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.
Artigo de método
Projeto estrutural e a fabricação de um cruzador da classe veículo Solar
Neste artigo
Resumo
Resumo
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.
Introdução
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.
Protocolo
Nota: O processo de concepção de um veículo solar é uma tarefa bastante complexa, envolvendo aspectos multidisciplinares, por isso não é possível para cobri-los todos aqui. Para orientar o leitor, o processo lógico em que são incorporados os protocolos descritos é mostrado na Figura 1.
Figura 1: fluxograma Design. As interações entre as diferentes partes do processo de design são retratadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
1. assentamento do Design do chassi principal
- Determine a distribuição de carga no pior cenário possível.
- Multiplica de passageiros e bateria pacote distribuições de massa por aceleração vertical do projeto para obter a carga de projeto principal.
- Considere a posição dos bancos e os locais diferentes de bateria possível.
- Calcule as reações sobre as articulações de mola. O veículo é considerado como um feixe simplesmente suportado.
- Determine os diagramas de momento flexão e cisalhamento.
- Encontre a máxima tensão de cisalhamento admissível do material do núcleo. Seu valor pode ser lidos na folha técnica de núcleo ou encontrado por meio de experimento em espécimes adequados. Neste caso, o stress de delaminação das telas núcleo pode ser determinado.
- Calcular a espessura do núcleo de sanduíche baseada a resistência de cisalhamento17,18 (onde
é a largura sobre a qual o cisalhamento forçar 
é aplicado e 
é a espessura do núcleo).
- Encontre a força de tração e compressão das telas disponíveis CFRP. Seu valor pode ser encontrado nas fichas técnicas dos telas.
- Determine experimentalmente a força de flexão dos compostos sanduíche19.
- Determine experimentalmente a ILSS para as combinações possíveis de materiais20,21.
- Leve em consideração as diferentes seções do veículo, cuja forma é projetada em um trade-off entre requisitos aerodinâmicos e necessidades funcionais.
Nota: Existem três seções críticas no chassi — aquele com o maior momento de torção e as duas extremidades, onde a área é drasticamente reduzido devido à presença de sistemas de suspensão de roda. Além disso, estas duas seções reduzidas, a tesoura deve ser transferida da mola para o chassi. - Fazer uma suposição sobre a percebê-lo nas três seções consideradas e das diferentes partes das seções, levando em consideração que o tecnológico mínimo17 é pelo menos 10% das fibras em cada direção (0 ° [ou seja, longitudinal], 90 ° [ou seja, transversal] e ± 45 ° [i.e., diagonal]), a mais importante carga atuando na parte específica da seção, que o número de dobras é inteiro, e que a espessura deve ser mantida a um mínimo.
- Calcular as tensões de tração e compressão máximos de acordo com a teoria de sanduíche17,18 e compará-los com os admissíveis (onde é a largura sobre a qual o momento
é aplicado e e 
são a espessura do núcleo e das telas, respectivamente).
- Modifica a percebê-lo, se necessário e voltar ao passo 1.9.
- Fazer um modelo de concha de elementos finitos no software Abaqus e aplicar as cargas de impacto-equivalente prescritas pelos regulamentos22.
- Crie o gabinete em um modelador de CAD.
- Importar o chassis no software FEM como uma shell ou parte sólida clicando na importação | Parte. Se é importado como um sólido, use a ferramenta Editar geometria para transformá-lo em uma parte do escudo.
- Definir as propriedades de uma única dobra CFRP como material elástico com tipo Lamina ou Constantes de engenharia; Selecione o módulo elástico e rácios de Poisson do material. Observe que a engenharia parâmetros constantes são necessários se o comportamento fora-de-avião da concha é analisado. Escolha Hashin Dano critério para implementar um critério de falha para o composto dobras26.
- Crie uma seção de Layups composto , definindo a sequência de empilhamento do laminado. Atribua a cada dobra sua orientação e espessura em forma tabular.
Nota: A espessura pós-cura deve ser considerada para o CFRP plies. - Atribua a distribuição dos elementos discretos da parte pela Semente de malha. Use a ferramenta de Partição rosto e semente de viés para aumentar o número de elementos nos locais críticos. Escolha a forma de elemento Quad-dominado e o tipo de elemento de Shell . Clique em integração reduzida se a ampulheta efeitos no modelo são insignificantes; caso contrário, use a integração nonreduced.
