Summary
In questo lavoro, diversi aspetti relativi al processo di progettazione strutturale di un full carbon fibra rinforzata plastica veicolo solare sono dettagliati, concentrandosi sul telaio monoscocca, le balestre, e il veicolo nel suo complesso durante un crash test.
Abstract
Gli incrociatori sono veicoli solari multi-occupante che nascono per competere in a lungo raggio (oltre 3.000 km) Gare solare basato sul miglior compromesso tra il consumo di energia e il payload. Essi deve aderire alle regole della gara per quanto riguarda gli ingombri, la dimensione del pannello solare, funzionalità e sicurezza e requisiti strutturali, mentre la forma, i materiali, il propulsore, e la meccanica è considerata a discrezione del progettista. In questo lavoro, gli aspetti più rilevanti del processo di progettazione strutturale di un full carbon fibra rinforzata plastica veicolo solare sono dettagliati. In particolare, i protocolli utilizzati per la progettazione della sequenza di laminazione del telaio, l'analisi strutturale di molle a balestra e la simulazione numerica di prova di incidente del veicolo, tra cui la gabbia di sicurezza, sono descritti. La complessità della metodologia di progettazione di strutture in composito fibrorinforzato è compensata dalla possibilità di sartoria loro caratteristiche meccaniche e ottimizzando il peso complessivo della vettura.
Introduction
Un'auto solare è un veicolo solare usato per trasporto via terra. Il primo automobile solare è stata presentata nel 1955: era un modello da 15 pollici piccolo, composto da 12 celle fotovoltaiche di selenio e un piccolo motore elettrico1. Poiché tale dimostrazione riuscita, grandi sforzi sono stati fatti in tutto il mondo per dimostrare la fattibilità della mobilità solare sostenibile.
La progettazione di un veicolo solare2 è severamente limitata dalla quantità di input di energia dentro l'auto, che è abbastanza limitata in condizioni ordinarie. Alcuni prototipi sono stati progettati per uso pubblico, anche se nessuna auto alimentata principalmente dal sole è disponibile in commercio. Infatti, automobili solari sembrano lontano da un uso comune nella vita quotidiana dato loro limiti attuali, soprattutto in termini di costo, gamma e funzionalità. Allo stesso tempo, essi rappresentano un banco di prova valido per lo sviluppo di nuove metodologie, ai livelli di progettazione e di fabbricazione, che unisce la tecnologia utilizzata in genere in settori industriali avanzati, quali alternativa, aerospaziale, energia, e automobilistico. Inoltre, la maggior parte delle automobili solari sono state costruite allo scopo di corse di auto solare, blasonati eventi in tutto il mondo, i cui partecipanti sono principalmente università e centri di ricerca che stanno vantando la ricerca di soluzioni ottimali per ogni problema tecnico. In particolare, gli organizzatori delle competizioni più importanti (ad esempio, il World Solar Challenge) sono stati l'adozione di una strategia di sviluppo dei regolamenti di gara che mirano a portare questi veicoli estremi più vicino possibile al più classico mezzi di trasporto. In particolare, dopo molti anni in cui i veicoli erano monoposto e progettato per percorrere il percorso come velocemente possibile, la categoria emergente di cruiser veicoli recentemente introdotto e sviluppato per il trasporto efficiente di più passeggeri.
Per questi veicoli, i requisiti tecnici sono diventati ancora più severi. Infatti, non solo devono garantire la massima efficienza energetica, ma devono anche rispettare condizioni più complesse di ingegneria collegate a diverse funzionalità. Ad esempio, la possibilità di trasportare un maggior numero di occupanti rende più difficile garantire le condizioni di sicurezza e manovrabilità. Lo sforzo è reso più complicato a causa del generale aumento di peso e la necessità di inserire un pacco di batterie molto più grande, mentre gli spazi interni devono essere ridotto, rendendo il posizionamento della meccanica difficile.
Una nuova filosofia di progettazione deve essere affrontata, tra cui una visione diversa dell'uso di materiali e fabbricazione. In primo luogo, i materiali devono essere scelti sulla base del rapporto resistenza-peso più alto e, come diretta conseguenza, plastica della fibra di carbonio rinforzata rappresenta una soluzione ottimale. Inoltre, è necessario implementare specifici accorgimenti nella progettazione.
Nel presente articolo, le procedure utilizzate per la progettazione di alcune delle più importanti parti strutturali del veicolo solare, come il suo telaio monoscocca, le sospensioni e anche un calcolo crash test sono raffigurate. Lo scopo finale è quello di ottenere rapidamente un veicolo solare con il minor peso, in un compromesso con le regole di gara e aerodinamica.
Ovviamente, la ricerca del materiale ottima in termini di rapporto tra resistenza e peso è vincolata dalla tecnologia impiegata, che è lo stampaggio di autoclave di CFRP preimpregnati. Lo scopo dei metodi selezionati è la determinazione rapida della scelta del materiale ottima in termini di tipologia di strati in un intervallo finito di possibilità e di lay-up. In realtà, progettazione con materiali compositi implica la scelta simultanea delle proprietà geometriche delle sezioni del materiale specifico e della tecnologia adatta (che, nel caso presentato qui, era determinato a priori, come spesso accade).
Diversi concorsi di rinomata performance a lunga percorrenza per i veicoli elettrici solari sono tenute in tutto il mondo negli ultimi decenni, che coinvolge top-rank Università e centri di ricerca, che sono i principali agenti di promozione per lo sviluppo di tale mobilità tecnologia. Tuttavia, la competitività che corre in questo campo di ricerca in alleanza con i confini di proprietà intellettuale è un fattore limitante seriamente per la diffusione della conoscenza della materia. Per questo motivo, la revisione della letteratura sui conti di progettazione solare auto per pochi (e a volte obsoleti) i riferimenti, anche quando tutto ricerche si basano su questo sondaggio3, che è perché la realizzazione di opere come il presente sono incoraggiati.
Indipendentemente da quale aspetto della progettazione del veicolo è in fase di miglioramento, è sempre puntato un obiettivo comune: il raggiungimento della maggiore efficienza energetica. Cambiamenti produttivi nel design non sono sempre basate su tecnologie d'avanguardia, come possono essere semplicemente basati sulla meccanica quali l'abbassamento del baricentro del veicolo per aumentare la stabilità (che è particolarmente importante per le gare nel deserto regioni,4 a causa di vento laterale raffiche5) o riducendo il peso del veicolo parti6-di cui un 10% di riduzione complessiva del peso di veicoli elettrici in grado di dedurre fino a 13,7% in7di risparmio energetico. Strategie di gestione energia approfondita sono inoltre comunemente usate in eventi di gara per assicurare le migliori prestazioni possibili, dove emozionante una velocità massima di 130 km/h e singole spese che durano per oltre 800 km possono essere ottenuti in incrociatore classe auto8.
Lo studio del veicolo aerodinamica5,9,10 è importante assicurare una poca resistenza da aria e scorrevolezza durante la guida, dove i principali aspetti da controllare sono una riduzione del coefficiente di resistenza al lasciare l'auto per muoversi mentre la spesa meno energia e il coefficiente di portanza che dovrà essere mantenuto negativo per garantire che l'auto sia fissata in modo sicuro e stabile al suolo, anche a velocità più elevate.
