En este trabajo, varios aspectos relacionados con el proceso de diseño estructural de un reforzado fibra del carbón lleno vehículo solar plástico son detallados, centrándose en el chasis de monocasco, las ballestas, y probar el vehículo en su conjunto durante un accidente.
Los cruceros son ocupantes de varios vehículos solares que están pensados para competir en largo alcance (más de 3.000 km) las razas solares basan en el mejor compromiso entre el consumo de energía y la carga útil. Deben cumplir normas de la raza en cuanto a las dimensiones, el tamaño del panel solar, funcionalidad y seguridad y requisitos estructurales, mientras que la forma, los materiales, la cadena cinemática, y la mecánica se considera a la discreción del diseñador. En este trabajo, se detallan los aspectos más relevantes del proceso de diseño estructural de un full carbono reforzado con fibra de plástico vehículo solar. En particular, se describen los protocolos utilizados para el diseño de la secuencia de laminación del chasis, el análisis estructural de muelles de ballesta y la simulación numérica de la prueba de accidente del vehículo, incluyendo la jaula de seguridad. La complejidad de la metodología de diseño de estructuras de compuestos reforzados con fibra se ve compensada por la posibilidad de adaptar sus características mecánicas y optimizando el peso total del coche.
Un automóvil solar es un vehículo con energía solar utilizado para el transporte terrestre. En 1955 se presentó el primer coche solar: era un modelo de 15 pulgadas pequeña, compuesto de 12 células fotovoltáicas de selenio y un pequeño motor eléctrico1. Desde esa demostración exitosa, grandes esfuerzos se han realizado en todo el mundo para demostrar la viabilidad de la movilidad solar sostenible.
El diseño de un vehículo solar2 está severamente restringido por la cantidad de energía de entrada en el coche, que es bastante limitado en condiciones normales. Algunos prototipos han sido diseñados para uso público, aunque no hay coches principalmente alimentadas por el sol están disponibles comercialmente. De hecho, coches solares parecen lejos de un uso común en la vida cotidiana, dada sus límites actuales, especialmente en términos de costo, variedad y funcionalidad. Al mismo tiempo, representan un banco de prueba válida para el desarrollo de nuevas metodologías, en los planos de diseño y fabricación, combinando tecnología emplean en sectores industriales avanzados, como la aeroespacial, la alternativa, y automotriz. Además, la mayoría de automóviles solares se han construido con el fin de las carreras de coches solares, brillo eventos alrededor del mundo, cuyos participantes son principalmente las universidades y centros de investigación que se cuenta con la investigación de soluciones óptimas para cada problema técnico. En particular, los organizadores de las competiciones más importantes (por ejemplo, el desafío Solar Mundial) han adoptado una estrategia de desarrollo de las normas de carrera que pretende llevar estos vehículos extremos tan cerca como sea posible a lo más tradicional medios de transporte. Específicamente, después de muchos años en los que los vehículos eran solos-seaters y diseñado viajar la ruta como rápidamente como sea posible, la emergente categoría de vehículos crucero ha sido recientemente introducido y desarrollado para el transporte de pasajeros más eficiente.
Para estos vehículos, los requisitos técnicos se han convertido en aún más estrictos. De hecho, no sólo tienen que garantizar la máxima eficiencia energética, pero también deben cumplir con condiciones de ingeniería más complejas vinculadas a diferentes funcionalidades. Por ejemplo, la posibilidad de transportar un mayor número de ocupantes hace más difícil garantizar las condiciones de seguridad y conducción. El esfuerzo se hace más complicado debido al aumento de peso global y la necesidad de insertar un mucho más grande paquete de la batería, mientras que espacios internos deben ser reducidos, haciendo el posicionamiento de los mecánicos de difícil.
Debe abordarse una nueva filosofía de diseño, incluyendo una visión diferente del uso de materiales y fabricación. En primer lugar, deben seleccionarse materiales basados en el cociente del fuerza-a-peso más alto y, como consecuencia directa, plásticos de la fibra de carbono reforzado representan una solución óptima. Además, deben implementarse estratagemas específicas en el diseño.