- Crie uma instância do chassis no módulo de montagem . Este é aquele ao qual as cargas e as condições de contorno serão aplicadas.
- Defina o procedimento de análise no módulo passo como Static. Escolha as configurações do solver. Selecione Nlgeom: em para ativar o comportamento não-linear de membranal.
- Aplicam-se as cargas que são equivalentes aos prescritos pelos regulamentos como forçar o corpo carrega no chassi. Aplica forças concentradas em posições das baterias e dos ocupantes para levar em conta seus pesos englobados.
- Aplica o BCs na instância. Considere o chassis como um corpo suportado pelas cargas externas, com Pinned BC no restringe ' locais.
- Defina as saídas no módulo de Solicitações de saída de campo . Selecione domínio: Composite layup para extrair as saídas no local do cada dobra no laminado.
- Um trabalho de criar e executar a análise.
- Verificar a conformidade dos resultados com requisitos22 dos regulamentos. Caso eles não forem preenchidos, voltar a etapas 1.9 e 1.12.4 e modificar a sequência de laminação.
- Produzir um dobra-livro traduzir a abordagem de seção por seção do designer estrutural para uma abordagem por dobras-dobras necessária pelo fabricante.
- Fazer modificações especiais nas seções onde requisitos funcionais específicos levam a uma redução da espessura do sanduíche.
- Fabricar o chassi em uma autoclave.
- Produzem padrões de espuma de alta densidade por usinagem de precisão.
- Garantir um acabamento de superfície liso com uma lixa fina granulometria.
- Aplicar camadas de selador e desmoldante na espuma para assegurar a detachability dos moldes de fibra de carbono.
- Fabricamos os moldes pela montagem de fibra de carbono de baixo-catálise-temperatura pré-impregnada camadas e selando cada parte com vácuo saco de compressão para uma cura mais de autoclave.
- Polir a superfície dos moldes produzidos e aplicar selador e desmoldantes.
- Laminado as peças do chassi sobre o molde de acordo com o livro de dobras e submetê-los à compressão do saco de vácuo e uma cura de autoclave.
2. mola Design
Figura 2: carregar diagramas da Primavera folha. Esta figura mostra a determinação a distorcer e a atuação de momento dobra sobre a mola de lâmina. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Determinar a distribuição de carga ao longo da mola (Veja o diagrama de flexão e de cisalhamento da Figura 2).
- Avaliar a carga máxima aplicada às rodas do veículo no pior cenário (consulte Etapa 1.1).
- Calcular as forças de reações (carga máxima
) sobre a mola de extremidades, considerando o braço de suspensão aproveita. - Defina o apoio e carregamento pontos da mola de lâmina com base em seus pontos de fixação ao chassis do veículo e a suspensão aqueles.
- Determinar os diagramas de flexão e cisalhamento, a mola de modelagem como um feixe de flexão de quatro pontos com uma carga máxima igual aplicada nas extremidades (na pior das hipóteses).
- Avaliar o deslocamento máximo
da mola de lâmina termina em conformidade com a geometria de suspensão e permitido espaço em torno do frame do veículo. - Selecione o material com a capacidade de armazenamento de energia de cepa específica superior,
.
Aqui,
é a tensão admissível, 
é o módulo de elasticidade, e 
é a densidade.- Como a dobra é a carga dominante da mola de lâmina (a carga de cisalhamento é uma ou duas ordens de magnitude mais baixas), manter a força de fadiga do material como .
- Para materiais compósitos ortotrópicos, considere a fadiga dobra força do FRP ao longo da direção principal (direção de fibra) como .
- Como a dobra é a carga dominante da mola de lâmina (a carga de cisalhamento é uma ou duas ordens de magnitude mais baixas), manter a força de fadiga do material como
- Conceitualmente, desenha a forma de mola e percebê-lo, para maximizar a sua energia específica, capacidade de armazenamento.