Un altro parametro importante da progettare è il sistema di sospensione, che è generalmente applicato in veicoli regolari con il solo scopo di fornirvi comfort, stabilità e sicurezza, ma in auto solari deve anche essere luce. Questo importante aspetto è stato esplorato dal 199911 in studi condotti su molle a lamelle in fibra di vetro e, più recentemente, con fibra di carbonio12 che, quando utilizzati per costituire wishbone link13, ha dimostrato di fornire non solo peso riduzione, ma anche un fattore di miglioramento della sicurezza. Doppio braccio oscillante sospensioni senza dubbio sono più spesso utilizzati nelle automobili solari14, lo studio corrente considera una molla a balestra trasversale costruita con fibra di carbonio, per esso è un sistema di sospensione più semplice e leggero con riduzione di peso delle masse non sospese.
Per quanto riguarda la fabbricazione del telaio, la costruzione di una struttura monoscocca in fibra di carbonio ha dimostrato di concedere un vantaggio significativo delle prestazioni, essendo un vincolo di progettazione indispensabile per i più importanti esistenti4,8 ,15 squadre di auto ad energia solare. L'utilizzo della fibra di carbonio è di vitale importanza per l'esecuzione del veicolo, permettendo alle squadre di costruire veicoli dove ognuno dei componenti strutturali (o parti diverse della stessa struttura, come il telaio) ha una quantità ottimale di fibre sovrapposte in calcolato orientamenti. Per che, in quest'opera, il materiale sono stati valutati attraverso standardizzato prove sperimentali, come la prova di flessione di tre punti e la prova di resistenza (ULS) taglio interlaminare.
Per garantire la stabilità dimensionale durante il ciclo di cura, la costruzione è realizzata generalmente con sacchi a vuoto e autoclave4 su stampi in fibra di carbonio che, a loro volta, sono laminati su precisamente fresato schiuma ad alta densità o modelli di alluminio di stampaggio. La maggior parte delle parti è costituita da strutture sandwich (cioè, con fibre sulla pelle e materiali estremamente leggero nucleo che servono ad attribuire la resistenza alla flessione per il composito che trasportano un peso estremamente ridotto). Inoltre, la fibra di carbonio è anche vantaggiosa per che offre livelli superiori di sicurezza vibrazionale contro fenomeni di risonanza12.
Al fine di certificare la sicurezza dei passeggeri in eventi crash, crash test coinvolgono di solito test che richiede tempo e antieconomico, sperimentale e distruttivo con veicoli di campione. Una tendenza recente che sta guadagnando grande popolarità è simulato computer crash test, dove queste simulazioni investigare la sicurezza degli occupanti auto durante diversi tipi di impatti (ad es., impatto frontale, lato frontale completa, offset e rotolare) . Data l'importanza di eseguire un'analisi di crash su un veicolo stradale e la fattibilità di farlo attraverso la modellazione numerica, la presente inchiesta mira a individuare le aree più critiche del veicolo solare, in termini sia lo sforzo massimo e deformazione, al fine di consentire un'ipotesi di miglioramento della struttura.
Il numerico crash test su veicoli solari dichiara effettuato è senza precedenti. Considerando la mancanza di bibliografia su ricerca e delle norme specifiche per questo approccio innovativo auto solare, un adattamento che considera l'impatto del veicolo su un ostacolo rigido alla sua velocità media è stata assunta. Per questo, la modellazione della geometria del veicolo e la simulazione (compresi maglia costituzione e simulazione set-up) sono stati condotti su diversi software appropriato. L'utilizzo della fibra di carbonio per la struttura del veicolo è giustificato anche dal suo comportamento di resistenza all'urto, che ha già dimostrato di essere superiore a quello di altri materiali, quali compositi di fibra di vetro, il crash test di veicoli elettrici16.
Protocol
Nota: Il processo di progettazione di un veicolo solare è un'attività piuttosto complessa, che coinvolge aspetti multidisciplinari, quindi non è possibile coprirli tutti qui. Al fine di guidare il lettore, il processo logico in cui sono incorporati i protocolli descritti è illustrato nella Figura 1.
Figura 1: diagramma di flusso Design. Sono raffigurate le interazioni tra le diverse parti del processo di progettazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
1. lay-up del telaio principale Design
- Determinare la distribuzione del carico nello scenario peggiore.
- Moltiplicare dei passeggeri e distribuzioni in massa di batteria pack per accelerazione verticale del disegno per ottenere il carico di progetto principale.
- Considerare la posizione dei sedili e le posizioni differenti della batteria.
- Calcolare le reazioni delle articolazioni di balestra. Il veicolo è considerato come una trave semplicemente appoggiata a.
- Determinare i diagrammi del momento flettente e taglio.
- Trovare la sollecitazione di taglio massima ammissibile del materiale di nucleo. Suo valore può essere letto nella scheda tecnica core o trovato per mezzo di esperimento sugli esemplari adatti. In questo caso, lo stress di delaminazione delle tele core può essere determinato.
- Calcolare lo spessore del nucleo di panino basato sul taglio resistenza17,18 (dove
è la larghezza su cui forzare la cesoia 
viene applicato e 
è lo spessore del nucleo).
- Trovare la forza di trazione e compressione delle tele CFRP disponibili. Loro valore può essere trovato nelle schede tecniche degli strati.
- Determinare sperimentalmente la resistenza alla flessione del sandwich compositi19.
- Determinare sperimentalmente l'ULS per le possibili combinazioni di materiali20,21.
- Prendere in considerazione le diverse sezioni del veicolo, la cui forma è stata progettata in un compromesso tra esigenze aerodinamiche ed esigenze funzionali.
Nota: Ci sono tre sezioni critiche nello chassis — quello con il più alto momento flettente e le due estremità, dove la zona è drasticamente ridotto a causa della presenza dei sistemi ruota-sospensione. Inoltre, in queste due sezioni ridotte, il taglio deve essere trasferito dalla molla a balestra al telaio. - Fare una supposizione circa il lay-up nelle tre sezioni considerate e nelle diverse parti delle sezioni, tenendo in considerazione che il tecnologico minimo17 è almeno il 10% delle fibre in ogni direzione (0 ° [cioè, longitudinale], 90 ° [cioè, trasversale] e ± 45 ° [cioè, diagonale]), il carico più importante che agiscono in parte specifica della sezione, che il numero di strati è intero, e che lo spessore deve essere tenuto al minimo.
- Calcolare le sollecitazioni massime di trazione e compressione secondo il panino teoria17,18 e confrontarle con quelle consentite (dove è la larghezza finita che il momento
viene applicato e e 
sono lo spessore del nucleo e delle tele, rispettivamente).
- Modificare il lay-up, se necessario e torna a passo 1,9.
- Fare un modello di guscio di elementi finiti nel software Abaqus e applicare i carichi di impatto-equivalente prescritti dai regolamenti22.
- Creare il telaio in un modellatore CAD.