En el presente artículo, se describen los procedimientos empleados para el diseño de algunas de las partes estructurales más importante del vehículo solar, como incluso una prueba de accidente computacional, su chasis monocasco y la suspensión. El alcance final es obtener rápidamente un vehículo solar con el peso lo menos posible, en una relación inversa con las reglas de aerodinámica y raza.
Obviamente, la búsqueda para el material óptimo en términos de la relación entre resistencia y peso está limitada por la tecnología empleada, que es el moldeado de la autoclave de preimpregnados CFRP. El objetivo de los métodos seleccionados es la determinación rápida de la opción óptima del material en cuanto a la tipología de capas dentro de un rango finito de posibilidades y en términos de Lay. De hecho, el diseño con materiales compuestos implica la elección simultánea de propiedades geométricas de las secciones de material específico y de la tecnología adecuada (que, en el caso presentado aquí, estaba determinado a priori, como sucede a menudo).
Varios concursos de reconocido rendimiento interurbano para los vehículos eléctricos solares han llevado a cabo en todo el mundo en las últimas décadas, con las universidades de primera categoría y centros de investigación, que son los principales agentes de promoción para el desarrollo de esta movilidad tecnología. Sin embargo, la competitividad que se ejecuta en este campo de investigación en alianza con los límites de la propiedad intelectual es una serio limitante para la difusión del conocimiento en la materia. Para ello, la revisión de cuentas de diseño solar del coche para pocos (y a veces anticuadas) referencias, incluso cuando todos investigaciones se basan en esta encuesta3, que es por qué se recomienda la realización de trabajos como el presente.
Independientemente de qué aspecto del diseño del vehículo está siendo mejorado, un objetivo común tiene siempre como objetivo: el logro de mayor eficiencia energética. Cambios productivos en el diseño no están siempre basadas en tecnologías de vanguardia, ya que pueden basarse meramente en mecánica como bajar el centro de gravedad del vehículo para aumentar su estabilidad (que es particularmente importante para competiciones organizadas en el desierto regiones4 debido al viento lateral ráfagas5) o reducir el peso de vehículo piezas6-de que un 10% de reducción de peso global de vehículos eléctricos puede deducir hasta un 13,7% en ahorro de7. Estrategias de gestión de energía completo también se utilizan en los eventos de la raza para asegurar el mejor rendimiento posible, donde emocionantes velocidades máximas de 130 km/h y solo cargas que duran para más de 800 km se pueden obtener en clase crucero coches8.
El estudio del vehículo aerodinámica5,9,10 es importante para asegurar la poca resistencia del aire y suavidad durante la conducción, donde los principales aspectos a controlar son una reducción del coeficiente de arrastre para Deje el coche para moverse mientras que el gasto menos energía y el coeficiente de elevación que se mantendrán negativo para garantizar que el coche es segura y estable unido a la tierra, incluso a velocidades más altas.
Otro parámetro importante a ser diseñado es el sistema de suspensión, que se aplica generalmente en vehículos regulares con los fines única de proporcionar comodidad, estabilidad y seguridad, pero en coches solares debe ser luz. Este importante aspecto se ha explorado desde 199911 en estudios que incluyeron ballestas fibra de vidrio y, más recientemente, con fibra de carbono12 que, cuando se utiliza para constituir wishbone enlaces13, ha demostrado para proporcionar no sólo peso reducción, sino un factor de mejora de la seguridad. Aunque doble-wishbone suspensión, sin duda, más a menudo se utiliza en coches solar14, el presente estudio considera un resorte plano transversal construido con fibra de carbono, pues es un sistema de suspensión más simple y más ligero con menor peso no suspendido.