Nota: A mola de secção transversal deve ser modelada para que o estado de tensão máxima admissível ocorre ao longo de toda a mola.- Concentre-se apenas no diagrama de dobra da Figura 2. A carga de cisalhamento é uma ou duas ordens de magnitude mais baixas. Baseado nisso, dividir a mola em dois tipos de setores: entre os dois suportes (
) e entre os suportes e as extremidades da mola (
). - Ao longo de , manter a carga de flexão constante e no seu máximo; daí, também manter a seção transversal constante.
- Ao longo de , aumentar a carga de flexão linearmente, desde o ponto de aplicação de carga para o suporte; Portanto, a altura da secção transversal
devem satisfazer a seguinte equação para manter o stress 
constante na superfície externa da folha primavera, ao longo de todo seu comprimento.
Aqui,
é a distância entre o ponto de aplicação da carga máxima 
e 
é a largura da seção transversal. A fórmula sugere que ao longo do span, altura de secção transversal a mola 
deve ser cônico com um perfil parabólico. No entanto, por motivos de prática de processo, aproximada de perfil de altura da mola de lâmina com um linear.
Nota: Mantenha constante para evitar a interrupção de fibra durante o processo de laminação, que irá reduzir a força da composição dos podócitos. - Porque dobra é maior do que a carga de cisalhamento, use uma estrutura de sanduíche com um núcleo linearmente cônico de tecido 0-90 FRP para resistir cargas de cisalhamento e conferir rigidez torcional para a mola de lâmina e camadas exteriores de FRP unidireccional orientada com a mola eixo principal ao meio de contraste a carga de flexão. As camadas exteriores têm uma espessura constante para evitar descontinuidades geométricas na zona alta de estressado.
- Concentre-se apenas no diagrama de dobra da Figura 2. A carga de cisalhamento é uma ou duas ordens de magnitude mais baixas. Baseado nisso, dividir a mola em dois tipos de setores: entre os dois suportes (
- Obter a resistência à tração, resistência à compressão, à flexão e resistência dos materiais FRP selecionados ao cisalhamento. Seu valor pode ser encontrado nas fichas de dados técnicos ou por meio de um teste baseado em padrões de ASTM (opção preferencial).
- Otimize as dimensões geométricas da mola de lâmina por meio de um modelo analítico.
Nota: A função objetivo é minimizar a massa ao mesmo tempo, em conformidade com as restrições impostas; daí, suportar uma carga máxima com uma deflexão igual a e manter as tensões inferiores às material permitido.- Restringir a condição sobre a deflexão máxima para uma carga máxima especificada .
Aqui,
é um valor pequeno inserido por razões de convergência. Conceitualmente, a mola é um sanduíche com um núcleo cônico no região. Calcular a deflexão 
no carregamento , por meio do método de Castigliano.
Aqui,
e 
são a rigidez à flexão da mola folha ao longo e , respectivamente.
Aqui,
e 
são o módulo de elasticidade do núcleo e as camadas exteriores, respectivamente,
é a espessura da camada externa, e
é a espessura do núcleo.
- Restringir a condição de no máximo esforço de dobra:
(fadiga UD máxima flexão stress). Avaliar 
por meio da teoria de Euler-Bernoulli.
- Restringir a condição no núcleo máximo e tensões de cisalhamento de camada exterior:
(núcleo de máxima tensão de cisalhamento de fadiga) 
(núcleo de máxima tensão de cisalhamento de fadiga). Avaliar 
e 
por meio da teoria de Euler-Bernoulli24.
- Use a massa da mola como função objetiva minimizar.
Nota: Os parâmetros geométricos que podem ser variados são:
, , e . Se permitido pelo desenho dos pontos de ancoragem para o quadro, e também pode ser considerado como variáveis, se for respeitada a restringir a seguir:
- Resolva o problema iterativamente ou por meio de algoritmos de otimização, que se encontra integrados em vários programas de software computação numérica.
- Restringir a condição sobre a deflexão máxima
- Realizar uma simulação de FE a otimizada da mola de lâmina em Ansys composto pré/pós (ACP). O objetivo é avaliar a concentração de esforço e cargas fora-de-avião.
- Desenhe, como uma superfície, a geometria CAD de apenas um quarto da mola de lâmina, com a superfície dividida em correspondência com as variações de ponto e percebê-lo do suporte.
