I dette arbejde relateret flere aspekter til strukturelle designprocessen med en fuld-carbon fiber-forstærket plast solar køretøj er detaljerede, med fokus på monocoque chassis, bladfjedre, og køretøjet som helhed under en crash test.
Krydsere er multi beboer soldrevne køretøjer, der er udtænkt til at konkurrere i langtrækkende (over 3.000 km) sol løb baseret på det bedste kompromis mellem energiforbruget og nyttelast. De skal overholde den race regler vedrørende de samlede dimensioner, solar panel størrelse, funktionalitet, og sikkerhed og strukturelle krav, mens form, materialer, drivaggregatet, og mekanikerne betragtes skøn af designeren. I dette arbejde, er de mest relevante aspekter af strukturelle designprocessen med en fuld-carbon fiber-forstærket plast solar køretøj detaljerede. Især er de protokoller, der bruges til design af laminering sekvens af chassiset, bladfjedre strukturel analyse og crash test numerisk simulering af køretøjet, herunder sikkerhed bur, beskrevet. Kompleksitet af design metode af fiber-forstærket komposit strukturer der kompenseres ved mulighed for at skræddersy deres mekaniske egenskaber og optimere den samlede vægt af bilen.
En solar bil er en sol-drevne køretøj, der anvendes for landtransport. Den første sol bil blev præsenteret i 1955: det var en lille 15-tommer model, der består af 12 selen fotovoltaiske celler og en lille elmotor1. Siden den vellykkede demonstration, har store indsats gjort på verdensplan at bevise gennemførligheden af sol-bæredygtig mobilitet.
Design af en solvarme køretøj2 er alvorligt begrænset af mængden af energi input ind i bilen, som er ret begrænset i almindelige betingelser. Nogle prototyper er designet til offentlig brug, selv om ingen biler, primært drevet af solen er kommercielt tilgængelige. Faktisk, synes solar biler langt fra en fælles anvendelse i hverdagen givet deres nuværende begrænsninger, navnlig med hensyn til pris, sortiment og funktionalitet. På samme tid, de repræsenterer en gyldig prøvebænk for udviklingen af nye metoder, på indholdet af både design og fremstilling, kombinerer teknologi, der typisk anvendes i avancerede industrielle sektorer såsom rumfarts-, alternativ energi, og Automotive. Derudover er de fleste sol biler blevet bygget med henblik på solar bil løb, udbasuneret begivenheder rundt omkring i verden, hvor deltagerne er hovedsagelig universiteter og forskningscentre, der praleri forskning af optimale løsninger til hver teknisk problem. Især har arrangørerne af de vigtigste konkurrencer (fxWorld Solar Challenge) vedtaget en strategi for udvikling af de race regler, der har til formål at bringe disse ekstreme køretøjer så tæt som muligt til de mere traditionelle transportmiddel. Specifikt, efter mange år som køretøjerne blev single-seaters og designet til at rejse ruten som hurtigt som muligt, emergent kategori af cruiser køretøjer har været for nylig indført og udviklet til effektiv transport af flere passagerer.
For disse køretøjer, er de tekniske krav blevet endnu strengere. Faktisk, ikke kun har at sikre den maksimale energieffektivitet, men de skal også overholde mere komplekse tekniske betingelser i forbindelse med forskellige funktionaliteter. For eksempel, gør mulighed for at transportere et større antal ombordværende det vanskeligere at garantere sikkerhed og drivability. Bestræbelse er gjort mere kompliceret på grund af den samlede vægt stigning og behovet for at indsætte en meget større batteri, mens indre rum skal reduceres, gør positionering af mekanik vanskeligt.
En ny designfilosofi skal gribes, herunder en anderledes vision for materielle anvendelse og fremstilling. For det første, materialer skal vælges baseret på det højeste styrke / vægt-forhold, og som en direkte konsekvens, carbon-forstærket fiber plast repræsenterer en optimal løsning. Derudover gennemføres konkrete krigslist i design.