- Importare il telaio nel software FEM come una granata o la parte solida facendo clic su importazione | Parte. Se essa viene importata come un solido, è possibile utilizzare lo strumento Modifica geometria per trasformarla in una parte del guscio.
- Definire le proprietà di un singolo strato CFRP come materiale elastico con tipo Lamina o Ingegneria costanti; Selezionare i moduli elastici e Poisson del materiale. Si noti che ingegneria costanti parametri sono necessari se viene analizzato il comportamento di fuori del piano della shell. Scegliere Hashin Danni criterio per implementare un criterio di rottura per il composito multistrato26.
- Creare una sezione di Composito Layups definendo la sequenza di impilamento del laminato. Assegnare ciascuno strato suo orientamento e spessore in forma tabellare.
Nota: Lo spessore post-polimerizzazione deve essere considerato per il CFRP plies. - Assegnare la distribuzione di elementi discreti della parte per Mesh seme. Utilizzare lo strumento di Partizione viso e seme di Bias per aumentare il numero di elementi nelle posizioni critiche. Scegliere la forma di elemento Quad-dominato e il tipo di elemento di Shell . Fare clic su integrazione ridotta se gli effetti clessidra nel modello sono trascurabili; in caso contrario, utilizzare l'integrazione nonreduced.
- Creare un'istanza del telaio nel modulo dell'Assembly . Questo è quello a cui verrà applicate la carichi e condizioni al contorno.
- Definire la procedura di analisi nel modulo passo come Static. Scegliere le impostazioni del solutore. Selezionare Nlgeom: il per attivare il comportamento non lineare di membranal.
- Applicare i carichi che sono equivalenti a quelli prescritti dalle normative come corpo forza carichi sul telaio. Applicare forze concentrate presso le batterie e degli occupanti posizioni per prendere in considerazione i pesi concentrati.
- Applicare il BCs nell'istanza. Considerare il telaio come un corpo supportato attuato dai carichi esterni, con Pinned BC presso la vincola ' posizioni.
- Definire le uscite nel modulo Le richieste di Output del campo . Selezionare dominio: layup composito per estrarre le uscite in posizione di ciascuno strato nel laminato.
- Creare un lavoro ed eseguire l'analisi.
- Verificare la conformità dei risultati con requisiti22 regolamenti. Nel caso in cui essi non sono soddisfatte, torna a passaggi 1.9 e 1.12.4 e modificare la sequenza di laminazione.
- Produrre un ply-libro tradurre l'approccio-sezione della finestra di progettazione strutturale ad un approccio di strati di strati necessario dal produttore.
- Apportare modifiche speciali nelle sezioni dove specifiche esigenze funzionali conducono ad una riduzione dello spessore del panino.
- Fabbricare il telaio in autoclave.
- Produrre modelli di schiuma ad alta densità di fresatura di precisione.
- Garantire una superficie liscia con carta vetrata fine-granulometria.
- Applicare strati di sigillante e distaccante sulla schiuma per assicurare la rimozione degli stampi in fibra di carbonio.
- Fabbricazione degli stampi mediante l'assemblaggio di fibra di carbonio pre-impregnata a catalisi-bassa strati e ogni parte con il vuoto di tenuta sacchetto di compressione per un'ulteriore cura di autoclave.
- Lucidare la superficie degli stampi prodotti e applicare sigillante e distaccanti.
- Le parti del telaio in laminato sopra lo stampo secondo il ply-libro e inviarli a compressione sacco a vuoto e una cura di autoclave.
è la larghezza su cui forzare la cesoia 
viene applicato e 
è lo spessore del nucleo).
viene applicato e 
sono lo spessore del nucleo e delle tele, rispettivamente).
2. molla a lamelle Design
Figura 2: caricamento diagrammi della molla a balestra. Questa figura mostra la determinazione della distorsione e del comportarsi momento flettente sulla molla a balestra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
- Determinare la distribuzione del carico lungo la molla a balestra (vedere il diagramma di piegatura e taglio di Figura 2).
- Valutare il carico massimo applicato alle ruote del veicolo nello scenario peggiore (Vedi punto 1.1).
- Calcolare le forze di reazioni (carico massimo
) sulla molla a balestra sfrutta le estremità, considerando il braccio di sospensione. - Definire il tipo di supporto e punti della foglia molla basato su relativi punti di ancoraggio al telaio del veicolo e la sospensione di quelli di carico.
- Determinare i diagrammi di piegatura e taglio, la molla a balestra di modellazione come un raggio di curvatura quattro punti con un carico massimo pari applicato alle estremità (caso peggiore).
- Valutare lo spostamento massimo
della foglia primavera finisce in conformità con la geometria delle sospensioni e spazio consentito intorno al telaio del veicolo. - Selezionare il materiale con la capacità di stoccaggio dell'energia superiore del ceppo specifico,
.
Qui,
è la sollecitazione ammissibile, 
è il modulo elastico, e 
è la densità.- Come flessione è il carico dominante della molla a balestra (il carico di taglio è uno o due ordini di grandezza inferiore), mantenere la resistenza a fatica del materiale come .
- Per i materiali ortotropi compositi, considera la fatica di flessione degli FRP lungo la direzione principale (direzione delle fibre) come .
- Come flessione è il carico dominante della molla a balestra (il carico di taglio è uno o due ordini di grandezza inferiore), mantenere la resistenza a fatica del materiale come
- Concettualmente progettare la forma di molla a lamelle e il lay-up, per massimizzare la sua energia specifica capacità di memorizzazione.
Nota: La molla a balestra trasversale sezione deve essere modellato affinché lo stato di sollecitazione ammissibile massima si verifica lungo tutto la molla a balestra.- Concentrarsi solo sul piegamento diagramma della Figura 2. Il carico di taglio è uno o due ordini di grandezza inferiore. Basato su quello, dividere la molla a balestra in due tipi di settori: tra i due supporti (
) e tra i supporti e le estremità della molla a lamelle (
). - Lungo , mantenere il carico di flessione costante e al suo massimo; quindi, anche mantenere la sezione trasversale costante.
- Lungo , aumentare il carico di flessione linearmente dal punto di applicazione del carico al supporto; quindi, l'altezza della sezione trasversale
deve soddisfare la seguente equazione per mantenere lo stress 
costante sulla superficie esterna della foglia di primavera, lungo tutta la sua lunghezza.
Qui,
è la distanza dal punto di applicazione del carico massimo 
e 
è la larghezza di sezione trasversale. La formula suggerisce che lungo il span, altezza di sezione trasversale della foglia molla 
deve essere diminuito gradualmente con un profilo parabolico. Tuttavia, per ragioni di pratica del processo, è possibile approssimare profilo in altezza della molla foglia con una lineare.
Nota: Tenere costante per evitare l'interruzione della fibra durante il processo di laminazione, che ridurrà la resistenza delle lamine composite. - Perché la flessione è superiore al carico di taglio, utilizzare una struttura a sandwich con nucleo linearmente conico di 0-90 tessuto FRP per resistere a carichi di taglio e conferiscono rigidità torsionale per la molla a lamelle e strati esterni di FRP unidirezionale orientato con la molla a balestra asse principale per contrastare il carico di flessione. Gli strati esterni hanno uno spessore costante per evitare discontinuità geometriche nella zona sollecitata più alta.
