Name: 巡洋舰级太阳能车的结构设计与制造 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 57 s
Description: 探索全碳纤维增强塑料太阳能车的结构设计与制造方法，使用ANSYS Workbench进行有限元建模、复合材料铺层定义和碰撞测试仿真。该方法帮助研究人员优化单体壳底盘和板簧设计，实现轻量化与安全性的平衡。

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作者谨向Onda Solare体育协会（www.ondasolare.com）的所有成员致以诚挚感谢，感谢他们提供的关键支持；同时感谢Marko Lukovic，他负责了该巡航器的美学设计。本研究工作在欧洲联盟及艾米利亚-罗马涅大区的财政支持下完成，资助项目为2014-2020年POR-FESR计划中第一轴线“研究与创新”。

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作者无任何利益冲突需要披露。

从表1可以看出，单个单层板并不对称，而整个夹芯结构是对称的。这是由于需要同时满足最少铺层数量（即技术最小值）以及所需的力学性能。
一方面，图7中标记为1/1b、2、3的部分负责整体力学性能，它们之间的主要区别在于高强度增强单向层的铺设方向。另一方面，标记为A、B、C和D的部分则经过修改，以考虑由于板簧的存在而带来的悬架系统和乘客座椅集中载荷的影响。
用于分析复合材料车架的有限元模型基于壳体拓扑结构。壳单元是模拟复合结构的合适选择，因为与实体单元相比，壳单元能够用更简化的网格有效反映薄壁结构的弯曲刚度。另一方面，在建模较厚的夹层结构或存在陡峭应力梯度的区域时，应考虑采用连续壳单元或实体单元；关于壳单元与连续壳单元的比较讨论见文献24,25。
静态分析的主要目标是验证结构的刚度和强度是否满足要求。刚度要求通过确保车辆在每种载荷工况下的变形处于规范限定范围内来直接实施（即，车辆任何部分均不得侵入乘员舱）。对结构强度的评估基于对复合材料铺层的Hashin损伤26进行评价；即，Hashin参数必须严格小于1。由于不同的损伤模式会共同导致复合材料层合板的整体失效，因此建议采用累积损伤准则（例如，&#160;Hashin准则）；而对于金属部件，则可采用最大应力准则。
文献已提出了多种轻量化复合材料板簧的设计优化方案，但大多数方案仅连接单个车轮27,28 （无抗滚动能力）或仅适用于注塑成型技术（双锥形）29此处所示的片簧设计受到限制 先验的 通过预浸料层压工艺实现，该工艺不支持双锥形设计，但可确保材料的高强度和可靠性。
钢板弹簧的创新之处在于将两个部件（弹簧和稳定杆）的功能集成于一体，其主要优势是减轻质量。此外，得益于所提出的解析模型，可以进一步减轻质量，并针对设定的最大载荷和位移快速获得最优几何结构。
局部应力和面外应力无法通过解析模型评估，需采用有限元方法进行分析，其中板簧复合材料的单层结构采用实体单元建模。该方案在计算上比使用壳单元更耗资源，但结合Hashin三维失效准则，能够预测由面外载荷引起的分层现象，这是板簧设计中的关键问题。最后，通过在缩比板簧上进行实验测试，验证了用于板簧设计的解析模型与数值模型的有效性。
关于碰撞测试，尽管防滚架的相对较大位移并不构成安全隐患，但其主要归因于前部横梁的布局。由于该横梁为非弯曲形状，并以尖锐角度直接朝向撞击方向安装，缺乏缓冲曲线结构，导致本应由底盘吸收的大部分冲击能量被传递至防滚架，而防滚架的结构设计本意并非承担此类载荷。因此，防滚架被推向车辆后方，使其与座椅连接区域承受较高的应力。需要指出的是，尽管可能存在可进一步优化的安全设计，但单体壳结构变形极小，且无任何部件发生侵入或穿刺现象，表明该车辆在耐撞性设计方面是安全的。
因此，从材料利用的角度来看，整车的结构设计被认为已得到优化，其中本方案中详述的大量计算对于单体壳结构以及轻量化且具有优异力学性能的板簧设计至关重要。此外，通过数值化碰撞试验模拟，车辆结构表明其能够成功承受在汽车处于最佳能量效率时的平均速度下发生正碰所引起的动量。

