Summary
本文详细介绍了全碳纤维增强塑料太阳能车的结构设计过程中的几个方面, 重点介绍了单壳底盘、叶弹簧和整车在碰撞试验中的整体情况。
Abstract
巡洋舰是多乘员太阳能车, 根据能耗和有效载荷之间的最佳妥协, 设计成在远程 (超过3000公里) 的太阳能竞赛中竞争。它们必须遵守比赛关于整体尺寸、太阳能电池板尺寸、功能、安全和结构要求的规则, 而形状、材料、动力总成和机械装置则由设计师酌情考虑。在这项工作中, 详细介绍了全碳纤维增强塑料太阳能车结构设计过程中最相关的方面。特别是介绍了用于底盘层压序列设计、叶片弹簧结构分析和车辆碰撞试验数值模拟 (包括安全笼) 的协议。纤维增强复合材料结构设计方法的复杂性, 通过调整其机械特性和优化汽车整体重量的可能性得到了补偿。
Introduction
太阳能汽车是一种太阳能汽车, 用于陆地运输。第一辆太阳能汽车是在1955年推出的: 它是一个小的15英寸的模型, 由12个硒光伏电池和一个小型电动机 1.自这次成功的示范以来, 世界各地为证明太阳能可持续流动的可行性作出了巨大努力。
太阳能汽车2的设计受到汽车能量输入量的严重限制, 在普通条件下相当有限。一些原型是为公众使用而设计的, 尽管没有主要由太阳驱动的汽车可以在商业上买到。事实上, 考虑到太阳能汽车目前的局限性, 特别是在成本、范围和功能方面的限制, 太阳能汽车似乎远未在日常生活中普遍使用。同时, 它们代表了在设计和制造层面开发新方法的有效试验台, 结合了航空航天、替代能源等先进工业部门通常使用的技术,汽车。此外, 大多数太阳能汽车都是为了太阳能汽车比赛而建造的, 在世界各地都有激烈的活动, 其参与者主要是大学和研究中心, 他们号称致力于研究每个技术问题的最佳解决方案。特别是, 最重要的比赛 (如《世界太阳能挑战》) 的组织者一直在采取制定比赛法规的战略, 目的是使这些极端车辆尽可能接近传统车辆运输工具。具体而言, 经过多年的车辆是单座车辆, 设计为尽快行驶路线, 最近推出和开发了新的巡洋舰车辆类别, 以高效运送更多的乘客。
对于这些车辆来说, 技术要求变得更加严格。事实上, 它们不仅必须保证最大的能源效率, 而且还必须符合与不同功能相联系的更复杂的工程条件。例如, 由于有可能运送更多的住户, 因此更难以保证安全和驾驶条件。由于整体重量增加, 需要插入更大的电池组, 而内部空间必须缩小, 使机械师的定位变得困难, 这使得这项工作变得更加复杂。
必须探索一种新的设计理念, 包括对材料使用和制造的不同看法。首先, 材料的选择必须基于最高的强度重量比, 直接的结果是, 碳纤维塑料是一个最佳的解决方案。此外, 还必须在设计中实施具体的策略。
本文介绍了设计太阳能汽车一些最重要的结构部件的过程, 如其单体底盘、悬架, 甚至是计算碰撞试验。最后的范围是迅速获得一个太阳能车辆与最小的可能的重量, 在与空气动力学和比赛规则的权衡。
显然, 从电阻与重量的比值来看, 寻找最佳材料受到所采用的技术的制约, 即 cfrp 预浸料的高压灭菌成型。所选择的方法的目的是在有限的可能性范围内, 从层类型的角度和布局方面快速确定最佳的材料选择。事实上, 使用复合材料进行设计意味着同时选择截面的几何特性、特定材料和合适的技术 (在这里介绍的情况下, 这些技术是先验确定的, 经常发生)。
在过去的几十年里, 世界各地都举办了几次著名的太阳能电动汽车远程性能竞赛, 涉及一流的大学和研究中心, 他们是发展这种流动性的主要推动者技术。然而, 与知识产权边界相结合的这一研究领域的竞争力是传播这一问题知识的一个严重限制因素。因此, 关于太阳能汽车设计的文献综述提供的参考很少 (有时甚至过时), 即使整个研究都是基于这项调查3, 这也是为什么鼓励实现像现在这样的作品的原因。
无论车辆设计的哪一个方面都在改进, 一个共同的目标总是旨在: 实现更高的能源效率。设计上的生产性变化并不总是建立在尖端技术的基础上, 因为它们可以仅仅基于机械, 比如降低车辆的重心以提高其稳定性 (这对在沙漠中举行的比赛尤其重要区域4由于侧风阵风5) 或减少车辆部件的重量 6-其中10% 的整体重量减少的电动汽车可以推断高达13.7% 的节能7。彻底的能源管理策略也常用于比赛活动, 以确保最佳性能, 在这里, 在巡洋舰级汽车中可以获得130公里的令人兴奋的最高速度和超过800公里的单一充电.