- Crie um novo projeto de simulação no ANSYS Workbench. Selecione o ACP (pré) (no menu da caixa de ferramentas ), arrastando-o para a área de trabalho.
- Defina propriedades do material clicando em Dados de engenharia. Selecionar fontes de dados de engenharia e importar do carbono de pasta de materiais compósitos UD e tecidos pré-impregnados Propriedades do material padrão, clicando duas vezes sobre eles. Atualize os materiais constantes nas três direções principais com aqueles disponíveis na folha de dados material ou obtidos a partir de resultados experimentais.
- Importe a geometria, mantendo o link com o CAD clicando em geometria e em seguida na geometria de importação. Importá-lo no formato CAD nativo.
- Clique duas vezes no modelo. Atribua uma espessura de superfície arbitrária. Defina as zonas de layup diferentes usando a função de Seleção chamada (botão direito do mouse no modelo e, em seguida Inserir). Gere a malha padrão clicando em malha e depois em Generate mesh.
- Na bancada, abra ACP – pré clicando duas vezes em Setup.
- Defina propriedades de telas na pasta menu Dados de Material . Selecione Criar tela clicando em tecidos; em seguida, definir o Material e atribuir o prepreg de espessura. Selecione criar Sub laminados clicando na Sub laminados e defina a sequência de empilhamento sub estratificada.
- Defina o sistema de coordenadas local do elemento na pasta menu rosetas , de acordo com a direção principal do processo de laminação (eixo principal da mola).
- Orientar as coordenadas locais dos elementos FEM na pasta menu Orientada para o conjunto de seleção , definindo para cada elemento define (previamente definido na etapa 2.7.5) uma origem arbitrária ponto e rosetas definido na etapa 2.7.8.
- Defina o layup baseado nos resultados obtidos no processo de otimização do passo 2.7. Clique em Grupos de modelagem e selecione criar dobras. Defina o Orientadas para o conjunto de seleção, o material da dobrae o Número de camadas. Repita para cada grupo de repetição de camadas.
Nota: Siga a mesma ordem de empilhamento do processo de laminação. - No Workbench, arraste análise estrutural estática (no menu da caixa de ferramentas ) para a área de trabalho. Em seguida, arraste \Setup ACP (Pre) na structural\Model estático e selecione transferência dados compostos sólidos. Clique duas vezes em Structural\Setup estático.
- Aplicar a simetria e restringir a condição de contorno. Botão direito do mouse na Estática estrutural e selecione Insert\Displacement. Selecione a borda ou a superfície da geometria e definir o deslocamento como 0 para a direção de componente apropriada.
- Aplica a força , seguindo o mesmo procedimento da etapa 2.7.12.
- Resolva o modelo FEM como elástico linear, clicando em Solve.
- Avaliar o deslocamento máximo
) da mola folha clicando na solução e selecionando Insert\Deformation\Directional. Se for baixa, volte para o passo 2.7.10 e aumentar o número de telas UD do exteriores. Se for maior, reduzi-la. - No Workbench, arrastam ACP (Post) (na caixa de ferramentas) o ACP (pré) \Mode. Em seguida, arraste Static\Structural solução \Results ACP (Post). Clique duas vezes em \Results ACP (Post).
- Botão direito do mouse na pasta definição do menu e selecione como critérios de falha Hashin 3D.
- Botão direito do mouse na pasta menu de soluções e selecione Criar falha.... Selecione Hashin e verificar a Mostrar em sólidos.
- Verifica se os critérios de falha são sempre abaixo de um. Se não estiverem, volte ao passo 2.7.7 e aumentar o número de camadas na zona identificada como crítica, orientando-os conforme necessário.
- Escreva o livro de dobras.
- Teste um modelo dimensionado o projetado da mola de lâmina.
- O projeto, por meio do modelo analítico do passo 2.7, um 1/5 a 1/10-escala da mola, ajuste as camadas exteriores e a espessura do núcleo para ter a mesma relação entre flexão e cisalhamento-estresse do componente real e uma curvatura semelhante para a carga máxima.
- Laminado a escala da mola de lâmina.
- Testá-lo com um dispositivo elétrico comum teste de flexão de quatro pontos.
- Analise a carga máxima e o deslocamento e o modo de falha.
- Otimize o design da Primavera folha com base nas conclusões do teste experimental.