太阳能汽车是一种用于陆路交通的太阳能动力车辆。第一辆太阳能汽车于1955年问世：它是一个微小的15英寸模型，由12个硒基光伏电池和一个小型电动机组成1。自那次成功的演示以来，全球已投入大量努力，以验证太阳能可持续交通的可行性。
太阳能汽车2的设计受到输入车辆能量的严重限制，在普通条件下可用能量非常有限。尽管已有一些原型车被设计用于公众使用，但目前尚无主要依靠太阳能驱动的汽车投入商业销售。事实上，鉴于当前在成本、续航里程和功能性等方面的局限，太阳能汽车距离日常普遍使用仍相距甚远。与此同时，它们为设计与制造层面新方法的开发提供了有效的试验平台，融合了航空航天、新能源和汽车等先进工业领域中常用的技术。此外，大多数太阳能汽车的建造旨在参加在全球范围内举办的太阳能汽车赛事，这些赛事吸引了以大学和科研机构为主的参赛者，他们致力于为各类技术难题寻求最优解决方案。特别是，一些最重要赛事的组织者（例如，世界太阳能车挑战赛）已采取逐步调整竞赛规则的发展策略，旨在使这些高度专业化的车辆尽可能接近传统交通工具。具体而言，在经历了多年以单座、追求最快速度完成赛程的车辆为主导之后，近年来已引入并发展了“巡航类”车辆这一新兴类别，以实现更高效的多乘客运输。
对于这些车辆，技术要求变得更加严格。实际上，它们不仅需要保证最高的能源效率，还必须满足与多种功能相关的更复杂的工程条件。例如，承载更多乘员的可能性使得保障安全性和可驾驶性条件变得更加困难。由于整车重量增加，且需要安装体积更大的电池组，同时内部空间却必须减少，导致机械部件的布局困难，这使得研发工作更加复杂。
必须采用一种新的设计理念，包括对材料使用和制造方式的不同构想。首先，材料的选择应基于最高的强度-重量比，因此，碳增强纤维塑料成为一种理想解决方案。此外，设计中还必须实施特定的策略。
本文介绍了用于设计太阳能汽车一些最重要结构部件的方法，例如单体壳式底盘、悬挂系统，甚至包括计算仿真碰撞测试。最终目标是在重量、空气动力学性能和比赛规则之间进行权衡，快速制造出重量尽可能轻的太阳能汽车。
显然，从阻力与重量比的角度寻找最优材料时，会受到所采用技术的限制，即碳纤维增强复合材料预浸料的热压罐成型工艺。所选方法的目的是在有限的可能性范围内，快速确定铺层类型和铺层方式下的最佳材料选择。事实上，复合材料设计意味着必须同时确定截面的几何特性、特定材料以及适宜的制造技术（在本案例中，该技术已被确定） 先验的，这种情况经常发生。
几十年来，全球已举办多项著名的太阳能电动车长距离性能竞赛，吸引了顶尖大学和研究中心参与，这些机构也是推动此类交通技术发展的主要力量。然而，该研究领域中存在的竞争性以及知识产权壁垒，严重限制了相关知识的传播。因此，关于太阳能汽车设计的文献综述仅包含少量（有时已过时）的参考文献，即使某些完整的研究工作正是基于此类综述3，这也正是鼓励开展本研究这类工作的原因所在。
无论正在改进车辆设计的哪个方面，始终追求一个共同目标：提高能源效率。设计上的有效改进并不总是依赖尖端技术，有时仅通过机械手段即可实现，例如降低车辆重心以提高稳定性（由于侧风阵风的影响，这一点在沙漠地区举办的比赛尤为重要45），或减轻车辆部件的重量6——在电动汽车中，整车重量减少10%可带来高达13.7%的节能效果7。在赛事中，通常还会采用全面的能源管理策略，以确保最佳性能表现，例如在巡航类车型中可实现最高时速130 km/h，并且单次充电续航超过800 km8。
研究车辆的空气动力学5,9,10对于确保车辆在行驶过程中受到较小的空气阻力并保持平稳至关重要。需要控制的主要方面包括降低阻力系数，以使汽车在行驶时消耗更少的能量；同时保持负的升力系数，以确保即使在较高速度下，车辆也能安全、稳定地贴附于地面。
另一个需要设计的重要参数是悬架系统。在普通车辆中，悬架系统通常仅用于提供舒适性、稳定性和安全性；但在太阳能汽车中，它还必须具备轻量化的特点。自1999年以来，这一重要方面已开始受到关注，早期研究涉及玻璃纤维板簧11，而近年来则更多采用碳纤维材料12。当碳纤维用于构成双叉臂连杆13时，不仅能够减轻重量，还能提高安全系数。尽管双叉臂悬架在太阳能汽车中无疑更为常见14，但本研究采用由碳纤维制成的横向板簧悬架，因其结构更简单、质量更轻，且非悬挂质量更小。
在底盘制造方面，采用碳纤维制成的单体壳结构已被证明能够带来显著的性能优势，是目前最优秀的太阳能汽车团队不可或缺的设计约束4,8,15。碳纤维的使用对车辆的实现至关重要，使各团队能够制造出每个结构部件（或同一结构的不同部分，如底盘）均具有按计算取向铺叠的最优纤维层数的车辆。为此，本研究通过标准化的实验测试（如三点弯曲试验和层间剪切强度（ILSS）试验）评估了材料性能。
为确保在固化循环期间的尺寸稳定性，通常在碳纤维模具上采用真空袋压和热压罐成型4进行制造，而这些碳纤维模具本身则是层压在精密铣削的高密度泡沫或铝制模型上制成的。大多数部件由夹层结构构成（即，面板带有纤维，芯材为极轻的材料，赋予复合材料较高的抗弯刚度同时保持极低的重量）。此外，碳纤维在抵抗共振现象方面也具有更高的振动安全性优势12。
旨在验证碰撞事件中乘客的安全性，碰撞测试通常需要对样车进行耗时、成本高昂且具有破坏性的实验。近年来，计算机模拟碰撞测试逐渐流行，这类模拟可研究车辆乘员在不同类型碰撞过程中的安全性例如,&#160;正面全宽碰撞、偏置正面碰撞、侧面碰撞和翻滚）。鉴于对道路车辆进行碰撞分析的重要性以及通过数值建模实现该分析的可行性，本研究旨在识别太阳能车辆在最大应力和变形方面的最薄弱区域，从而为结构改进提供假设依据。
本文所进行的太阳能汽车数值碰撞测试前所未有。鉴于目前关于此类创新太阳能汽车的研究文献匮乏，且缺乏专门的法规标准，因此假设了一种适应性方案，即考虑车辆以平均速度撞击刚性障碍物的情况。为此，已在不同的合适软件中完成了车辆的几何建模以及仿真过程（包括网格划分和仿真设置）。此外，采用碳纤维作为车辆结构材料的合理性也得到了验证，此前在电动汽车的碰撞测试中已表明，其耐撞性能优于其他材料，例如玻璃纤维复合材料16。