En cuanto a la fabricación del chasis, la construcción de una estructura monocasco de fibra de carbono ha demostrado dar una ventaja considerable en el rendimiento, siendo una restricción de diseño indispensable para los actuales más destacados4,8 ,equipos de coche solar de15 . El uso de fibra de carbono es vital para la ejecución del vehículo, permitiendo que los equipos para la construcción de vehículos donde cada uno de los componentes estructurales (o diferentes partes de la misma estructura, como en el chasis) tiene una cantidad óptima de fibras en capas en calculado orientaciones. Para que, en este trabajo, el material propiedades han sido evaluadas a través de estandardizado pruebas experimentales, como la prueba de flexión de tres puntos y la cizalla interlaminar (ILSS) prueba.
Para asegurar estabilidad dimensional durante el ciclo de polimerización, la construcción generalmente se realiza con vacío con bolsas y4 moldes de fibra de carbono que, a su vez, se laminan en espuma de alta densidad molida precisamente o patrones de aluminio de moldeo por autoclave. La mayoría de las partes está constituida por estructuras sándwich (es decir, con las fibras de la piel y de materiales de la base de peso extremadamente ligero que sirven para atribuir la flexión resistencia a compuestos con un peso extremadamente bajo). Además, la fibra del carbón también es ventajosa para ofrecer mayores niveles de vibración seguridad contra fenómenos de resonancia12.
Con el objetivo de certificar la seguridad de los pasajeros en los eventos de accidente, pruebas de choques implican generalmente desperdiciador de tiempo y antieconómicas, experimentales y destructivas pruebas con vehículos de la muestra. Una tendencia que está ganando gran popularidad es accidente simulado por ordenador de pruebas, donde estas simulaciones investigar la seguridad de los ocupantes del coche durante diferentes tipos de impactos (por ejemplo, impacto frontal, lateral frontal, offset y rodillo encima) . Dada la importancia de realizar un análisis de accidente en un vehículo de carretera y la factibilidad de hacerlo a través de la modelización numérica, la presente investigación pretende identificar las áreas más críticas del vehículo solar, en términos tanto tensión máxima y deformación, para permitir una hipótesis de mejora de la estructura.
Numérica crash test de vehículos solares realizadas por este medio no tiene precedente. Teniendo en cuenta la falta de bibliografía en la investigación y las normas específicas para este enfoque innovador auto solar, suponía una adaptación que considere el impacto del vehículo en un obstáculo rígido a su velocidad media. Por eso, la modelización de la geometría del vehículo y la simulación (incluyendo acoplamiento de Constitución y simulación puesta en marcha) se han realizado en diferentes software apropiado. El uso de fibra de carbono para la estructura del vehículo se justifica también por su comportamiento de resistencia a los golpes, que ya se ha demostrado para ser más alto que el de otros materiales como composites de fibra de vidrio, en pruebas de colisión de vehículos eléctricos16.
De la tabla 1, es posible notar que las láminas individuales no son simétricos, mientras que el sándwich entero es. Esto es debido a la necesidad de que tanto el menor número de capas, el tecnológico mínimo y las propiedades mecánicas deseadas.
Por un lado, la sección marcada como 1/1b, 2, 3 en la figura 7 es responsable de las propiedades mecánicas en general, siendo la orientación de la capas de refuerzo de alta resistencia unidireccional la principal diferencia entre ellos. En el otro lado, las secciones marcan como A, B, C y D son modificados para tener en cuenta las cargas concentradas de los sistemas de suspensión y asientos de los pasajeros, debido a la presencia de las ballestas.
El modelo de elementos finitos utilizado para el análisis del chasis compuesto se basa en una topología de shell. Los elementos Shell son una opción adecuada para reproducir estructuras, ya que tienden a capturar la flexión rigidez de los cuerpos de paredes delgadas con substancialmente más simples mallas de elementos sólidos. Por otra parte, recurrir a shell continuo o elementos sólidos debe considerarse al modelado de estructuras sándwich grueso o áreas con gradientes de tensión escarpada; una discusión comparativa de elementos shell shell y continuo se proporciona24,25.