- Fabricação da mola de lâmina otimizada.
3. simulação de teste de colisão Frontal completa
Figura 3: geometria Cruiser. Esta figura mostra a forma geral e as dimensões do veículo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Desenhe a geometria do veículo (Figura 3).
- Crie e nomeie um novo projeto de parte no CAD software de modelagem.
- Partes sólidas de modelo usando os recursos de EXTRUSAO, Revolve, Swept, Loft para assegurar pleno contacto e peças do veículo diferentes (tais como o chassi, assentos e gaiola do rolo). Quando necessário, clique na guia superfície, Geometria de referênciae avião para desenhar um plano de referência.
- Repita a etapa 3.1.2 até a geometria é completa com monocasco, portas, rolo gaiola, assentos, bateria, rodas, pneus, cubos de roda, braços de suspensão, mola, direção sistema e barreira sólida rígida (2 x 2 m).
- Explorar a simetria bilateral para otimizar os cálculos e usar um modelo de meia-carro. Sob a guia de utilitários , clique em Verificar simetria e selecione o comando Automático de simetria de Split . Em seguida, clique na parte do corpo que será mantido e confirme clicando na Parte de Split.
- Converter os corpos sólidos em superfícies: selecione as faces relacionadas à espessura dos corpos e clique na guia de superfícies e, em seguida, no Rosto de excluir.
- Clique em salvar como e selecione o formato de STP .
- Configurar e executar a simulação.
- Crie e nomeie um Novo projeto no software de simulação de elementos finitos do ANSYS Workbench.
- Arraste da Toolbox - análise de sistemas para o projeto esquemático uma janela Dinâmica explícita . Clique duas vezes em Engenharia de dados e adicionar novos materiais, arrastando suas propriedades necessárias da árvore Toolbox e inserindo os valores obtidos no ponto 1 do presente protocolo, nomeando cada material em conformidade.
- Botão direito do mouse sobre a geometria , a geometria de importação. Clique em Browse e selecione o arquivo STP gerado na etapa 3.1.6.
- Clique duas vezes no modelo sob Explícita dinâmico para abrir o ambiente de modelo .
- Uma vez dentro do ambiente de modelo , botão direito do mouse sobre a geometria para inserir o Ponto de massa para elementos 3D ou Seção de camada para 2-D elementos, para definir massas concentradas ou o layup composto, respectivamente. Para cada componente em geometria, o material adequado e a espessura das superfícies devem ser atribuídos em Detalhe-materiais.
- Botão direito do mouse no modelo para inserir simetria - simetria região. O plano de simetria YZ define correta simetria geométrica em termos os resultados futuros, dando condições de limite apropriadas.
- Para corretamente configurar conexões, excluir todas as conexões automáticas e deixar somente Interações corpo, definido como Irrestrito.
- Sob os detalhes do engranzamento Método explícito (Figura 4), soltar os nós de elementos midside e configurar a função de dimensionamento na curvatura com meio relevante centro. Configure o tamanho máximo do elemento a 30 mm, com um mínimo de 6 mm.
- Defina o Número de CPUs para processamento avançado , na guia da seção de malha paralelo.
- Defina a velocidade como uma condição inicial sob a árvore de Condições iniciais da guia Dinâmica explícita .
- Definir as condições de contorno de restrição pelo botão direito do mouse na guia Dinâmica explícita , selecionando Inserire vamos buscar Apoio fixo para definir a barreira rígida e Deslocamento fixo para evitar que a roda move-se sobre o eixo z.
- Em Configurações de análise, configurar os controles em termos de Tempo do fim (para 0.3 s) e Número máximo de ciclos (a 2,5 x 105), os insumos necessários para obter a velocidade e a energia cinética (igual a zero).
- Em solução, botão direito do mouse na Solução informações para inserir interno da energia cinética – Total - para rastrear esses resultados. Do outro lado, em Informações de solução, Solução de saída pode ser rastreado em termos de Resumo de energia, Conservação de energiae Incremento de tempo.
- Clique em Solve e analisar os resultado resultados em termos de deformação Total, estresse, tensão, Total, interna e energia cinética e aceleração.