对车辆空气动力学5,9,10的研究对于确保驾驶过程中空气阻力和平滑度非常重要, 在驾驶过程中, 需要控制的主要方面是将阻力系数降低到允许汽车移动, 同时花费更少的能源, 和电梯系数, 必须保持负, 以保证汽车是安全和稳定地连接到地面, 即使在更高的速度。
另一个要设计的重要参数是悬挂系统, 该系统通常适用于普通车辆, 其唯一目的是提供舒适性、稳定性和安全性, 但在太阳能汽车中, 它也必须是轻型的。自 1999年以来, 在涉及玻璃纤维叶弹簧的研究中探讨了这一重要方面, 最近还在研究中探讨了碳纤维 12, 碳纤维在过去构成了鱼叉链13时, 不仅能提供重量降低, 但也增强了安全系数。虽然双叉骨悬架无疑更经常用于太阳能汽车14, 目前的研究考虑了横向叶片弹簧与碳纤维, 因为它是一个更简单和更轻的悬架系统, 减少了未弹簧的重量。
至于底盘的制造, 用碳纤维制成的单壳结构的建造已被证明具有显著的性能优势, 是现有最突出的 4、8 的设计约束。 ,15个太阳能汽车队碳纤维的使用对车辆的执行至关重要, 允许团队在每一个结构部件 (或同一结构的不同部分, 如底盘中) 在计算中具有最佳数量的纤维的情况下制造车辆取向。为此, 通过标准化的试验试验, 如三点弯曲试验和层间抗剪强度 (ilss) 试验, 对材料性能进行了评估。
为了确保固化周期的尺寸稳定性, 施工通常采用真空装袋和高压灭菌器成型4在碳纤维模具上, 而碳纤维模具则在精密研磨的高密度泡沫或铝图案上进行层压。大部分部件是由夹层结构组成的 (即皮肤上有纤维, 芯材重量极轻, 可将抗弯性归因于具有极低重量的复合材料)。此外, 碳纤维还有利于提供更高的振动安全水平, 以对抗共振现象12。
为了在撞车事件中证明乘客的安全, 碰撞测试通常涉及耗时和不经济的、实验性和破坏性的样品车辆测试。最近流行的一个趋势是计算机模拟碰撞测试, 在这种情况下, 这些模拟调查汽车乘员在不同类型的冲击 (例如, 全正面, 偏移, 侧面冲击, 和翻滚).鉴于对道路车辆进行碰撞分析的重要性以及通过数值模拟进行碰撞分析的可行性, 本次调查的目的是从最大应力和最大应力的角度确定太阳能车辆最关键的区域。变形, 以便允许结构的改进的假设。
在此对太阳能汽车进行的数值碰撞试验是前所未有的。考虑到缺乏关于研究的参考书目和这种创新太阳能汽车方法的具体规定, 假定了一种适应, 即考虑车辆在平均速度下对刚性障碍物的影响。为此, 在不同的适当软件上对车辆进行了几何建模和仿真 (包括网格结构和仿真设置)。碳纤维在车辆结构中的使用也是有道理的, 因为它的耐撞性行为已经被证明高于其他材料, 如玻璃纤维复合材料, 在电动汽车的碰撞试验16。
Protocol
注: 太阳能汽车的设计过程是一项相当复杂的任务, 涉及多学科方面, 因此不可能在这里涵盖所有这些方面。为了指导读取器, 图1显示了嵌入所述协议的逻辑过程。
图 1: 设计流程图.描述了设计过程中不同部分之间的相互作用。请点击这里查看此图的较大版本.