<table><tbody><tr><td>碳纤维增强复合材料斜纹T300 200g/m^2</td><td>Impregantex</td><td>GG 204T2 IMP 503Z 46%</td><td></td></tr><tr><td>碳纤维增强复合材料单向STS 150g/m^2</td><td>DeltaPreg</td><td>STS-150 - DT150 - 36%</td><td></td></tr><tr><td>碳纤维增强复合材料单向M46J 150g/m^2</td><td>Cytec</td><td>MTM49-3 M46J (12K) 36%</td><td></td></tr><tr><td>碳纤维增强复合材料单向T1000 150</td><td>Cytec</td><td>X01 - 36% T1000 (12K)</td><td></td></tr><tr><td>蜂窝结构材料</td><td>DuPont</td><td>Nomex 9-14 mm</td><td></td></tr><tr><td>万能材料试验机（UTM）</td><td>Instron</td><td>Instron 8033 250 kN</td><td></td></tr><tr><td>有限元分析（FEM）</td><td>Ansys</td><td>Ansys 18</td><td></td></tr><tr><td>数值计算环境</td><td>Matworks</td><td>Matlab R2018a</td><td></td></tr></tbody></table>

巡航级太阳能汽车的结构设计与制造

Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

太阳能巡洋车是一种多乘员太阳能车辆，旨在参加长距离（超过3000公里）的太阳能汽车竞赛，其设计目标是在能耗与有效载荷之间取得最佳平衡。此类车辆必须符合比赛规则对总体尺寸、太阳能板面积、功能、安全性和结构要求的规定，而车辆的外形、材料、动力系统和机械结构则由设计者自行决定。本文详细阐述了一辆全碳纤维增强塑料太阳能车结构设计过程中最关键的若干方面，特别描述了底盘铺层序列设计、板簧结构分析以及包含安全舱在内的整车碰撞试验数值模拟所采用的实验方案。尽管纤维增强复合材料结构的设计方法较为复杂，但其优势在于可定制化材料的力学性能，并优化整车的总质量。