Figura 4: malha de elementos finitos aplicado ao meio-veículo modelo. Esta figura mostra a discretização do modelo, feito na metade do veículo devido à simetria. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Resultados
Assentamento do chassi principal: O resultado final do protocolo é a sequência de laminação, também chamada o livro de dobras. No entanto, enquanto que as distribuições de carga e os diagramas da força de flexão de momento e cisalhamento podem ser determinados por considerações de mecânica dos sólidos simples, um ponto-chave do protocolo é a avaliação das propriedades de material reais. Na verdade, mesmo que muitas as quantidades necessárias pelo designer estrutural podem ser encontradas na folha de dados material, a fase de fabricação e a interação com outros materiais podem alterar a resposta mecânica, as matérias-primas. Nesta seção, a montagem experimental para a flexão de três pontos e os testes ILSS são mostrados (veja a Figura 5). A partir destes testes, é possível avaliar a força de flexão da podócitos sanduíche e encontrar um limite inferior para a força de cisalhamento do núcleo Nomex; curvas representativas stress-deslocamento são mostradas na Figura 6 para duas orientações diferentes de um tecido estratificadas. Além disso, os ILSS é fundamental para determinar a resistência à delaminação nas bordas do chassi, onde o sanduíche torna-se uma estratificação.
Figura 5: ensaios mecânicos. Estes painéis mostram ensaios mecânicos do (A) a flexão de três pontos e (B) os ILSS. Forma do espécime e as condições de carregamento são mostradas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: resultado típico de testes de flexão de três pontos. Estes painéis mostram resultados típicos de um teste de flexão de três pontos para o (A) [0/90]n plies e (B) [± 45]n plies. Calculado a partir da carga de estresse é medido por célula de carga e o deslocamento é medido pelo transdutor incorporado na máquina de teste. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Na Figura 7, as sequências de laminação, definido pelo setor por setor sobre o molde do chassi, são mostradas. A especificação detalhada das sequências de laminação é listada na tabela 1. A tabela é dividida em três fases da autoclave processo de cura que são feitas em sequência, começando pela lâmina mais externa, em seguida, o núcleo de Nomex e os adesivos e finalmente a lâmina interna.
Figura 7: resultado do processo de design. Cada área é caracterizada por uma queca diferente. Os números e as cores definem as diferentes regiões em que a estrutura do chassi é dividida, ver tabela 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Fase 1 | ||||
| p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C | ||||
| Seq. | Setor | Ângulo de | n ° | Material |
| P 1.1 | Global | + 45 ° | 1 | T800 cetim |
| P 1.2 (reinf) | 1 | 0° | 1 | UNI M46J |
| 2 | 90° | 1 | UNI M46J | |
| 3 | + 45 ° | 1 | UNI M46J | |
| 1B | 0° | 1 | UNI M46J | |
| P 1.3 (reinf) | D | 0° | 2 | UNI M46J |
| C | -45 ° | 1 | UNI M46J | |
| C | + 45 ° | 1 | UNI M46J | |
| A, B, C, D | -45 ° | 1 | UNI M46J | |
| A, B, C, D | + 45 ° | 1 | UNI M46J | |
| P 1.4 (reinf) | B | 0° | 2 | UNI M46J |
| A, D, C | 90° | 1 | UNI M46J | |
| UM, D | 90° | 2 | UNI M46J | |
| P 1.5 (reinf) | D | 0° | 1 | T800 cetim |
| D | 90° | 3 | UNI M46J | |
| D | 0° | 1 | T800 cetim | |
| D | 0° | 3 | UNI M46J | |
| P 1.6 | Global | 0° | 1 | T800 cetim |
| Fase 2 | ||||
| p = 1,5 bar; t = 2 h; T = 1110 ° C | ||||
| P 2.1 | Global | / | 1 | Película adesiva |
| P 2.2 | 1, 2, 3 | / | 1 | NOMEX 14 mm. 32Kg/m ^ 2 |
| P 2.3 | 1B, D, 0 | / | 1 | NOMEX 9 mm. 32Kg/m ^ 2 |
| P 2.4 | Global | / | 1 | Película adesiva |
| Fase 3 | ||||
| p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C | ||||
| P 3.1 | Global | 0° | 1 | T800 cetim |
| P 3.2 (reinf) | D | 0° | 3 | UNI M46J |
| D | 0° | 1 | T800 cetim | |
| D | 90° | 3 | UNI M46J | |
| D | 0° | 1 | T800 cetim | |