1. 主底盘设计的准备
- 确定最坏情况下的负载分布。
- 通过设计的垂直加速度将乘客和电池组的质量分布乘以主设计负载。
- 考虑座椅的位置和不同的可能电池位置。
- 计算叶片弹簧关节的反应。车辆被认为是一个简单的支持 a 梁。
- 确定弯矩和剪切的图。
- 找到核心材料上允许的最大剪切应力。它的价值可以在核心技术表中读出, 也可以通过在合适的样品上进行实验来发现。在这种情况下, 可以确定岩心层的分层应力。
- 根据剪切阻力 17,18 (剪切力
施加的宽度在哪里, 核心厚度在哪里) 计算夹芯岩心厚度
。
- 找出现有 cfrp 层的抗拉强度和抗压强度。它们的价值可以在层的技术表中找到。
- 实验确定了夹层复合材料的弯曲强度19。
- 实验上确定 ilss 为材料20,21的可能的组合。
- 考虑到车辆的不同部分, 其形状是在空气动力学要求和功能需求之间进行权衡的情况下设计的。
注: 底盘有三个关键部分--弯矩最高的部分和两个端部, 由于轮式悬架系统的存在, 该区域大幅减少。此外, 在这两个还原截面中, 剪切必须从叶片弹簧转移到底盘上。 - 在所考虑的三个部分和不同部分中对铺设作出假设, 同时考虑到技术最小值17 至少是每个方向 (0° [即纵向] 纤维的 10%,90° [即横向] 和±45° [即对角线]), 在节的特定部分作用的最重要的负载, 层数是整数, 并且厚度必须保持在最低限度。
- 根据夹层理论17,18计算最大拉伸和压缩应力, 并将其与允许的应力进行比较 (其中适用力矩
的宽度和 
是核心和层的厚度)。
- 如有必要, 修改布局, 然后返回到步骤1.9。
- 在 abaqus 软件中建立有限元壳模型, 并应用第22条规定的冲击等效载荷.
- 在 cad 建模器中创建机箱。
- 通过单击"导入" , 将 fem 软件中的机箱作为外壳或实体部分导入部分。如果将其作为实体导入, 请使用"几何编辑"工具将其转换为外壳部分。
- 定义单个 cfrp 层的性质为具有lamina型或工程常数的弹性材料;选择材料的弹性模量和泊松比。请注意, 如果分析 shell 的平面外行为, 则需要工程常量参数。选择哈辛损伤标准来实现复合层26的失效标准。
- 通过定义层压板的堆叠序列, 创建复合图层部分。以表格形式为每层分配其方向和厚度。
注: cfrp 层的固化后厚度必须考虑。 - 通过网格种子分配零件离散元素的分布。使用"分区面" 工具和"偏置" 种子来增加关键位置的元素数量。选择"四块控制的元素" 形状和命令行管理程序元素类型。如果模型中的沙漏效果可以忽略不计, 请单击 "减少集成";否则, 请使用不减少的集成。
- 在组件模块中创建机箱的实例。这是将对其应用载荷和边界条件的条件。
- 将 "步骤"模块中的分析过程定义为"静态"。选择求解器的设置。选择nlgeom: 打开以激活非线性膜行为。
- 应用与法规规定的负载等效的负载, 因为机箱上的 "体力载荷"。在电池和乘员的位置施加集中的力量, 以考虑他们的集中重量。
- 应用实例上的bc 。将底盘视为由外部负载作用的受支持主体, 在约束位置有固定bc。
- 在"字段输出请求"模块中定义输出。选择域: 复合层接,以提取层压板中每个层位置的输出。
- 创建作业并运行分析。
- 验证结果是否符合法规的要求 22。如果它们未得到满足, 请返回到步骤1.9 并1.12.4 并修改层压序列。
- 制作一本书, 将结构设计人员的逐段方法转换为制造商所需的逐层方法。
- 在特定的功能要求导致夹层厚度减少的部分进行特殊修改。
- 用高压灭菌器制造机箱。
- 通过精密铣削生产高密度泡沫图案。
- 通过细粒度测量砂纸, 保证表面光洁度。
- 在泡沫上涂上层封口剂和脱模剂, 以确保碳纤维模具的可拆卸性。
- 通过组装预浸渍低催化-温度碳纤维层, 并通过真空袋压缩密封每个部件来制造模具, 以实现进一步的高压灭菌。
- 抛光生产的模具表面, 并应用封口剂和脱模剂。
- 根据手册将底盘部件层压在模具上, 并将其提交到真空袋压缩和高压灭菌器。
施加的宽度在哪里, 核心厚度在哪里) 计算夹芯岩心厚度
。
的宽度和
是核心和层的厚度)。
2. 叶片弹簧设计
图 2: 加载叶弹簧的关系图.这个图显示了剪切和弯矩作用在叶片弹簧上的确定。请点击这里查看此图的较大版本.
- 确定叶弹簧的载荷分布 (参见图 2的弯曲和剪切图)。
- 评估在最坏情况下在车辆车轮上施加的最大载荷 (请参阅步骤 1.1)。
- 考虑到悬臂的利用,
计算叶片弹簧末端的反应力 (最大载荷)。 - 根据叶片弹簧与车辆底盘和悬架底盘的锚固点, 定义叶片弹簧的支撑点和加载点。
- 确定弯曲和剪切图, 将叶片弹簧建模为四节点弯曲梁, 两端施加相等的最大载荷 (最坏情况)。
- 根据悬架几何
形状和车架周围允许的空间, 评估叶片弹簧端的最大位移。 - 选择具有较高比应变储能能力的材料.