- Concentrarsi solo sul piegamento diagramma della Figura 2. Il carico di taglio è uno o due ordini di grandezza inferiore. Basato su quello, dividere la molla a balestra in due tipi di settori: tra i due supporti (
- Ottenere la resistenza alla trazione, alla compressione, alla flessione e resistenza dei materiali FRP selezionati al taglio. Loro valore può essere trovato nei fogli dati tecnici o per mezzo di un test basato su norme ASTM (opzione preferita).
- Ottimizzare le dimensioni geometriche di balestra per mezzo di un modello analitico.
Nota: La funzione obiettivo è quello di minimizzare la massa pur ottemperando ai vincoli imposti; quindi, sostenere un carico massimo con una flessione pari a e mantenere le sollecitazioni inferiori a quelli materiale ammissibile.- Vincolare la condizione sulla deviazione massima per un carico massimo specificato .
Qui,
è un piccolo valore inserito per ragioni di convergenza. Concettualmente, la molla a balestra è un panino con un nucleo conico nella regione. Calcolare la deformazione 
presso il caricamento , per mezzo di metodo di Castigliano.
Qui,
e 
sono la rigidezza flessionale della foglia molla lungo e , rispettivamente.
Qui,
e 
sono il modulo elastico del nucleo e gli strati più esterni, rispettivamente,
è lo spessore di strato esterno, e
è lo spessore del nucleo.
- Vincolare la condizione di massima sollecitazione di flessione:
(fatica UD massima sollecitazione di flessione). Valutare 
mediante la teoria di Eulero-Bernoulli.
- Vincolare la condizione sul nucleo massimo e sollecitazioni di taglio di strato esterno:
(sollecitazione di taglio massima core fatica) 
(sollecitazione di taglio massima core fatica). Valutare 
e 
mediante la teoria di Eulero-Bernoulli24.
- Utilizzare la massa della molla a lamelle come funzione obiettivo per ridurre al minimo.
Nota: I parametri geometrici che possono essere variati sono:
, , e . Se consentito dal design di punti di ancoraggio al telaio, e può anche essere considerato come variabili, se è rispettato il vincolo seguente:
- Risolvere il problema in modo iterativo o per mezzo di algoritmi di ottimizzazione, che si trova integrati in diversi programmi di software di calcolo numerico.
- Vincolare la condizione sulla deviazione massima
- Effettuare una simulazione di FE della molla a balestra ottimizzata in Ansys composito Pre/Post (ACP). L'obiettivo è quello di valutare la concentrazione di sforzo e il fuori-di-piano carichi.
- Disegnare, come una superficie, la geometria CAD di solo un quarto della molla a balestra, con la superficie divisa in corrispondenza con le varianti di punto e di lay-up di supporto.
- Creare un nuovo progetto di simulazione in ANSYS Workbench. Selezionare ACP (Pre) (nel menu strumenti ) trascinandolo nell'area di lavoro.
- Definire le proprietà del materiale facendo clic su Dati di ingegneria. Selezionare origini dati di ingegneria e importare i tessuti preimpregnati e materiali compositi cartella carbon UD materiale proprietà predefinite, facendo doppio clic su di essi. Aggiornare le costanti del materiale nelle tre direzioni principali con quelli disponibili su strato di dati materiale o ottenute da dati sperimentali.
- Importare la geometria, mantenendo il collegamento con il CAD facendo clic destro su geometria e poi su geometria importata. Importarlo nel formato nativo di CAD.
- Fare doppio clic sul modello. Assegnare uno spessore superficiale arbitrario. Definire le zone di layup diversi utilizzando la funzione di Selezione denominata (tasto destro del mouse sul modello e quindi su Inserisci). Generare la rete predefinita facendo clic destro su Mesh e quindi su genera mesh.
- Nel Workbench, aprire ACP – Pre facendo doppio clic su Setup.
- Definire le proprietà degli strati nella cartella del menu Dati di materiale . Selezionare Creare tessuto facendo clic su tessuti; definire il materiale , quindi assegnare il prepreg spessore. Selezionare creare Sub laminati facendo clic destro sul Sub laminati e definire la sequenza di impilamento Sub-laminata.
- Definire il sistema di coordinate locali di elemento nella cartella del menu di rosette secondo la direzione principale del processo di laminazione (asse principale molla a lamelle).
- Orientare le coordinate locali degli elementi nella cartella menu Oriented selezione Set FEM definendo per ogni elemento imposta (precedentemente definiti al punto 2.7.5) un'origine arbitraria punto e le rosette impostato nel passaggio 2.7.8.
- Definire il layup sulla base dei risultati ottenuti nel processo di ottimizzazione di passo 2.7. Pulsante destro del mouse su Gruppi di modellazione e selezionare creare Ply. Definire l' Orientato al gruppo di selezione, il materiale della piegae il Numero di strati. Ripetere per ogni gruppo ripetuto delle pieghe.
Nota: Seguire l'ordine di sovrapposizione stesso del processo di laminazione. - Nel Workbench, trascinare l'area di lavoro analisi statica strutturale (nel menu strumenti ). Quindi, trascinare \Setup ACP (Pre) su structural\Model statico e selezionare trasferimento dati composito tinta. Fare doppio clic su Structural\Setup statico.
- Applicare la simmetria e vincolare la condizione al contorno. Pulsante destro del mouse su Statica strutturale e selezionare Insert\Displacement. Selezionare il bordo o la superficie della geometria e impostare lo spostamento a 0 per la direzione di componente appropriata.
- Applicare la forza seguendo la stessa procedura di passaggio 2.7.12.
- Risolvere il modello FEM come elastico lineare facendo clic su Risolvi.
- Valutare lo spostamento massimo
) della molla a balestra col destro sulla soluzione e selezionare Insert\Deformation\Directional. Se è basso, tornare al passaggio 2.7.10 e aumentare il numero delle tele UD esterni; Se è superiore, è necessario ridurlo. - Nel Workbench, trascinare ACP (Post) (nella casella degli strumenti) il ACP (Pre) \Mode. Quindi, trascinare Static\Structural soluzione su ACP (Post) \Results. Fare doppio clic su \Results ACP (Post).
- Pulsante destro del mouse sulla cartella del menu di definizione e selezionare come criteri di cedimento Hashin 3D.
- Pulsante destro del mouse sulla cartella di menu soluzioni e selezionare Creare fallimento.... Selezionare Hashin e verifica Visualizza solidi.
- Controllare se i criteri di cedimento sono sempre di sotto di uno. Se non lo sono, tornare al passaggio 2.7.7 e aumentare il numero di strati nella zona identificata come critica, orientandoli come necessario.
- Scrivere il libro di strati.
- Testare un modello in scala della molla a balestra progettato.
- Progettazione, mediante il modello analitico di passo 2.7, un 1/5-a in scala 1/10 molla a lamelle, ottimizzazione della strati esterni e spessore del nucleo di avere lo stesso rapporto tra taglio e flessione stress del componente reale e una curvatura simile per il carico massimo.