主车架的铺层：本实验方案的最终结果是铺层顺序，也称为铺层表。然而，尽管载荷分布以及弯矩和剪力图可通过基本的固体力学分析确定，该方案的一个关键环节在于对实际材料性能的评估。事实上，即使结构设计人员所需的许多参数可在材料数据表中查得，制造过程及其他材料的相互作用仍可能改变原材料的力学响应。本节展示了三点弯曲试验和层间剪切强度（ILSS）试验的实验装置（见图5）。通过这些试验，可评估夹层板的抗弯强度，并确定Nomex蜂窝芯材剪切强度的下限值；对于编织层合板的两种不同取向，其典型的应力-位移曲线如图6所示。此外，ILSS对于确定车架边缘区域的抗分层能力至关重要，因为在这些区域夹层结构转变为层合板结构。
<img alt="图5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig5.jpg" /> 
图5：力学测试。 这些图示展示了（A）三点弯曲测试和（B）层间剪切强度（ILSS）测试。试样的形状及加载条件如图所示。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig6.jpg" /> 
图6：三点弯曲试验的典型结果。 这些图显示了[0/90]n 层合板（A）和[±45]n 层合板（B）三点弯曲试验的典型结果。由载荷计算得到的应力通过载荷传感器测量，位移则通过试验机中内置的传感器测量。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
在图7中，展示了在车身模具上按区域定义的铺层顺序。铺层顺序的详细说明列于表1中。该表格分为三个阶段，对应依次进行的热压罐固化工艺：首先为最外层的铺层，然后是Nomex蜂窝芯材和胶粘剂，最后是内层铺层。
<img alt="图7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig7.jpg" /> 
图7：设计过程的结果。 每个区域具有不同的铺层结构。数字和颜色定义了车架结构被划分成的不同区域，见表1。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="5">1 期</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="5">p = 6 bar；t = 2 h；T = 135 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>序列</td>
			<td>扇区</td>
			<td>角度</td>
			<td>n&#176;</td>
			<td>材料</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 1.1</td>
			<td>全球</td>
			<td>+45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 1.2（增强）</td>
			<td>1</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>+45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1b</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 1.3（增强）</td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>C</td>
			<td>-45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>C</td>
			<td>+45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>-45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>+45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 1.4（增强）</td>
			<td>B</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>A，D，C</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>A，D</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 1.5（增强型）</td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>D</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 1.6</td>
			<td>全球</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="5">2 期</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="5">p = 1,5 bar；t = 2 h；T = 1110 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 2.1</td>
			<td>全球</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>粘附膜</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 2.2</td>
			<td>1, 2, 3</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>诺梅克斯 14 毫米，32 千克/平方米</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 2.3</td>
			<td>1b, D, 0</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>诺梅克斯 9 毫米，32千克/平方米</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 2.4</td>
			<td>全球</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>粘附膜</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="5">3 期</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="5">p = 6 bar；t = 2 h；T = 135 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 3.1</td>
			<td>全球</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 3.2（增强）</td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>D</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 3.3（增强）</td>
			<td>A，D</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>A，D，C</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>B</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 3.4（增强）</td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>+45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>-45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>C</td>
			<td>+45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>C</td>
			<td>-45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 3.5</td>
			<td>1b</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td></td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>90&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P 3.6</td>
			<td>全球</td>
			<td>+45&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>缎面 T800</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：底盘的铺层顺序。 本表展示了在图7中定义的底盘不同区域的铺层规格。铺层过程分为三个不同的阶段，按顺序依次进行。
确定底盘结构后，根据比赛规则添加钛合金防滚架20，并进行特定的数值模拟测试，以验证整车的抗冲击性能，尤其是非结构部件对乘员舱无侵入。在图8中显示了等效静态冲击载荷的方向，在图9中可评估相应的位移云图。此阶段计算仅采用简化的几何模型，而完整的几何模型则用于最终的碰撞测试验证。
<img alt="图8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig8.jpg" /> 
图8：等效于碰撞的静态载荷方向。 根据规定，车辆结构在图示方向上承受相当于总质量6倍重力加速度（6 g）的静态力。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig8large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="图9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig9.jpg" /> 