这里,
是允许的应力, 
是弹性模量, 是
密度。- 由于弯曲是叶片弹簧的主要载荷 (剪切载荷是一个或两个数量级的较低), 保持材料的疲劳强度为 。
- 对于复合正交各向异性材料, 请考虑 frp 沿主要方向 (纤维方向) 的疲劳弯曲强度.
- 由于弯曲是叶片弹簧的主要载荷 (剪切载荷是一个或两个数量级的较低), 保持材料的疲劳强度为
- 从概念上设计叶片弹簧形状和布局, 以最大限度地提高其特定的储能能力。
注: 应对叶片弹簧截面进行建模, 使最大允许应力状态沿所有叶片弹簧出现。- 仅关注图 2的弯曲图。剪切载荷低一个或两个数量级。在此基础上, 将叶片弹簧分为两种类型的扇区: 两种支承 (
) 之间, 支持与叶片弹簧端 (
) 之间。 - 沿 , 保持弯曲载荷恒定, 并在其最大值;因此, 也保持横截面不变。
- 沿 , 从载荷应用点线性增加弯曲载荷到支承;因此, 横截面高度
应满足以下方程, 以保持叶片弹簧
外表面的应力不变, 一直保持其长度。
这里,
是最大载荷
与应用点的距离, 
是横截面宽度。该公式表明, 在跨度, 叶弹簧的横截面高度
应锥形抛物线轮廓。然而, 由于工艺实践的原因, 用线性的方法近似叶泉的高度分布。
注: 保持恒定, 以避免纤维在层压过程中的中断, 这将降低复合层板的强度。 - 由于弯曲大于剪切载荷, 因此采用具有0-90 织物 frp 的线性锥形核心的夹层结构来抵抗剪切载荷, 并赋予叶弹簧和以叶弹簧为导向的单向 frp 外层扭转刚度。主轴, 以对比弯曲载荷。外层具有恒定的厚度, 以避免在较高的应力区的几何不连续性。
- 仅关注图 2的弯曲图。剪切载荷低一个或两个数量级。在此基础上, 将叶片弹簧分为两种类型的扇区: 两种支承 (
- 获得所选 frp 材料的拉伸、压缩、弯曲和抗剪强度。它们的价值可以在技术数据表中找到, 也可以通过基于 astm 标准的测试 (首选选项) 找到。
- 利用分析模型优化叶片弹簧几何尺寸。
注: 目标函数是在遵守所施加的约束的同时, 最大限度地减少质量;因此, 以等于材料允许的应力为挠度, 保持最大载荷。- 约束指定最大载荷 的最大挠度条件。
这里,
是一个小的值插入收敛的原因。从概念上讲, 叶泉是一个三明治与锥形核心在该地区。利用卡斯蒂利亚诺
的方法计算加载时的挠度。
这里,
是
叶弹簧的弯曲刚度沿和 , 分别。
这里,
分别
是核心和外层的弹性模量,
是外层厚度, 是
核心厚度。
- 约束最大弯曲应力条件:
(最大 ud 疲劳弯曲应力)。利用
欧拉-伯努利理论进行评价。
- 约束最大岩心和外层剪切应力的条件:
(最大岩心疲劳剪切应力) 
(最大岩心疲劳剪切应力)。利用
欧拉-伯努利理论
24进行评价和评价。
- 使用叶片弹簧质量作为目标函数, 以尽量减少。
注: 可以更改的几何参数是:
和. 如果锚点的设计允许到框架, 并且也可以被考虑作为变量, 如果遵守以下约束:
- 迭代或通过优化算法解决问题, 这些算法可以在几个数值计算软件程序中找到集成。
- 约束指定最大载荷
- 对安赛斯复合页 (acp)中优化的叶片弹簧进行有限元模拟。目标是评估应力集中和平面外载荷。
- 绘制仅四分之一叶片弹簧的 cad 几何形状, 其表面与支撑点和铺装变化成对应。
- 在ansys 工作台中创建一个新的模拟项目。通过将 acp ("工具箱"菜单中) 拖到工作区中, 选择 acp (前)。
- 通过单击工程数据来定义材料属性。选择工程数据源, 并通过双击从复合材料文件夹碳 ud 和编织预浸料的默认材料属性导入它们。使用材料数据表上的或从实验结果中获得的材料常数更新三个主要方向的材料常数。
- 通过右键单击 "几何", 然后单击"导入几何", 在保持与 cad 保持链接的同时导入几何图形。以本机 cad 格式导入它。