- Laminato la molla a balestra in scala.
- Prova con un apparecchio di prova curvatura quattro punti ordinari.
- Analizzare il carico massimo, spostamento e la modalità di guasto.
- Ottimizzare la progettazione della molla a lamelle sulla base delle conclusioni della prova sperimentale.
- Fabbricare la molla a balestra ottimizzata.
) sulla molla a balestra sfrutta le estremità, considerando il braccio di sospensione.
della foglia primavera finisce in conformità con la geometria delle sospensioni e spazio consentito intorno al telaio del veicolo.
.
è la sollecitazione ammissibile, 
è il modulo elastico, e 
è la densità.
) e tra i supporti e le estremità della molla a lamelle (
).
deve soddisfare la seguente equazione per mantenere lo stress 
costante sulla superficie esterna della foglia di primavera, lungo tutta la sua lunghezza.
è la distanza dal punto di applicazione del carico massimo 
e 
è la larghezza di sezione trasversale. La formula suggerisce che lungo il 
deve essere diminuito gradualmente con un profilo parabolico. Tuttavia, per ragioni di pratica del processo, è possibile approssimare profilo in altezza della molla foglia con una lineare.
è un piccolo valore inserito per ragioni di convergenza. Concettualmente, la molla a balestra è un panino con un nucleo conico nella 
presso il caricamento 
e 
sono la rigidezza flessionale della foglia molla lungo 
e 
sono il modulo elastico del nucleo e gli strati più esterni, rispettivamente,
è lo spessore del nucleo.
(fatica UD massima sollecitazione di flessione). Valutare 
mediante la teoria di Eulero-Bernoulli.
(sollecitazione di taglio massima core fatica) 
(sollecitazione di taglio massima core fatica). Valutare 
e 
mediante la teoria di Eulero-Bernoulli24.
, 
) della molla a balestra col destro sulla soluzione e selezionare Insert\Deformation\Directional. Se è basso, tornare al passaggio 2.7.10 e aumentare il numero delle tele UD esterni; Se è superiore, è necessario ridurlo.3. full-Frontal Crash Test simulazione
Figura 3: geometria Cruiser. Questa figura mostra la forma generale e le dimensioni del veicolo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
- Disegnare la geometria del veicolo (Figura 3).
- Creare e denominare un nuovo progetto di parte nel software di modellazione CAD.
- Modello parti solide utilizzando le risorse di estrusione, rivoluzione, spazzatoe Loft per garantire il pieno contatto tra parti differenti del veicolo (come telaio, sedili e roll-bar). Quando necessario, fare clic sulla scheda superficie, Geometria di riferimentoe piano per disegnare un piano di riferimento.
- Ripetere il passaggio 3.1.2 fino a quando la geometria è completa con monoscocca, porte, rullo gabbia, sedili, batteria, ruote, pneumatici, mozzi ruota, bracci di sospensione, molla a lamelle, sistema di sterzo e rigida barriera solida (2m x 2m).
- Sfruttare la simmetria bilaterale per ottimizzare i calcoli e utilizzare un modello di metà-auto. Nella scheda Utilities , fare clic su Verifica di simmetria e selezionare il comando Automatico simmetria Split . Quindi, fare clic sulla parte del corpo che sarà mantenuto e confermarla facendo clic su Split parte.
- Convertire i corpi solidi in superfici: selezionare le facce legate allo spessore dei corpi e fare clic su scheda superfici e, quindi, su Elimina faccia.
- Fare clic su Salva con nome e selezionare il formato STP .
- Impostare ed eseguire la simulazione.
- Creare e denominare un Nuovo progetto nel software di simulazione agli elementi finiti ANSYS Workbench.
- Trascinare da Toolbox - sistemi di analisi per il progetto schematico una finestra Dinamica esplicita . Fare doppio clic in Dati di ingegneria e aggiungere nuovi materiali, trascinando le loro proprietà necessarie dall'albero del Toolbox e inserendo i valori ottenuti nella sezione 1 del presente protocollo, ogni materiale di denominazione di conseguenza.
- Pulsante destro del mouse sulla geometria per geometria importata. Fare clic su Sfoglia e selezionare il file STP generato al punto 3.1.6.
- Fare doppio clic sul modello sotto Esplicita dinamico per aprire l'ambiente di modello .
- Una volta all'interno dell'ambiente di modello , fare clic destro sulla geometria per inserire il Punto di massa per elementi 3D o in Livello sezione per gli elementi 2D, per definire le masse concentrate o il layup composito, rispettivamente. Per ogni componente in geometria, il materiale adeguato e lo spessore delle superfici deve essere assegnati in Dettaglio-materiali.
- Pulsante destro del mouse sul modello per inserire simmetria - regione di simmetria. Il piano di simmetria YZ definisce corretta simmetria geometrica in termini di risultati futuri dando adeguate condizioni al contorno.
- Per impostare correttamente le connessioni, eliminare tutte le connessioni automatiche e lasciare solo Interazioni corpo, definito come senza attrito.
- Sotto i dettagli del Mesh Metodo esplicito (Figura 4), eliminare i nodi midside elementi e impostare la funzione di ridimensionamento sulla curvatura con Medium rilevante centro. Impostare la dimensione massima dell'elemento a 30 mm con un minimo di 6 mm.
- Impostare il Numero di CPU per l'elaborazione nella scheda Avanzate della sezione Mesh parallela.
- Impostare la velocità come una condizione iniziale sotto l'albero di Condizioni iniziali della scheda Dinamica esplicita .
- Impostare le condizioni al contorno di vincolo facendo clic destro sulla scheda Dinamica esplicita , selezionando Inseriscie picking Supporto fisso per definire la barriera rigida e A cilindrata fissa per evitare che la ruota si sposta sull'asse z.
- In Impostazioni di analisi, impostare i controlli in termini di Orario di chiusura (a 0,3 s) e Massimo numero di cicli (a 2.5 x 105), gli input necessari per ottenere la velocità e l'energia cinetica (uguale a zero).
- In soluzione, fare clic destro su Informazioni sulle soluzioni per inserire cinetico energia interna – totale - per tenere traccia di questi risultati. Sul lato opposto, in Informazioni sulla soluzione, Soluzione di Output possono essere monitorati in termini di Energia Riepilogo, Incremento di tempoe Risparmio energetico.
- Fare clic su Risolvi e analizzare i risultati di esito in termini di deformazione totale, Stress, ceppo, totale, interne ed energia cinetica e accelerazione.