图9：计算位移分布图。 本图展示了在图8所定义情况下计算得到的位移示例。在乘员附近任何区域，位移必须小于25 mm。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig9large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
叶片弹簧：本实验方案的成果是优化一种具有抗侧倾能力的复合材料横向叶片弹簧。其设计需满足多项特定要求：在最大载荷下应力低于材料许用应力、具备特定刚度以及最小重量。为满足所有这些要求，本文提出了一种优化的解析模型。借助该模型，可快速获得最优几何结构和概念铺层方案。该模型的准确性已通过有限元方法以及对1/5比例缩放叶片弹簧的实验测试得到验证。该缩放叶片弹簧在中心处双支撑（跨距为100 mm），并在对应孔位的两端（跨距为190 mm）施加每侧1,000 N的载荷。叶片弹簧的优化几何结构和铺层顺序分别如图10和表2所示。
<img alt="图10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig10.jpg" /> 
图10：优化后的板簧几何结构样品。 该图展示了经缩放后的板簧几何结构，该结构被测试至断裂，以验证数值模型的准确性。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig10large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="6">高压蒸汽固化</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="6">p = 6 bar；t = 2 h；T = 135 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>序列</td>
			<td>扇区</td>
			<td>角度</td>
			<td>n&#176;</td>
			<td>厚度</td>
			<td>材料</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>毫米</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>结束 10</td>
			<td>末端 10</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>0.23</td>
			<td>TW T300 200g/m^2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>全部 200</td>
			<td>全部 200</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>#</td>
			<td>1</td>
			<td>UD T1000 100克/平方米</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>中央 125</td>
			<td>中央 125</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>0.23</td>
			<td>TW T300 200g/m^2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>中央 175</td>
			<td>中央 175</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>0.23</td>
			<td>TW T300 200g/m^2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>全部 200</td>
			<td>全部 200</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>0.23</td>
			<td>TW T300 200g/m^2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>中央 175</td>
			<td>中央 175</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>0.23</td>
			<td>TW T300 200g/m^2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>中央 125</td>
			<td>中央 125</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>0.23</td>
			<td>TW T300 200g/m^2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>全部 200</td>
			<td>全部 200</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>#</td>
			<td>1</td>
			<td>UD T1000 100克/平方米</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>末端 10</td>
			<td>末端 10</td>
			<td>0&#176;</td>
			<td>1</td>
			<td>0.23</td>
			<td>TW T300 200g/m^2</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2：板簧的铺层顺序。 本表展示了板簧不同区域铺层结构的具体参数。
根据分析模型，该片簧在两个中央支撑之间应产生最大12.2 mm的位移，并承受970 MPa的最大弯曲应力，且该应力在两个中央支撑之间保持恒定。
按照方案第2.7步所述进行有限元分析，结果如图11所示。图中绘制了沿片簧主轴方向其外表面在主应力方向上的应力分布<img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/58525/58525eq50.jpg" />&#160;。该应力在跨距范围内几乎保持恒定，为922 MPa，随后向载荷施加点呈线性下降。尽管<img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/58525/58525eq50.jpg" />&#160;远低于材料的最大压缩强度（1,450 MPa），但如图10所示的三维Hashin失效准则显示存在失效指数超过1的区域，这是由纤维失效（以红色突出显示）引起的，与外部单向铺层因芯层铺层中断而导致的几何形状突变相关。同时，有限元法计算得到的载荷施加点位移为12.8 mm。
<img alt="图11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig11.jpg" /> 
图11：叶片弹簧有限元模型的弯曲数值模拟。 本图展示了按比例缩放的叶片弹簧在Hashin失效指数和最大主应力方面的有限元模拟结果。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig11large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
为了验证分析模型和数值模型的可靠性，根据建议的流程，需对缩放后的板簧进行实验测试。结果如图12所示，断裂前的最大载荷为1,980 N（每侧990 N），最大位移为15.1 mm。因此，在最大位移方面，分析模型和数值模型的预测值分别低估了-19%和-15%。有趣的是，试件测试中观察到的失效模式和损伤位置（图11）与数值模型的结果相吻合。
<img alt="图12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig12.jpg" /> 
图12：叶片弹簧缩比模型的四点弯曲实验测试。 本图展示了缩比叶片弹簧的测试装置及其载荷-位移曲线。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig12large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
碰撞测试：有限元分析可生成逼真的结果，帮助工程师理解车辆在不同碰撞工况下的行为表现。相比开展实际条件下的测试，使用 ANSYS 等商业软件模拟汽车碰撞更为高效且成本更低。本文结果示例展示了此类模拟如何为汽车工程领域提供支持。
该汽车的离散化有限元模型包含79950个单元和79822个节点。初始条件设定为60 km/h的撞击速度，车辆的动能在约0.3 s内下降（图13），并转化为汽车结构内部的接触能和内能。
<img alt="图13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig13.jpg" /> 
图13：碰撞测试能量图。 这些图显示了（A）动能和（B）内能的碰撞测试能量图。这些图表描绘了碰撞事件期间典型的能量流动情况。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig13large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
根据图14A中的样本应力图，可以评估车辆结构的完整性。这一点至关重要，可用于判断乘客安全是否可能受到威胁，例如防滚架杆件可能出现松动、座椅脱离，或转向杆向驾驶员方向发生位移等情况。如图14B所示案例中，最显著的位移范围在95 mm以内，这些位移既出现在车辆前部（由于冲击所致），也出现在与座椅相连的防滚架杆件上。
<img alt="图14" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig14.jpg" /> 
图14：正面碰撞测试过程中最大等效应力和最大位移的典型分布云图。 这些图示显示了（A）等效应力和（B）位移情况。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig14large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