- 双击 "模型"。分配任意表面厚度。使用"命名选择" 函数定义不同的布局区域 (右键单击"模型", 然后在"插入" 上)。通过右键单击"网格" , 然后在"生成网格" 上生成默认网格。
- 在工作台中,通过双击安装程序打开acp–预。
- 在 "材质数据" 菜单文件夹中定义层的属性。选择"通过右键单击面料创建面料"; 选择 "通过右键单击" 面料 "来创建". 然后, 定义材料并指定预浸料厚度。通过右键单击子层压板选择 "创建子层压板", 并定义子层压板堆叠序列。
- 根据层压过程的主要方向 (主叶弹簧轴), 在rosettes菜单文件夹中定义元素局部坐标系。
- 通过为每个元素集 (以前在 "步骤 2.7.5中定义" 点 ") 定义任意原点和在" 步骤 "中设置的 roset雷特设置的 ros点将在" 定向选择集 "菜单文件夹中确定 fem 元素的局部坐标2.7.8, 我的时间, 我的
- 根据在步骤2.7 的优化过程中获得的结果定义布局。右键单击"建模组", 然后选择 "创建 ply".定义定向选择集、 ply 材质和图层数。对每个重复的层组重复此操作。
注: 遵循相同的堆叠顺序的层压过程。 - 在工作台中, 将静态结构分析 (在"工具箱"菜单中) 拖到工作区上。然后, 在静态结构上拖动acp (前) \ 设置 \ 模型, 然后选择"传输固体复合数据"。双击"静态结构" \ 设置.
- 应用对称和约束边界条件。右键单击 "静态结构" , 然后选择 "插入" \ 位移。选择"几何的边缘" 或"曲面" , 并将相应组件方向的位移设置为0。
- 按照相同的步骤2.7.12 应用力。
- 通过单击"求解"将有限元模型解析为线性弹性。
- 通过右键单击
"解决方案" 并选择"插入"\ "变形", 评估叶片弹簧的最大位移)。如果它是低的, 回到步骤 2.7.10, 并增加外部 ud 层的数量;如果它是高的, 减少它。 - 在工作台中, 将acp (在工具箱中) 拖到 acp (前) \ mode"上.然后, 在acp (后) 上拖动静态 \ 结构解决方案。双击acp (发布) \ 结果。
- 右键单击 "定义" 菜单文件夹, 然后选择 "哈希姆 3d"作为失败标准。
- 右键单击 "解决方案" 菜单文件夹, 然后选择 "创建失败...".选择 "哈欣" 并选中"在固体上显示"。
- 检查失败条件是否始终低于1。如果不是, 请返回步骤2.7.7 并增加区域中被确定为关键的层数, 并在必要时对其进行定向。
- 写一本书。
- 测试设计的叶片弹簧的缩放模型。
- 利用步骤2.7 的分析模型, 设计了一个半到半比例的叶片弹簧, 调整外层和岩心厚度, 使实际部件的弯曲应力和剪切应力之间具有相同的比率, 并为最大载荷提供了相似的曲率。
- 层压鳞片的叶片弹簧。
- 用普通的四点弯曲试验夹具进行测试。
- 分析了最大载荷和位移以及失效模式。
- 在实验试验结论的基础上, 优化了叶片弹簧的设计。
- 制造优化的叶片弹簧。
计算叶片弹簧末端的反应力 (最大载荷)。
形状和车架周围允许的空间, 评估叶片弹簧端的最大位移。
是允许的应力, 
是弹性模量, 是
密度。
) 之间, 支持与叶片弹簧端 (
) 之间。
应满足以下方程, 以保持叶片弹簧
外表面的应力不变, 一直保持其长度。
是最大载荷
与应用点的距离, 
是横截面宽度。该公式表明, 
应锥形抛物线轮廓。然而, 由于工艺实践的原因, 用线性的方法近似叶泉的高度分布。
是一个小的值插入收敛的原因。从概念上讲, 叶泉是一个三明治与锥形核心在该
的方法计算
是
叶弹簧的
分别
是核心和外层的弹性模量,
核心厚度。
(最大 ud 疲劳弯曲应力)。利用
欧拉-伯努利理论进行评价。
(最大岩心疲劳剪切应力) 
(最大岩心疲劳剪切应力)。利用
欧拉-伯努利理论
24进行评价和评价。
和. 