| P 3.3 (reinf) | UM, D | 90° | 2 | UNI M46J |
| A, D, C | 90° | 1 | UNI M46J | |
| B | 0° | 2 | UNI M46J | |
| P 3.4 (reinf) | A, B, C, D | + 45 ° | 1 | UNI M46J |
| A, B, C, D | -45 ° | 1 | UNI M46J | |
| C | + 45 ° | 1 | UNI M46J | |
| C | -45 ° | 1 | UNI M46J | |
| D | 0° | 2 | UNI M46J | |
| P 3.5 | 1B | 0° | UNI M46J | |
| 3 | -45 ° | 1 | UNI M46J | |
| 2 | 90° | 1 | UNI M46J | |
| 1 | 0° | 1 | UNI M46J | |
| P 3.6 | Global | + 45 ° | 1 | T800 cetim |
Tabela 1: sequência de laminação do chassi. Esta tabela mostra a especificação da percebê-lo para as diferentes áreas do chassi, definido na Figura 7. É dividido em três fases diferentes de laminação que são feitas na sequência.
Uma vez que a estrutura do chassi é determinada, uma gaiola de rolo de titânio é adicionada de acordo com regras20 a raça, e são executados testes numéricos específicos para verificar a resistência do veículo como um todo e, principalmente, a ausência de intrusão de catástrofes peças para os ocupantes. Na Figura 8, são mostradas as direções das cargas estáticas equivalentes a impacto, e na Figura 9 o correspondente deslocamento mapas podem ser avaliados. Nesta fase, apenas uma geometria esquemática é usada para cálculo, enquanto a geometria completa é usada para a verificação final do teste de colisão.
Figura 8: direções de carga estática equivalente Crash. De acordo com os regulamentos, a estrutura do veículo é carregada por uma força estática igual a g 6 vezes a massa total nas direções mostradas na imagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: mapa dos deslocamentos computados. Esta figura mostra um exemplo dos deslocamentos calculados nos casos definidos na Figura 8. O deslocamento deve ser inferior a 25 mm em qualquer região na proximidade dos seus ocupantes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Da mola: O resultado do protocolo é a otimização de uma mola de lâmina transversal composta com capacidade antirolo. Seu design tem de atender a diferentes requisitos específicos: um estresse abaixo do material permitido para a carga máxima, uma rigidez específica e um peso mínimo. A fim de cumprir todos estes requisitos, é apresentado um modelo analítico de otimização. Graças o modelo, é possível obter rapidamente a geometria optimizada e conceitual percebê-lo. A precisão do modelo foi verificada pelo método dos elementos finitos e um teste experimental em uma mola de lâmina de 1/5-dimensionada. A escala da mola de lâmina é dobro-suportado no centro (que se estende por 100 mm) e carregada nas extremidades correspondentes aos furos (que abrangem a 190 mm) com 1.000 N para cada lado. A geometria otimizada e dobra-livro da mola de lâmina são relatados na Figura 10 e tabela 2, respectivamente.
Figura 10: amostra otimizada da mola de lâmina geometria. Esta figura mostra a geometria da escala da mola de lâmina que é testada para fratura para validar o modelo numérico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Curando a autoclave | |||||
| p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C | |||||
| Seq. | Setor | Ângulo de | n ° | Espessura | Material |
| mm | |||||
| Termina 10 | Termina 10 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Todos os 200 | Todos os 200 | 0° | # | 1 | T1000 UD 100gm/m ^ 2 |
| 125 central | 125 central | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| 175 central | 175 central | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Todos os 200 | Todos os 200 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| 175 central | 175 central | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| 125 central | 125 central | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Todos os 200 | Todos os 200 | 0° | # | 1 | T1000 UD 100gm/m ^ 2 |
| Termina 10 | Termina 10 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
Tabela 2: sequência de laminação da Primavera folha. Esta tabela mostra a especificação da percebê-lo para as diferentes áreas da folha de primavera.