本文详细介绍了全碳纤维增强塑料太阳能汽车结构设计过程中的多个方面，重点包括单体壳式底盘、板簧以及整车在碰撞测试中的表现。

巡航车是一种多乘员太阳能车辆，旨在通过在长距离（超过3,000公里）太阳能赛事中实现速度、能耗与可靠性之间的最佳平衡来参与竞争。

巡航车是一种多乘员太阳能车辆，旨在参加长距离太阳能竞赛，其设计需在能耗与有效载荷之间取得最佳平衡。此类车辆必须符合比赛规则对总体尺寸、安全性和机械要求的规定，而外形、材料、动力系统和机械结构等其他方面则可由设计者自行确定。本文详细阐述了一辆全碳纤维增强塑料太阳能车结构设计过程中的若干关键方面。本文展示了用于设计底盘铺层序列、板簧结构分析以及车辆碰撞试验仿真的方案。尽管纤维增强复合材料结构的设计方法较为复杂，但其优势在于可定制力学性能并优化整车重量。在完成初步的底盘设计后，需建立有限元壳模型。将底盘设计导入有限元建模软件。在“材料”中，选择纤维类型以定义单向碳纤维增强聚合物的属性。选择弹性行为。接着，检查工程常数是否合适。然后，查看Hashin损伤参数，确保其具有预期的数值。关闭材料属性设置。继续创建复合材料铺层部分。在此处，每层碳纤维增强聚合物均通过顺序、材料、厚度和旋转角度来定义。下一步是选择网格以分配离散单元的分布。检查全局网格种子的参数。然后，在网格下选择单元类型。然后，选择模型中的一个单元。使用壳单元类型。选择以四边形单元为主的单元形状。如果沙漏效应可忽略不计，请选择简化积分。继续分配网格单元。准备生成网格时，返回至网格模块并选择确认零件，即单击“确定”，以对零件进行网格划分。网格划分完成后，在“装配”选项下创建一个将施加载荷和边界条件的底盘实例。进入“步骤”文件夹，然后选择分析过程。确保该过程被定义为静态。同时，检查非线性几何行为是否已关闭。接下来，进入“载荷”以开始施加规定的载荷。在“体载荷”下，输入重力或恒定加速度的分量和分布。力的方向将在显示模型的窗口中呈现。接下来，确定集中力，例如由乘员引起的力。检查其是否施加在框架的正确位置上。对于汽车电池产生的集中力，采用相同的步骤进行操作。荷载设置完成后，施加边界条件。将底盘视为受外部载荷作用的支撑结构，并确定约束位置。使用铰接边界条件。为定义输出，请进入“场输出请求”。进行所需的选项设置。确认域为复合材料铺层。然后，在应力下，验证输出变量为应力分量及其不变量。此外，检查“失效/断裂”部分，应选择其中的 Hashin 输出数据。确认无误后，点击“确定”。在“分析”部分，开始设置一个任务。为任务命名，并定义模型的来源。单击“继续”后，如有必要，可自定义计算机环境的设置。选择执行完整分析。完成后，在窗口中确认更改。右键单击所创建的任务，然后选择提交以运行该任务。使用该输出为制造商制作一份层压板设计书。该设计采用碳纤维横向钢板弹簧，构成一种结构简单、重量轻的悬架系统，并降低了非簧载质量。作为整体流程的一部分，必须对钢板弹簧的设计进行评估。在 ANSYS Workbench 有限元仿真器中模拟优化的钢板弹簧设计。在 ACP Pre 中，单击工程数据，然后选择工程数据源选项卡。进入复合材料文件夹，导入碳纤维单向和编织预浸料的默认材料属性。完成后，关闭工程数据源选项卡。接下来，右键单击几何体。然后，右键单击“导入几何体”。选择“浏览”以查找并选中代表四分之一板簧的 CAD 文件。接着，双击“模型”。当新窗口出现时，将显示叶片弹簧段。在“模型”下选择文件。在“图形属性”下，指定一个任意的表面厚度。右键单击模型以选择“插入”并从中选择“命名选择”。使用此功能，通过单击高亮显示的几何字段，在模型中选择一个区域并应用，从而定义铺层区域。对模型所需的每个区域重复此操作。完成后，右键单击网格，然后单击生成网格以生成默认网格。关闭 Mechanical 窗口以继续。在 ACP 预览界面中，打开“设置”窗口。要定义铺层的属性，请进入“材料数据”文件夹。在该文件夹中，右键单击“织物”，然后选择“创建织物”。在打开的窗口中，定义材料。然后，指定预浸料厚度。接下来，右键单击“叠层”（Stackups），然后选择“创建叠层”（Create Stackup）。在新窗口中，通过进入“Fabrics”下拉菜单并为项目做出必要选择，定义子层压板的铺层顺序。接着转到“Rosettes”文件夹选项，右键单击以创建一个应变花。在窗口中，单击“Origin”并转至弹簧模型。