"解决方案" 并选择"插入"\ "变形", 评估叶片弹簧的最大位移)。如果它是低的, 回到步骤 2.7.10, 并增加外部 ud 层的数量;如果它是高的, 减少它。3. 全正面碰撞试验模拟
图 3: 巡洋舰几何形状.此图显示了车辆的一般形状和尺寸。请点击这里查看此图的较大版本.
- 绘制车辆的几何形状 (图 3)。
- 在 cad 建模软件中创建和命名新的部件项目。
- 使用 "挤压"、 "旋转"、 "扫描" 和"阁楼" 资源的实体部件建模, 以确保不同车辆部件 (如底盘、座椅和滚笼) 之间的完全接触。必要时, 单击 "曲面"、 "参考几何"和"平面"选项卡以绘制参考平面。
- 重复步骤 3.1.2, 直到几何形状完成与单体, 门, 滚笼, 座椅, 电池, 车轮, 轮胎, 轮毂, 悬挂臂, 叶片弹簧, 转向系统, 和刚性固体屏障 (2 x 2 米)。
- 利用双边对称性优化计算, 并使用半车模型。在 "实用程序" 选项卡下, 单击"对称检查" , 然后选择"自动对称拆分"命令。然后, 单击将保留的主体部分, 并通过单击拆分部件进行确认。
- 将实体转换为曲面: 选择与实体厚度相关的面, 然后单击 "曲面" 选项卡, 然后单击"删除面"。
- 单击"另存为 ", 然后选择 stp格式。
- 设置并执行模拟。
- 在 ansys 工作台有限元仿真软件中创建和命名一个新项目。
- 从工具箱-分析系统拖到项目原理图 "显式动态"窗口。双击工程数据并添加新材料, 从工具箱树中拖动其必要的属性, 并插入在此协议第1节中获得的值, 相应地命名每个材料。
- 右键单击 "几何" 以导入 "几何"。单击"浏览" , 然后选择在步骤3.1.6 中生成的 stp 文件。
- 双击"显式动态"下的"模型" 以打开"模型" 环境。
- 进入模型环境后, 右键单击"几何" 以插入三维元素的点质量, 或在二维元素的图层部分中分别定义集中的质量或复合层。对于几何下的每个组件, 应在"几何材料" 下指定适当的材料和表面厚度。
- 右键单击 "模型" 以插入"对称" 区域。yz 对称平面根据给出适当边界条件的未来结果定义了正确的几何对称性。
- 若要正确设置连接, 请删除所有自动连接, 并只保留 "无摩擦" 的 "正文交互".
- 在网格显式方法的详细信息下 (图 4), 删除"元素" 中间节点, 并在具有中等相关中心的曲率上设置大小调整函数。将最大元素尺寸设置为30毫米, 最小为6毫米。
- 在 "网格"部分的"高级" 选项卡下设置用于并行处理的 cpu 数量。
- 将" 速度" 设置为 "显式动态" 选项卡的"初始条件" 树下的初始条件。
- 通过右键单击 "显式动态" 选项卡, 选择"插入",并选取"固定支持"来定义刚性屏障和固定位移来设置约束边界条件, 以防止滚轮在 z 轴上移动。
- 在"分析设置" 下,根据 "结束时间" (至 0.3秒) 和"最大周期数" (至 2.5x 10 5)、获取速度所需的输入和动能 (等于零) 设置控件。
- 在"解决方案"下, 右键单击 "解决方案信息"以插入"动能-全面-内部能量" 来跟踪这些结果。另一方面, 在"解决方案信息"下, 可以根据"能量摘要"、 "时间增量" 和"节能" 来跟踪 "解决方案输出"。
- 单击"求解", 并从总变形、应力、应变、总能量、内部和动能以及加速等方面分析结果。
图 4: 应用于半车辆模型的有限元网格.此图显示了模型的离散化, 由于对称性, 该模型在车辆的一半上完成。请点击这里查看此图的较大版本.
Representative Results
主底盘的铺设:该协议的最终结果是层压序列, 也称为本书。然而, 虽然载荷分布以及弯矩和剪切力图可以通过简单的固体力学考虑来确定, 但协议的一个关键点是对实际材料性能的评价。事实上, 即使在材料数据表中可以找到结构设计人员所需的许多数量, 制造阶段和与其他材料的相互作用也会改变原材料的机械响应。在本节中, 显示了三点弯曲和 ilss 测试的实验设置 (参见图 5)。通过这些试验, 可以评价夹层层的抗弯强度, 并为 nomex 岩心的抗剪强度找到下限;图 6显示了织造层压板的两个不同方向的具有代表性的应力-位移曲线。此外, ilss 对于确定底盘边缘的抗分层电阻至关重要, 在底盘边缘, 三明治会成为层压板。
图 5: 机械测试.这些面板显示了 (a) 三点弯曲和 (b) ilss 的机械试验。显示了试样的形状和加载条件。请点击这里查看此图的较大版本.