Figura 4: Mesh di elementi finiti applicato al modello metà-veicolo. Questa figura mostra la discretizzazione del modello, fatto di metà del veicolo a causa della simmetria. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Representative Results
Lay-up del telaio principale: L'esito finale del protocollo è la sequenza di laminazione, chiamata anche il libro di strati. Tuttavia, mentre le distribuzioni di carico e i diagrammi della forza di piegatura e taglio possono essere determinati da considerazioni di semplice meccanica dei solidi, un punto chiave del protocollo è la valutazione delle proprietà del materiale reale. In realtà, anche se molti dei quantitativi necessari per la progettazione strutturale può essere trovati nella scheda tecnica del materiale, la fase di produzione e l'interazione con altri materiali può cambiare la risposta meccanica delle materie prime. In questa sezione, il set-up sperimentale per la piegatura di tre punti e le prove di ULS sono indicati (Vedi Figura 5). Da questi test, è possibile valutare la resistenza alla flessione delle lamine di sandwich e di trovare un limite inferiore per la resistenza al taglio del nucleo Nomex; rappresentante dello stress-cilindrata curve sono illustrate nella Figura 6 per due differenti orientamenti di un tessuto laminate. Inoltre, l'ULS è fondamentale per determinare la resistenza alla delaminazione nei bordi del telaio, dove il panino diventa un laminato.
Figura 5: prove meccaniche. Questi pannelli mostrano prove meccaniche di (A) la flessione a tre punti e (B) la ILSS. Forma del provino e le condizioni di carico sono mostrate. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: risultato tipico delle prove di flessione del tre-punto. Questi pannelli mostrano i risultati tipici di una prova di flessione del tre-punto per (A) [0/90]n plies e (B) [± 45]n plies. Sottolinea calcolato dal carico è misurati con la cella di carico e il dislocamento è misurata dal trasduttore incorporato nella macchina di prova. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In Figura 7, le sequenze di laminazione, definite da un settore sopra lo stampo del telaio, sono mostrate. La descrizione dettagliata delle sequenze di laminazione è elencata nella tabella 1. La tabella è divisa in tre fasi dell'autoclave processo di reticolazione che vengono fatte in sequenza, a partire da lamina ultraperiferiche, allora il nucleo Nomex e adesivi e infine la lamina interna.
Figura 7: risultato del processo di progettazione. Ogni zona è caratterizzata da un diverso lay-up. I numeri e i colori definiscono le diverse regioni in cui è divisa la struttura del telaio, vedere nella tabella 1. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Fase 1 | ||||
| p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C | ||||
| Segg. | Settore | Angolo | n ° | Materiale |
| P 1.1 | Globale | + 45 ° | 1 | T800 raso |
| P 1.2 (CONVOGL) | 1 | 0° | 1 | UNI M46J |
| 2 | 90° | 1 | UNI M46J | |
| 3 | + 45 ° | 1 | UNI M46J | |
| 1b | 0° | 1 | UNI M46J | |
| P 1.3 (CONVOGL) | 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 (CONVOGL) | B | 0° | 2 | UNI M46J |
| A, D, C | 90° | 1 | UNI M46J | |
| A, D | 90° | 2 | UNI M46J | |
| P 1.5 (CONVOGL) | D | 0° | 1 | T800 raso |
| D | 90° | 3 | UNI M46J | |
| D | 0° | 1 | T800 raso | |
| D | 0° | 3 | UNI M46J | |
| P 1.6 | Globale | 0° | 1 | T800 raso |
| Fase 2 | ||||
| p = 1,5 bar; t = 2 h; T = 1110 ° C | ||||
| P 2.1 | Globale | / | 1 | Pellicola adesiva |
| P 2.2 | 1, 2, 3 | / | 1 | Nomex 14 mm. 32Kg/m ^ 2 |
| P 2.3 | 1b, D, 0 | / | 1 | Nomex 9mm. 32Kg/m ^ 2 |
| P 2.4 | Globale | / | 1 | Pellicola adesiva |
| Fase 3 | ||||
| p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C | ||||
| P 3.1 | Globale | 0° | 1 | T800 raso |
| P 3.2 (CONVOGL) | D | 0° | 3 | UNI M46J |
| D | 0° | 1 | T800 raso | |
| D | 90° | 3 | UNI M46J | |
| D | 0° | 1 | T800 raso | |
| P 3.3 (CONVOGL) | A, D | 90° | 2 | UNI M46J |
| A, D, C | 90° | 1 | UNI M46J | |
| B | 0° | 2 | UNI M46J | |
| P 3.4 (CONVOGL) | 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 | Globale | + 45 ° | 1 | T800 raso |
Tabella 1: sequenza di laminazione del telaio. Questa tabella viene illustrata la specifica del lay-up per le diverse aree del telaio, definita nella Figura 7. Esso è diviso in tre fasi di laminazione differenti che vengono fatte in sequenza.
Una volta determinata la struttura del telaio, una gabbia di titanio viene aggiunto secondo regole20 della garae specifici test numerici vengono eseguiti per verificare la resistenza del veicolo nel suo complesso e, soprattutto, l'assenza dell'intrusione di nonstructural parti verso gli occupanti. In Figura 8, vengono visualizzate le indicazioni dei carichi statici impatto-equivalente e nella Figura 9 il corrispondente spostamento mappe possono essere valutate. In questa fase, solo una geometria schematica è utilizzata per il calcolo, mentre la geometria completa è utilizzata per la verifica finale del crash test.
Figura 8: direzioni di carico statico equivalente Crash. Secondo i regolamenti, la struttura del veicolo è caricata da una forza statica pari a 6 g volte la massa totale nelle direzioni indicate nella foto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Mappa degli spostamenti computati. Questa figura mostra un esempio degli spostamenti calcolati nei casi definiti in Figura 8. Lo spostamento deve essere inferiore a 25 mm in qualsiasi regione in prossimità degli occupanti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Molla a balestra: Il risultato del protocollo è l'ottimizzazione di una molla a balestra trasversale composita con capacità anti-roll. Il suo design deve soddisfare diversi requisiti specifici: uno stress di sotto della materiale-ammissibile per il carico massimo, una rigidità specifica e un peso minimo. Al fine di soddisfare tutti questi requisiti, viene presentato un modello analitico di ottimizzazione. Grazie al modello, è possibile ottenere rapidamente la geometria ottima e concettuale lay-up. La precisione del modello è stata verificata da metodo degli elementi finiti e una prova sperimentale su una molla a balestra 1/5-scalati. La molla a balestra in scala è doppio-supportati al centro (che si estende su 100 mm) e caricata alle estremità corrispondenti ai fori (che si estendono su 190 mm) con 1.000 N per ogni lato. La geometria ottimizzata e strati-libro della molla a balestra sono riportati in Figura 10 e tabella 2, rispettivamente.
Figura 10: campione ottimizzato della molla a lamelle geometria. Questa figura mostra la geometria della molla a balestra in scala che viene testata per frattura per convalidare il modello numerico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Vulcanizzazione in autoclave | |||||
| p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C | |||||
| Segg. | Settore | Angolo | n ° | Spessore | Materiale |
| mm | |||||
| Scade il 10 | Scade il 10 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Tutte le 200 | Tutte le 200 | 0° | # | 1 | T1000 UD 100gm/m ^ 2 |
| Centrale 125 | Centrale 125 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Centrale 175 | Centrale 175 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Tutte le 200 | Tutte le 200 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Centrale 175 | Centrale 175 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Centrale 125 | Centrale 125 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
| Tutte le 200 | Tutte le 200 | 0° | # | 1 | T1000 UD 100gm/m ^ 2 |
| Scade il 10 | Scade il 10 | 0° | 1 | 0.23 | T300 TW 200g/m ^ 2 |
Tabella 2: sequenza di laminazione della foglia molla. Questa tabella viene illustrata la specifica del lay-up per le diverse aree della molla a balestra.
