchem os requisitos. Requisitos de rigidez são aplicados diretamente, garantindo que a deformação do veículo sob cada caso de carga está dentro dos limites dos regulamentos (ou seja, nenhuma parte do veículo penetra quarto dos ocupantes). Avaliação da força da estrutura baseia-se na avaliação de danos do Hashin26 das telas compostas; ou seja, os parâmetros do Hashin devem ser estritamente menor que 1. Como diferentes modos prejudiciais contribuam para falha global do compósito laminado, a utilização de critérios cumulativos de danos (por exemplo, do Hashin) é recomendado; critérios de tensão máxima podem ser apropriados para componentes metálicos.
A literatura propôs várias soluções para a otimização do projeto de molas de lâmina compostas leves, mas a maioria deles se conectar somente uma única roda27,28 (sem recurso de antiroll) ou é adequada para o molde de infusão tecnologia (duplo-cônico)29. O desenho da folha primavera aqui apresentado é restrita um priori pelo prepreg de processo, que não permite uma solução de desenho duplo-cônico, mas garante a confiabilidade e alta resistência material de estratificação.
O aspecto inovador da mola é a integração funcional de dois componentes em um (a primavera e o bar antiroll) e a principal vantagem é a redução de massa. Além disso, graças ao modelo analítico proposto, é possível reduzir a massa ainda mais e obter a geometria ideal rápido para o conjunto de carga máxima e deslocamento.
As tensões locais e fora-de-avião que não pode ser apreciada pelo modelo analítico, são avaliados pelo método de elementos finitos, e as camadas de único composto da mola são modeladas com elementos de tijolo. Esta solução é computacionalmente mais pesada do que usando conchas, mas permite que, em combinação com Hashin, critérios de falha em 3D para prever a delaminação causaram por cargas fora-de-avião, que é um aspecto crítico do projeto mola. Finalmente, os modelos analíticos e numéricos para o desenho da folha primavera foram validados por um teste experimental em uma escala da mola de lâmina.
Sobre o teste de queda, o deslocamento relativamente elevado da gaiola do rolo, embora ele não representa um motivo de preocupação, é atribuído principalmente ao layout de sua parte frontal. Sua forma noncurved e a forma aguda, em que é colocado, com sem curvas e em um ângulo agudo com a direção de impacto, é responsável por transferir a maior parte da energia que deve ser absorvida pelo chassis para a gaiola do rolo, que tem um objectivo estrutural distinto . Por esta razão, a gaiola do rolo é empurrada para a retaguarda do veículo, causando um estresse elevado em suas regiões de penhora aos bancos. É importante notar que, apesar de qualquer segurança características que poderiam potencialmente ser melhoradas, a deformação mínima do monocoque e o fato de que nenhum componente penetrou/perfurados outros deixam claro que o design do veículo é considerado seguro em relação a sua resistência ao choque.
Portanto, a concepção estrutural do veículo como um todo é considerada foram otimizados em termos de uso do material, onde o cálculo extensivo mostrou no protocolo é essencial para a concepção de um monocasco e para as molas de folhas que foram adaptadas para ser luz e apresentar um melhor desempenho mecânico. Além disso, através de uma falha numérica teste de simulação, a estrutura do veículo demonstrou que é capaz de suportar com êxito o momentum inferido por um impacto frontal completa Considerando a velocidade média do carro na sua eficiência energética ideal.
The authors have nothing to disclose.
Os autores querem agradecer a todos os membros da Associação de esporte Solare Onda (www.ondasolare.com) pelo apoio essencial e Marko Lukovic quem foi o designer estético do cruzador. Esta atividade de pesquisa foi realizada com o apoio financeiro da União Europeia e da região da Emília-Romanha dentro do POR-FESR 2014-2020, eixo 1, pesquisa e inovação.
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 |