图 6: 三点弯曲试验的典型结果.这些面板显示了 (a) [/90]n层和 (b) [±45]n层的三点弯曲试验的典型结果。从负载计算的应力由称重传感器测量, 位移由嵌入在试验机中的传感器测量。请点击这里查看此图的较大版本.
在图 7中, 显示了在底盘模具上按扇区定义的层压序列。层压序列的详细规范见表 1。该表分为高压灭菌器固化过程的三个阶段, 按顺序完成, 从最外层的层, 然后是 nomex 核心和粘合剂, 最后是内层。
图 7: 设计过程的结果.每个区域的特点都是不同的布局。数字和颜色定义了机箱结构划分的不同区域, 请参见表 1.请点击这里查看此图的较大版本.
| 第1阶段 | ||||
| p = 6 巴;t = 2小时;t = 135°c | ||||
| 赛克。 | 部门 | 角度 | n ° | 材料 |
| p 1。1 | 全球 | + 45° | 1 | 缎面 t800 |
| p 1.2 (reinf) | 1 | 0° | 1 | uni m46j |
| 2 | 90° | 1 | uni m46j | |
| 3个 | + 45° | 1 | uni m46j | |
| 1b | 0° | 1 | uni m46j | |
| p 1.3 (恢复) | 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 | |
| A, D | 90° | 2 | uni m46j | |
| p 1.5 (reinf) | D | 0° | 1 | 缎面 t800 |
| D | 90° | 3个 | uni m46j | |
| D | 0° | 1 | 缎面 t800 | |
| D | 0° | 3个 | uni m46j | |
| p 1。6 | 全球 | 0° | 1 | 缎面 t800 |
| 第2阶段 | ||||
| p = 1, 5 巴;t = 2小时;t = 1110°c | ||||
| p 2。1 | 全球 | / | 1 | 胶粘膜 |
| p 2。2 | 1, 2, 3 | / | 1 | nomex 14 毫米32Kg/m^2 |
| p 2。3 | 1b, d, 0 | / | 1 | nomex 9 毫米32Kg/m^2 |
| p 2。4 | 全球 | / | 1 | 胶粘膜 |
| 第3阶段 | ||||
| p = 6 巴;t = 2小时;t = 135°c | ||||
| p 3。1 | 全球 | 0° | 1 | 缎面 t800 |
| p 3.2 (reinf) | D | 0° | 3个 | uni m46j |
| D | 0° | 1 | 缎面 t800 | |
| D | 90° | 3个 | uni m46j | |
| D | 0° | 1 | 缎面 t800 | |
| p 3.3 (reinf) | A, D | 90° | 2 | uni m46j |
| A、D、C | 90° | 1 | uni m46j | |
| B | 0° | 2 | uni m46j | |
| p 3.4 (恢复) | 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个 | -45° | 1 | uni m46j | |
| 2 | 90° | 1 | uni m46j | |
| 1 | 0° | 1 | uni m46j | |
| p 3。6 | 全球 | + 45° | 1 | 缎面 t800 |
表 1: 底盘的层压顺序.下表显示了机箱不同区域的布局规范, 如图 7所示。它被分为三个不同的层压阶段, 按顺序进行。
一旦确定了底盘的结构, 就会根据比赛规则 2 0的规则增加钛辊笼, 并进行具体的数值测试, 以验证整车的阻力, 最主要的是, 没有非结构的入侵对住户的部分。在图 8中, 显示了冲击等效静态载荷的方向,在图 9中, 可以评估相应的位移图。在此阶段, 仅使用原理图几何进行计算, 而完整的几何图形用于崩溃测试的最终验证。
图 8: 崩溃等效静态负载方向.根据规定, 车辆结构由静态力装载, 等于图片所示方向的总质量的6倍。请点击这里查看此图的较大版本.
图 9: 计算位移的映射.此图显示了在图 8中定义的情况下计算的位移的示例。在住户附近的任何地区, 位移必须低于25毫米。请点击这里查看此图的较大版本.