Secondo il modello analitico, la molla a balestra dovrebbe avere una cilindrata massima di 12,2 mm e sviluppare una massima flessione MPa 970, costante tra i due supporti centrali.
Analisi agli elementi finiti come descritto nel passo 2.7 del protocollo è stato effettuato ed i risultati sono riportati in Figura 11. Lo stress nella direzione principale 
sulla superficie esterna della foglia molla lungo il suo asse principale è tracciata nel grafico. È quasi costante tra l'arco e uguale a 922 MPa e, quindi, diminuisce linearmente verso il punto di applicazione del carico. Nonostante essendo molto di sotto della tensione di compressione massima del materiale (1.450 MPa), il criterio di fallimento Hashin 3D tracciata nella Figura 10 Mostra una zona con un indice di guasto superiore a 1, che è causata tramite guasto di fibra (evidenziato in rosso) ed è associati a un brusco cambiamento della geometria per il dizionario utente esterno plies, causata da strati di interruzione del nucleo. Per tutto il tempo, lo spostamento calcolato da FEM presso il punto di applicazione del carico è 12,8 mm.
Figura 11: simulazione numerica di piegatura su modello ad elementi finiti balestra. Questa figura mostra i risultati della simulazione FEM sulla molla a balestra in scala in termini di indice di fallimento Hashin e sollecitazione massima principale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Al fine di verificare l'affidabilità dei modelli analitici e numerici, come suggerito dalla procedura, la molla a balestra in scala deve essere testato sperimentalmente. I risultati, riportati nel grafico della Figura 12, Mostra un carico massimo prima rottura di 1.980 N (990 N per ogni lato), con una cilindrata massima di 15,1 mm. Pertanto, in termini di spostamento massimo, il modello analitico e numerico sottovalutare di -19% e -15%, rispettivamente. È interessante notare che, la posizione di modalità e danno errore osservata il campione testato (Figura 11) concordano con i risultati del modello numerico.
Figura 12: quattro-punto sperimentale prova di flessione su un modello in scala della molla a balestra. Questa figura mostra la curva di set-up e carico-spostamento di prova per la molla a balestra in scala. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Crash Test: Analisi agli elementi finiti possono produrre risultati realistici per supportare gli ingegneri a comprendere il comportamento del veicolo in scenari diversi crash. Invece di correre in condizioni reali, è più tempo-efficiente e conveniente per simulare incidenti stradali utilizzando software commerciali quali ANSYS. I risultati attuali sono un esempio di come queste simulazioni possono contribuire alla comunità di ingegneria automobilistica.
Modello ad elementi finiti discretizzata della vettura ha presentato una serie di elementi e nodi di 79950 e 79822, rispettivamente. Come una condizione iniziale, adottò una velocità di impatto di 60 km/h, dove l'energia cinetica del veicolo è diminuito a circa 0,3 s (Figura 13), viene convertito in contatto ed energia interna all'interno della struttura di auto.
Figura 13: diagrammi di energia di Crash test. Questi pannelli mostrano il crash test diagrammi di energia di energia cinetica (A) e (B) interno dell'energia. I grafici ritraggono flussi energetici tipici durante un evento di crash. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nella mappa di stress di esempio nella Figura 14A, può essere valutato lo stato dell'integrità del veicolo. Questo è di fondamentale importanza per determinare eventuali danni alla sicurezza dei passeggeri, come sarebbe nel caso di una barra di gabbia roll potenzialmente allentato, distacco di posti a sedere o anche uno spostamento della barra di sterzo verso il conducente. Le cilindrate più prominente nel caso illustrato nella Figura 14B sono compresi all'interno della gamma di 95 mm e si verificano sia nella parte anteriore della vettura, a causa dello shock e nel roll-bar gabbia che sono attaccati ai sedili.
Figura 14: i tipici contorni di massima sollecitazione equivalente e il dislocamento massimo durante un test di urto frontale Questi pannelli mostrano lo stress (A), l'equivalente e (B) lo spostamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Dalla tabella 1, è possibile notare che le singole lamine non sono simmetriche, mentre è il panino intero. Questo è dovuto alla necessità di avere sia il minor numero di strati, il minimo tecnologico e le caratteristiche meccaniche desiderate.
Da un lato, la sezione contrassegnata come 1/1b, 2, 3 nella Figura 7 è responsabile per le proprietà meccaniche globali, come l'orientamento dello strato unidirezionale ad alta resistenza di rinforzo la differenza principale tra di loro. Da altro lato, la sezioni contrassegnate come A, B, C e D sono modificati per tenere conto i carichi concentrati dei sistemi di sospensione e di sedili dei passeggeri, a causa della presenza di molle a balestra.
Modello ad elementi finiti utilizzato per l'analisi del telaio composito si basa su una topologia di shell. Gli elementi shell sono un'opzione adatta per la riproduzione di strutture composite, come essi tendono a catturare la rigidità alla flessione dei corpi sottili con sostanzialmente più semplice mesh di elementi solidi. D'altra parte, ricorrere a continuum shell o elementi solidi dovrebbe essere considerata quando modellazione strutture sandwich spessore o regioni con pendenze ripide stress; una discussione comparativa su elementi shell shell e continuum è fornita24,25.
L'obiettivo principale dell'analisi statica sta verificando che la rigidità e la robustezza della struttura soddisfa i requisiti. Requisiti di rigidità vengono applicati direttamente, garantendo che la deformazione del veicolo in ogni caso di carico è entro i limiti dei regolamenti (vale a dire, nessuna parte del veicolo penetra camera degli occupanti). Valutazione della resistenza della struttura si basa sulla valutazione danno26 strati di composito; di Hashin vale a dire, i parametri di Hashin devono essere strettamente minore di 1. Come diversi modi dannosi contribuiscono al fallimento globale del composito laminato, l'uso di criteri di danno cumulativo (ad es., di Paola) è consigliato; criteri di massima sollecitazione potrebbero essere adatti per componenti metallici.
La letteratura ha proposto varie soluzioni per l'ottimizzazione della progettazione di molle a balestra composite leggere, ma la maggior parte di loro collegare solo una singola ruota27,28 (nessuna capacità antirollio) o sono adatta solo per stampo di infusione tecnologia (doppio-conico)29. Il design della foglia molla qui presentato è vincolata aprioristicamente di preimpregnati processo, che non consente una soluzione di design double-conico ma garantisce affidabilità e ad alta resistenza del materiale di laminazione.
L'aspetto innovativo della molla a balestra è l'integrazione funzionale di due componenti in uno (la molla e la barra antirollio) e il vantaggio principale è la riduzione della massa. Inoltre, grazie al modello analitico proposto, è possibile ulteriormente ridurre la massa e ottenere la geometria ottima veloce per il carico massimo impostato e lo spostamento.