I denne artikel, er de procedurer, der er ansat til at designe nogle af de vigtigste strukturelle dele af køretøjets sol som sin monocoque chassis, suspension, og endda en beregningsmæssige crashtest afbildet. Den endelige omfang er at opnå hurtigt en solar køretøjet med mindst mulig vægt, i en byttehandel med aerodynamik og race regler.
Naturligvis, søgen efter det optimale materiale med hensyn til forholdet mellem modstand og vægt er begrænset af teknologi ansat, som er den autoklave støbning af CFRP pre-pregs. Formålet med de valgte metoder er hurtig bestemmelse af de optimale materialevalg ply typologi inden for en begrænset række muligheder og oplægning. I virkeligheden, designe med kompositmaterialer indebærer den samtidige valg af sektioner geometriske egenskaber, det bestemte materiale og den passende teknologi (at i sagen forelagt her, var fast besluttet på forhånd, som det ofte sker).
Flere berømte langdistance ydeevne konkurrencer for sol elektriske køretøjer er blevet afholdt over hele verden i de sidste årtier, der involverer top-rang universiteter og forskningscentre, der er de vigtigste fremme agenter for udviklingen af en sådan mobilitet teknologi. Konkurrenceevne, der kører i feltet forskning i alliance med intellektuel ejendomsret grænser er imidlertid en alvorligt begrænsende faktor for udbredelse af viden om sagen. For derfor litteraturgennemgang på solar bil design konti for par (og nogle gange forældede) referencer, selv når hele forsker er baseret på dette syn3, hvilket er hvorfor realiseringen af værker som nuværende opfordres.
Uafhængigt af hvilket aspekt af bilens design forbedres, en fælles mål er altid rettet mod: opnåelse af større energieffektivitet. Produktive ændringer i design er altid ikke baseret på banebrydende teknologier, som de kan være alene baseret på mekanik som sænke tyngdepunktet af køretøjet til at øge sin stabilitet, (hvilket er særlig vigtigt for konkurrencer afholdt i ørkenen regioner4 på grund af side Vind Vindstød5) eller reducere vægten af køretøjets dele6-af som en 10% af samlet vægtreduktion i elbiler kan udlede op til 13,7% i energibesparende7. Grundig energi forvaltningsstrategier er også almindeligt anvendt i race begivenheder til at sikre den bedste mulige ydeevne, hvor spændende maksimale hastigheder på 130 km/h og enkelt afgifter, der holder i mere end 800 km kan fås i cruiser-klasse biler8.
Undersøgelse af køretøjets aerodynamik5,9,10 er vigtigt at forsikre lidt modstand fra luften og glathed under kørsel, hvor de vigtigste aspekter skal kontrolleres er en reduktion af træk koefficienten Tillad bilen til at flytte, mens du bruger mindre energi og lift-koefficienten, der skal holdes negative at sikre at bilen er sikkert og stabilt fastgjort til jorden, selv ved højere hastigheder.
Et andet vigtigt parameter at være designet er affjedringssystem, der generelt anvendes i almindelige køretøjer med de eneste formål at levere komfort, stabilitet og sikkerhed, men i solar biler skal det også være lys. Dette vigtige aspekt er blevet undersøgt siden 199911 i undersøgelser, hvor glasfiber bladfjedre og mere for nylig, med kulfiber12 som, når de anvendes til at udgøre wishbone links13, har vist sig for at give ikke kun vægt reduktion, men også en forbedret sikkerhedsfaktor. Selv om double-wishbone suspensioner utvivlsomt mere ofte bruges i solar biler14, finder den nuværende undersøgelse en tværgående bladfjeder bygget med kulfiber, for det er en enklere og lettere bæresystem med reduceret uaffjedrede vægt.