De acordo com o modelo analítico, a mola deve ter um deslocamento máximo de 12,2 mm e desenvolver um máximo tensão de 970 MPa, constante entre os dois suportes centrais de dobra.
Análise de elementos finitos, conforme descrito em passo 2.7 do protocolo foi realizada e os resultados são relatados na Figura 11. O stress na direção principal 
sobre a superfície externa da mola folha ao longo do eixo principal é plotada no gráfico. É quase constante entre o span e igual a 922 MPa e, em seguida, diminui linearmente em direção ao ponto de aplicação de carga. Apesar de ser muito abaixo da tensão de compressão máxima do material (1.450 MPa), o critério de falha Hashin 3D plotados na Figura 10 mostra uma zona com um índice de falha superior a 1, que é causada por falha de fibra (destacada em vermelho) e é associado a uma mudança brusca de geometria para o UD externo plies, causados por dobram interrupção do núcleo. Enquanto isso, o deslocamento calculado pela FEM no ponto de aplicação de carga é 12,8 mm.
Figura 11: dobra a simulação numérica do modelo de elementos finitos mola. Esta figura mostra os resultados da simulação FEM sobre a mola de lâmina dimensionada em termos de índice de falha Hashin e tensão principal máxima. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A fim de verificar a confiabilidade dos modelos analíticos e numéricos, como sugerido pelo procedimento, a mola de escala tem de ser testada experimentalmente. Os resultados, relatados no gráfico da Figura 12, mostra uma carga máxima antes da ruptura de 1.980 N (990 N para cada lado), com um deslocamento máximo de 15,1 mm. Portanto, em termos de deslocamento máximo, o modelo analítico e numérico subestimá-lo por -19% e -15%, respectivamente. Curiosamente, a localização de danos e modo de falha observada na amostra testada (Figura 11) de acordo com os resultados do modelo numérico.
Figura 12: quatro-ponto experimental ensaio de flexão em um modelo de escalado da mola folha. Esta figura mostra a curva de afinação e carga-deslocamento de teste para a escala da mola de lâmina. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Crash Test: Análise de elementos finitos pode produzir resultados realísticos para engenheiros de suporte na compreensão do comportamento do veículo em cenários de queda diferentes. Em vez de correr as condições de vida real, é mais tempo-eficiente e cost-effective para simular acidentes de carro, usando o software comercial como ANSYS. Os resultados do presentes são um exemplo de como essas simulações podem contribuir para a comunidade de engenharia automotiva.
O modelo de elementos finitos diferenciado do carro apresentou uma série de elementos e nós de 79950 e 79822, respectivamente. Como uma condição inicial, adoptou uma velocidade de impacto de 60 km/h, onde a energia cinética do veículo diminuiu em aproximadamente 0,3 s (Figura 13), sendo convertido em contato e energia interna dentro da estrutura do carro.
Figura 13: gráficos de energia Crash teste. Estes painéis mostram o crash-test gráficos de energia de energia cinética de (A) e (B) interno da energia. Os gráficos retratam fluxos de energia típico durante um evento de queda. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Do mapa de stress da amostra na figura 14A, o status de integridade do veículo pode ser avaliado. Isto é de suma importância para determinar a eventual prejuízo para a segurança dos passageiros, como seria no caso de uma barra de gaiola do rolo potencialmente afrouxada, desprendimento de lugares ou mesmo um deslocamento da barra de direção para o condutor. Os deslocamentos mais proeminentes no caso mostrado na Figura 14B são compreendidos dentro da faixa de 95 mm e ocorrem tanto na parte da frente do carro, devido ao choque e nas barras de gaiola de rolo que estão conectadas para os assentos.
Figura 14: contornos típicos de stress máximo equivalente e deslocamento máximo durante um teste de colisão frontal Estes painéis mostram (A), o equivalente a estresse e (B) o deslocamento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussão
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.
Divulgações
Os autores não têm nada para divulgar.
Agradecimentos
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.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Sarja CFRP 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) | |
| Favo de mel | DuPont | Nomex 9-14 mm | |
| Máquina de teste universal (UTM) | Instron | Instron 8033 250 kN | |
| FEM | Ansys | Ansys 18 | |
| Computação numérica Enviroment | Matworks | Matlab R2018a |
Referências
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Reimpressões e permissões