Le sollecitazioni locali e fuori-di-piano quelli, che non può essere apprezzata dal modello analitico, vengono valutate con il metodo degli elementi finiti, e il molla a balestra composito singoli strati sono modellati con elementi in laterizio. Questa soluzione è computazionalmente più pesante rispetto all'utilizzo di conchiglie, ma permette, in combinazione con Hashin, criteri di cedimento 3D per predire la delaminazione causati da carichi fuori del piano, che è un aspetto critico del design balestra. Infine, i modelli analitici e numerici per la progettazione della molla a balestra sono stati convalidati da una prova sperimentale su una molla a balestra in scala.
Per quanto riguarda il crash test, la cilindrata relativamente elevata della gabbia del rullo, anche se non rappresenta un motivo di preoccupazione, è principalmente attribuita al layout della sua barra anteriore. La sua forma noncurved e il modo acuto in cui è collocato, con senza curve e su un angolo acuto con la direzione dell'impatto, è responsabile del trasferimento la maggior parte dell'energia che deve essere assorbita dal telaio per la gabbia del rullo, che ha un obiettivo strutturale distinto . Per questo motivo, la gabbia del rullo è spinto verso la parte posteriore del veicolo, causando un elevato stress su sue regioni di fissaggio ai sedili. È importante notare che, nonostante di qualsiasi sicurezza caratteristiche che potrebbero potenzialmente essere migliorate, la minima deformazione della monoscocca e il fatto che nessun componente penetrarono/perforato gli altri mettono in chiaro che il design del veicolo è considerato Cassetta di sicurezza per quanto riguarda la sua resistenza agli urti.
Di conseguenza, il disegno strutturale del veicolo nel suo complesso è considerato sono state ottimizzate in termini di utilizzo dei materiali, dove il vasto calcolo ha mostrato nel protocollo è essenziale per la progettazione di un monoscocca e per le balestre che sono state ideate per essere luce e presentare una prestazioni meccaniche migliorate. Inoltre, attraverso un numerico crash test simulazione, della struttura del veicolo ha dimostrato che è in grado di resistere con successo lo slancio dedotto da un impatto frontale considerando la velocità media della vettura sulla sua efficienza energetica ottima.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori vogliono ringraziare tutti i membri dell'associazione Onda Solare Sport (www.ondasolare.com) per il loro supporto essenziale e Marko Lukovic che fu il progettista estetico dell'incrociatore. Questa attività di ricerca è stata realizzata con il sostegno finanziario dell'Unione europea e della regione Emilia-Romagna all'interno del POR-FESR 2014-2020, asse 1, ricerca e innovazione.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Popular Mechanics Magazine. 104 (3), Hearst Magazines. (1955).
- Thacher, E. F. A Solar Car Primer, A Guide to the Design and Construction of Solar-Powered Racing Vehicles. , Springer. (2015).
- Minak, G., Fragassa, C., de Camargo, F. V. A brief review on determinant aspects in energy efficient solar car design and manufacturing. Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 847-856 (2017).
- Tamura, S. Teijin advanced carbon fiber technology used to build solar car for world solar challenge. Reinforced Plastics. 60, 160-163 (2016).
- Kin, W. D., Kruger, S., van Rensburg, N. J., Pretorius, L. Numerical assessment of aerodynamic properties of a solar vehicle. ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , San Diego. (2013).
- Betancur, E., Mejía-Gutiérrez, R., Osorio-Gómez, G., Arbelaez, A. Design of structural parts for a racing solar car. Advances on Mechanics, Design Engineering and Manufacturing. Proceedings of the International Joint Conference on Mechanics, Design Engineering & Advanced Manufacturing (JCM 2016, 14-16 September, 2016, Catania, Italy). Eynard, B., Nigrelli, V., Oliveri, S. M., Peris-Fajarnes, G., Rizzuti, S. , Springer. 25-32 (2017).
- Joost, W. Reducing vehicle weight and improving U.S. energy efficiency using integrated computational materials engineering. Journal of the Minerals, metals, and Materials Society. 64, 1032-1038 (2012).
- Paterson, G., Vijayaratnam, P., Perera, C., Doig, G. Design and development of the Sunswift eVe solar vehicle: a record-breaking electric car. Journal of Automobile Engineering. 230, 1972-1986 (2016).
- Betancur, E., Fragassa, C., Coy, J., Hincapie, S., Osorio-Gómez, G. Aerodynamic effects of manufacturing tolerances on a solar car. Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 868-876 (2017).
- de Kock, J. P., van Rensburg, N. J., Kruger, S., Laubscher, R. F. Aerodynamic optimization in a lightweight solar vehicle design. ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , Montreal. 1-8 (2014).
- Sancraktar, E., Gratton, M. Design, analysis, and optimization of composite leaf springs for light vehicle applications. Composite Structure. 44, 195-204 (1999).
- de Camargo, F. V., Fragassa, C., Pavlovic, A., Martignani, M. Analysis of the suspension design evolution in solar cars. FME Transactions. 45 (3), 394-404 (2017).
- Hurter, W. S., van Rensburg, N. J., Madyira, D. M., Oosthuizen, G. A. Static analysis of advanced composites for the optimal design of an experimental lightweight solar vehicle suspension system. ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , Montreal. (2014).
- de Camargo, F. V., Giacometti, M., Pavlovic, A. Increasing the energy efficiency in solar vehicles by using composite materials in the front suspension. Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 801-811 (2017).
- Mathijsen, D.
- Liu, Q., Lin, Y., Zong, Z., Sun, G., Li, Q. Lightweight design of carbon twill weave fabric composite body structure for electric vehicle. Composite Structures. 97, 231-238 (2013).
- Gay, D. Composite Materials: Design and Applications. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2014).
- Poodts, E., Panciroli, R., Minak, G. Design rules for composite sandwich wakeboards. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 628-638 (2013).
- ASTM D7264. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (2015).
- ASTM D2344. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (2015).
- Rondina, F., et al. Development of full carbon wheels for sport cars with high-volume technology. Composite Structures. 192, 368-378 (2018).
- American Solar Challenge 2018 Regulations. Revision B, September 4, 2017. , Available from: http://americansolarchallenge.org/ASC/wp-content/uploads/2017/09/ASC2018-Regs-External-Revision-B.pdf (2017).
- Sodena, P. D., Kaddourb, A. S., Hinton, M. J. Recommendations for designers and researchers resulting from the world-wide failure exercise. Composites Science and Technology. 64, 589-604 (2004).
- Zenkert, D. An Introduction to Sandwich Construction. Engineering Materials Advisory Services Ltd. , (1995).
- Barbero, E. J. Finite Element Analysis of Composite Materials Using AbaqusTM. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2013).
- Hashin, Z. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. Journal of Applied Mechanics. 47 (2), 329-334 (1980).
- Yu, W. J., Kim, H. C. Double Tapered FRP Beam for Automotive Suspension Leaf Spring. Composite Structures. 9, 279-300 (1988).
- Shokrieh, M. M., Rezaei, D. Analysis and optimization of composite leaf spring. Composite Structures. 60, 317-325 (2003).
- Wood, K. Composite leaf springs: Saving weight in production. , Available from: https://www.compositesworld.com/articles/composite-leaf-springs-saving-weight-in-production-suspension-systems (2014).