Med hensyn til fremstilling af chassis, bygning af en selvbærende struktur lavet af carbon fiber har vist sig for at give en betydelig præstation fordel, at blive en uundværlig design begrænsning for den mest fremtrædende eksisterende4,8 ,15 solar bil hold. Brugen af carbon fiber er afgørende for gennemførelsen af køretøjet, gør det muligt teams til at bygge køretøjer, hvor hver enkelt af de strukturelle komponenter (eller forskellige dele af den samme struktur som i kabinettet) har en optimal mængde af fibre lag i beregnet retningslinjer. For at, i dette arbejde, materiale egenskaber er blevet vurderet gennem standardiseret eksperimentelle test, såsom tre-punkts bøjning test og interlaminar shear styrkeprøve (ILSS).
For at sikre formstabilitet under kuren cyklus, er opbygningen generelt lavet med vakuum sække og autoklave molding4 på kulfiber forme, som i deres tur er lamineret på netop sleben high-density skum eller aluminium mønstre. Fleste af delene består af sandwich strukturer (dvs.med fibre på huden og ekstremt letvægts kerne materialer, der tjener til at tilskrive den bøjning modstand til composite transporterer en ekstremt lav vægt). Kulfiber er derudover også fordelagtigt for at tilbyde højere vibrationelle sikkerhedsniveauer mod resonans fænomener12.
Målet er at attestere passagersikkerheden i crash begivenheder, indebære crashtest normalt tidskrævende og uøkonomisk, eksperimenterende og destruktive test med prøven køretøjer. En nyere tendens, der få enorme popularitet er computer-simuleret crash test, hvor disse simuleringer undersøge bil ombordværendes sikkerhed under forskellige slags virkninger (f.eks.fuld frontal, offset frontal, side indvirkning og roll over) . Betragtning af betydningen af udføre en crash-analyse på et vejkøretøj og muligheden for at gøre det gennem numerisk modellering, denne undersøgelse sigter mod at identificere de mest kritiske områder af solar køretøjet, hvad angår både maksimale stress og deformation, for at muliggøre en hypotese om forbedring af strukturen.
Numeriske crashtest på Sol køretøjer hermed foretages er uden fortilfælde. I betragtning af manglen på bibliografi om forskning og de specifikke bestemmelser for denne innovative solar bil tilgang, en tilpasning, der anser virkningen af køretøjet på en stiv hindring med sin gennemsnitshastighed blev antaget. For at, geometri modellering af køretøjet og simulation (herunder mesh forfatning og simulation set-up) er blevet gennemført på forskellige passende software. Brugen af kulfiber for køretøjets struktur er også begrundet i dens kollisionssikkerhed adfærd, som har allerede vist sig at være højere end i andre materialer, såsom glas fiber kompositter, på crashtest af elbiler16.
Fra tabel 1er det muligt at lægge mærke til at de enkelt lameller ikke er symmetrisk, mens hele sandwich er. Dette er på grund af nødvendigheden af at have både mindst antal lag, den teknologiske minimum og de ønskede mekaniske egenskaber.
På den ene side, afsnittet markeret som 1/1b, 2, 3 i figur 7 er ansvarlig for de samlede mekaniske egenskaber, at orienteringen af højstyrke forstærkning envejs ply Hovedforskellen mellem dem. På anden siden, afsnittene markeret som A, B, C og D er ændret for at tage hensyn til de koncentrerede belastninger af systemernes suspension og passagerernes pladser, på grund af tilstedeværelsen af bladfjedre.
Finite element model, der anvendes til analyse af den sammensatte chassis er baseret på en shell topologi. Shell elementer er en egnet mulighed for reproducering kompositkonstruktioner, som de har tendens til at fange den bøjning stivhed af tyndvæggede organer med væsentligt enklere masker end faste elementer. På den anden side bør ty til kontinuum shell eller solid elementer overvejes, når modellering tykke sandwich strukturer eller regioner med stejle stress forløb; en sammenlignende diskussion om shell og kontinuum shell elementer tilbydes24,25.