El objetivo principal del análisis estático es comprobar que la rigidez y la fuerza de la estructura cumplen los requisitos. Requisitos de rigidez se aplican directamente, asegurando que la deformación del vehículo bajo cada hipótesis de carga es dentro de los límites de las normas (es decir, ninguna parte del vehículo penetra en la sala de los ocupantes). Evaluación de la fuerza de la estructura se basa en la evaluación de daños de Hashin26 de las capas compuestas; es decir, parámetros de Hashin deben ser estrictamente menor que 1. Como modos de dañar contribuyan al fracaso global del compuesto laminado, el uso de criterios de daño acumulativo (por ejemplo, de Hashin) se recomienda; criterio de la tensión máxima podría ser adecuado para componentes metálicos.
La literatura ha propuesto varias soluciones para la optimización del diseño de peso ligero compuesto de ballestas, pero la mayoría de ellos Conecte solamente una sola rueda27,28 (sin capacidad de recarga) o sólo es adecuada para el molde de la infusión tecnología (doble cónica)29. El diseño de la ballesta que aquí se presenta es limitados a priori por el prepreg de proceso, que no permite una solución de diseño cónico doble garantiza fiabilidad y alta resistencia material que lamina.
El aspecto innovador de la ballesta es la integración funcional de los dos componentes en uno (el muelle y la barra de recarga) y la principal ventaja es la reducción de la masa. Además, gracias al modelo analítico propuesto, es posible reducir la masa y obtener la geometría óptima rápido para el sistema de carga máxima y el desplazamiento.
Las tensiones locales y fuera de él que no puede ser apreciada por el modelo analítico, son evaluados por el método de elementos finitos, y el resorte plano compuesto capas solo se modelan con elementos de ladrillo. Esta solución es computacionalmente más pesada que el uso de conchas pero permite, en combinación con Hashin, criterios de fallo 3-d para predecir delaminación causaron por cargas fuera de plano, que es un aspecto crítico del diseño de resorte. Finalmente, los modelos analíticos y numéricos para el diseño de la hoja del resorte han sido validados por una prueba experimental de un resorte de hoja de escala.
Con respecto a la prueba del desplome, el relativamente elevado desplazamiento de la jaula del rodillo, aunque no representa un motivo de preocupación, se atribuye principalmente a la disposición de la barra frontal. Su forma noncurved y la forma aguda en la que se coloca, sin curvas y en un ángulo agudo con la dirección del impacto, es responsable de transferir la mayor parte de la energía que debe ser absorbida por el chasis a la jaula del rodillo, que tiene un distinto objetivo estructural . Por esta razón, la jaula del rodillo es empujada a la parte posterior del vehículo, provocando un estrés elevado en sus regiones de fijación a los asientos. Es importante hacer notar que, a pesar de cualquier seguridad características que podrían mejorarse potencialmente, la deformación mínima del monocasco y el hecho de que ningún componente penetrado, perforado otros dejan claro que el diseño del vehículo se considera seguro en cuanto a su resistencia a los golpes.
Por lo tanto, el diseño estructural del vehículo en su conjunto se considera que han sido optimizados en cuanto a uso de material, donde el cálculo extenso demostrado en el protocolo es esencial para el diseño de un monocasco y las ballestas que fueron diseñadas para ser luz y presentar un mayor rendimiento mecánico. Además, a través de un bloqueo numérico prueba de simulación, la estructura del vehículo demostró que es capaz de soportar con éxito el impulso inferido por un impacto frontal completo teniendo en cuenta la velocidad media del coche en su óptima eficiencia energética.
The authors have nothing to disclose.
Los autores queremos agradecer a todos los miembros de la Asociación del deporte de Onda Solare (www.ondasolare.com) por su apoyo esencial y Marko Lukovic quien fue el diseñador de estética del crucero. Esta actividad de investigación se realizó con el apoyo financiero de la Unión Europea y de la región de Emilia-Romagna, dentro de la FESR POR 2014-2020, eje 1, investigación e innovación.
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 |