然后，沿叶片弹簧轴线单击，以定义单元的局部坐标系。关闭窗口以完成该操作。右键单击“定向选择集”文件夹，选择创建选择集。对于元素集，首先选择条目和点。在几何图形中，单击任意点以定义原点。此外，在“Rosettes”（玫瑰花结）中，指定相应的玫瑰花结。对每组元素执行此操作。此时，打开“建模组”文件夹，即可看到已定义的建模组。要创建一个建模组，右键单击文件夹并选择“创建建模组”。在新窗口中，单击“确定”。然后右键单击新建的组，选择“创建铺层”。为每层铺层定义一个有方向的选择集、铺层材料以及层数。对每一组铺层重复此步骤，以定义完整的铺层顺序。关闭 ACP 窗口。从工具栏中，将静态结构分析拖动到工作区。然后，将 ACP 预先设置拖动到静态结构中的模型上，并选择传递实体复合材料数据。双击静态结构下的模型。现在，施加对称性和约束边界条件。右键单击“Static Structural”，然后依次选择“Insert”和“Displacement”。接着，选择几何体的约束表面。通过将适当的分量设置为零来施加约束。对力采用相同的步骤。检查所需的对称性是否得到满足。单击“求解”以线性弹性方式求解模型。在项目示意图中，转到工具箱，将 ACP Post 拖动到 ACP Pre 下的模型上。将静态结构求解拖动到 ACP Post 下的结果上。然后，双击 ACP Post 下的结果。要创建失效准则，右键单击“定义”菜单并选择“创建失效准则”。在打开的窗口中，选择 Hashin 作为失效准则。选择“配置”，并将失效模式的维度设置为 3D。确认更改并返回初始界面。现在，右键单击“Solution”菜单，选择“Create Failure”。在新窗口中，选择所需的失效准则。此外，勾选“在实体上显示”选项。在点击闪电符号以评估失效准则结果之前，确认并保存所做的更改。对于碰撞模拟，需建立车辆的完整CAD模型。该模型应包含所有主要部件，包括转向系统和悬挂系统、电池、座椅、防滚架以及单体壳。基于此CAD模型，建立一个半车模型，以利用其双侧对称性来优化计算。在ANSYS有限元仿真软件中创建一个新项目。在“工具箱”下的“分析系统”中，选择“显式动力学”，将其拖动到项目示意图中。在新元素中，双击“工程数据”。在新选项卡中，于“材料”下添加新材料，并将其命名为碳纤维。从工具箱树中拖动所需材料属性。在“数值”下，输入先前获得的数值及其相应的单位。返回到项目示意图选项卡。然后，在显式动力学下，右键单击几何体以选择导入几何体。单击浏览，将包含半车模型的STP文件加载到模型环境中。该文件还包含碰撞测试的障碍物。在项目树中，选择网格。在网格的详细信息中，转到物理偏好设置。将值设置为显式。然后，进入单元中点节点，将其值设置为舍弃。在下方的“尺寸设置”部分，进入“尺寸函数”，从中选择“曲率”。接着进入“参考中心”，选择“中等”。将最小单元尺寸设置为六毫米。将最大单元尺寸设置为 30 毫米。现在，在“项目”中，通过右键单击“显式动力学”来设置约束边界条件。选择“插入”，然后选择“固定支撑”，以定义碰撞用的刚性屏障。选择如何固定该边界。然后，选中该边界并应用设置。返回到“显式动力学”上单击右键，依次选择“插入”和“位移”。应用更改。将 Z 轴从自由状态更改为恒定值零。在窗口顶部，单击求解。这是一张示例图，显示了底盘在5G向后加速度作用下产生的位移。该图可用于在设计初期评估结构刚度。这是优化后的钢板弹簧几何结构。基于几何结构的有限元分析可依据Hashin失效准则计算失效指数。该分析还可确定叶外表面沿其主方向一个方向上的柱头应力。通过测试至断裂的缩尺模型对数值模型进行验证。本视频能够展示车辆在模拟时速60公里碰撞过程中应力的演变情况。通过示例应力图，可评估车辆结构的完整性，并有助于识别可能对乘客造成伤害的潜在失效部位。针对相同碰撞速度的有限元分析位移图显示，最大位移出现在车辆前部以及与座椅相连的防滚架杆件处。它们是复制复合结构的合适选择，因为与实体单元相比，壳单元能够使用更简化的网格来模拟薄壁结构的抗弯刚度。另一方面，在板簧中，局部应力无法通过解析模型准确评估，需采用有限元方法进行分析，此时板簧的复合材料层由实体单元进行建模。需要注意的是，在碰撞事件中，单体壳体的变形极小，且无任何部件相互侵入。因此，可以说该车辆的设计是安全的。已展示了多种用于太阳能汽车结构优化的美国车型。该车辆被证明具有高效性，并在其组别中赢得了2018年美国太阳能挑战赛。