Hovedformålet med den statiske analyse er bekræftelsen af, stivhed og styrke struktur opfylder kravene. Stivhed krav håndhæves direkte ved at sikre, at deformationen af køretøjet under hver belastning sag er inden for rammerne af forordningerne (dvs.ingen del af køretøjet trænger ombordværende værelse). Vurdering af strukturens styrke er baseret på vurderingen af Hashins skade26 af de sammensatte lag; nemlig skal Hashins parametre være strengt mindre end 1. Som forskellige skadelige tilstande bidrage til global manglende composite laminat, kumulative skader kriterier (f.eks.Hashin’s) anbefales; maksimale stress kriterier kunne være egnet til metalliske komponenter.
Litteraturen har foreslået forskellige løsninger for design optimering af letvægts komposit bladfjedre, men de fleste af dem Tilslut kun et enkelt hjul27,28 (ingen antiroll kapacitet) eller er kun egnet til infusion skimmel teknologi (dobbelt-koniske)29. Design af bladfjeder her forelagt er begrænset apriori af prepreg laminering processen, som tillader ikke en dobbelt-koniske designløsning men garanterer høj materielle styrke og pålidelighed.
Det innovative aspekt af bladfjeder er den funktionelle integration af to komponenter i en (foråret og den antiroll bar) og den største fordel er den masse reduktion. Desuden, takket være den foreslåede analytiske model, det er muligt at yderligere reducere massen og få den optimale geometri hurtigt for sæt maksimal belastning og forskydning.
De lokale spændinger og ud-af-flyet dem, som ikke kan blive værdsat af den analytiske model, er evalueret af finite element-metoden, og bladfjeder sammensatte enkelt lag er modelleret med mursten elementer. Denne løsning er beregningsmæssigt tungere end ved hjælp af skaller, men giver i kombination med Hashin, 3D-manglende kriterier til at forudsige delaminering forårsaget af ud-af-flyet belastninger, som er et kritisk aspekt af bladfjeder design. Endelig, de analytiske og numeriske modeller for udformningen af bladfjeder er valideret af en eksperimentel test på en skaleret bladfjeder.
Vedrørende crashtest, relativt ophøjet fordrivelse af roll bur, selvom det ikke repræsenterer en anledning til bekymring, er hovedsagelig tilskrives layout af sin front bar. Sin noncurved form og den akutte måde, hvor det er placeret, med ingen kurver og på en skarp vinkel med slagretningen, er ansvarlig for at overføre de fleste af den energi, der skal optages af chassis til roll bur, som har et særskilt strukturelle mål . Derfor skubbes roll bur til den bageste del af køretøjet, forårsager en forhøjet stress på sin vedhæftet fil regioner til sæder. Det er vigtigt at bemærke, at på trods af enhver sikkerhed funktioner, der kan være potentielt forbedres, den minimale deformation af monocoque og det faktum, at ingen komponenter gennemtrænges/perforeret andre gør det klart design af køretøjet anses sikker med hensyn til dens kollisionssikkerhed.
Derfor, den strukturelle design af køretøjet som helhed anses for at er blevet optimeret med hensyn til materialeforbrug, hvor omfattende beregning viste i protokollen er afgørende for udformningen af en monocoque og blad fjedre, der blev skræddersyet til at være lys og præsentere en forbedret mekanisk ydeevne. Desuden gennem en numerisk crash test simulation, køretøjets konstruktion bevist, at den er købedygtig med held modstå den dynamik, der udledes af en full-frontal virkning i betragtning af den gennemsnitlige hastighed af bilen på sin optimale energiske effektivitet.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke alle medlemmerne af Onda Solare Sport Association (www.ondasolare.com) for deres væsentlige støtte og Marko Lukovic der var den æstetiske designer af krydseren. Denne forskningsaktivitet blev realiseret med støtte af den Europæiske Union og i regionen Emilia-Romagna inde i POR-FESR 2014-2020, akse 1, forskning og innovation.
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 |