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本文演示并指导如何在实验室X射线仪器上开展和分析卷对卷狭缝涂布的非富勒烯有机光伏材料上墨水干燥过程的原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验。...

卷对卷涂布有机太阳能电池的原位掠入射小角X射线散射实验室X射线仪器研究

硫化亚锡（SnS）是一种具有潜力的地球储量丰富且无毒的太阳能电池材料。本文展示了采用原子层沉积法制备SnS太阳能电池的工艺流程，该方法获得了4.36%的认证光电转换效率；此外，采用热蒸发法制备的器件效率达到3.88%。...

通过热蒸发和原子层沉积法制备高效率SnS太阳能电池

本文介绍了一种利用压电辅助摩擦计和光学轮廓仪研究超声磨损及摩擦减小对线速度、接触压力和表面特性依赖性的实验方案。...

使用压电辅助摩擦计和光学轮廓仪进行超声润滑实验

本文研究了喷墨打印技术在染料敏化太阳能电池制造中的适用性。配制了一种无粘结剂的TiO2纳米颗粒墨水，并将其打印到FTO玻璃基底上。所打印的薄膜被制备成有效面积为0.25...

染料敏化太阳能电池用二氧化钛的数字印刷

探索全碳纤维增强塑料太阳能车的结构设计与制造方法，使用ANSYS Workbench进行有限元建模、复合材料铺层定义和碰撞测试仿真。该方法帮助研究人员优化单体壳底盘和板簧设计，实现轻量化与安全性的平衡。

巡航级太阳能汽车的结构设计与制造

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