叶片弹簧:该协议的结果是优化了具有抗滚能力的复合横叶弹簧。它的设计必须满足不同的具体要求: 最大载荷允许的应力低于材料允许的应力、特定的刚度和最小重量。为了满足所有这些要求, 提出了一个优化分析模型。借助该模型, 可以快速获得最佳的几何形状和概念布局。通过有限元法和半尺度叶片弹簧的实验试验, 验证了模型的准确性。缩放叶弹簧在中心 (跨度100毫米) 是双支承的, 并加载在与孔 (跨度190毫米) 相对应的端部, 每边 1, 000 n。图 10和表 2分别报告了叶片弹簧的优化几何形状和书。
图 10: 叶片弹簧几何形状的优化示例.此图显示了缩放叶片弹簧的几何形状, 经过测试进行了断裂验证, 验证了数值模型。请点击这里查看此图的较大版本.
| 高压灭菌器固化 | |||||
| p = 6 巴;t = 2小时;t = 135°c | |||||
| 赛克。 | 部门 | 角度 | n ° | 厚度 | 材料 |
| 毫米 | |||||
| 结束10 | 结束10 | 0° | 1 | 0.23 | tw t300 200g/m^2 |
| 所有200 | 所有200 | 0° | # | 1 | ud t1000 100gm/m^2 |
| 中环125 | 中环125 | 0° | 1 | 0.23 | tw t300 200g/m^2 |
| 中环175 | 中环175 | 0° | 1 | 0.23 | tw t300 200g/m^2 |
| 所有200 | 所有200 | 0° | 1 | 0.23 | tw t300 200g/m^2 |
| 中环175 | 中环175 | 0° | 1 | 0.23 | tw t300 200g/m^2 |
| 中环125 | 中环125 | 0° | 1 | 0.23 | tw t300 200g/m^2 |
| 所有200 | 所有200 | 0° | # | 1 | ud t1000 100gm/m^2 |
| 结束10 | 结束10 | 0° | 1 | 0.23 | tw t300 200g/m^2 |
表 2: 叶片弹簧的层压序列.下表显示了叶片弹簧不同区域的铺设规范。
根据分析模型, 叶片弹簧的最大位移应为 12.2 mm, 并产生最大弯曲应力 970 mpa, 在两个中心支承之间保持不变。
执行了协议步骤2.7 中所述的有限元分析, 结果如图 11所示。在图中绘制了叶
弹簧沿主轴外表面主向的应力图。它在跨度之间几乎是恒定的, 等于 922 mpa, 然后向负载应用程序点线性减小。尽管远远低于材料的最大压缩张力 (1, 450 mpa),但图 10中绘制的三维哈辛失效标准显示了一个失效指数超过1的区域, 该区域是由纤维故障 (以红色突出显示) 引起的, 并且是与外部 ud 层的几何形状的突然变化有关, 这是由核心的层位中断引起的。在载荷应用点上, 用有限元法计算出的位移为 12.8 mm。
图 11: 叶弹簧有限元模型的弯曲数值模拟.该图显示了在哈欣破坏指数和最大主应力方面对鳞片叶片弹簧进行有限元模拟的结果。请点击这里查看此图的较大版本.
为了验证分析模型和数值模型的可靠性, 按照该程序的建议, 必须对鳞片叶弹簧进行实验测试。图 12中报告的结果显示了断裂前的最大载荷为 1, 990 n (每边 990n), 最大位移为 15.1 mm。因此, 在最大位移方面, 解析和数值模型分别低估了-19% 和-15%。有趣的是, 在被测试样品 (图 11) 上观察到的失效模式和损伤位置与数值模型结果一致。
图 12: 叶弹簧缩放模型上的四点弯曲实验试验.此图显示了缩放叶片弹簧的测试设置和载荷-位移曲线。请点击这里查看此图的较大版本.
碰撞测试:有限元分析可以产生逼真的结果, 支持工程师了解不同碰撞情况下的车辆行为。它不是运行现实生活条件, 它是更省时和成本效益, 以模拟车祸使用商业软件, 如 ansys。目前的结果是这些模拟如何为汽车工程界做出贡献的一个例子。
该车的离散有限元模型分别给出了79822和79822的多个单元和节点。作为初始条件, 它采用了 60 km h 的撞击速度, 即车辆的动能在大约0.3 秒内下降 (图 13), 转化为汽车结构内的接触和内部能量。
图 13: 崩溃测试能量图.这些面板显示 (a) 动能和 (b) 内部能量的碰撞测试能量图。这些图表描绘了崩溃事件期间典型的能量通量。请点击这里查看此图的较大版本.
从图 14a中的示例应力图中, 可以评估车辆完整性的状态。这对于确定可能对乘客安全造成的伤害至关重要, 就像可能放松的滚笼杆、座椅脱离, 甚至转向杆向司机转移一样。图 14b所示情况下最突出的位移由95毫米范围内组成, 由于冲击而出现在汽车前部, 也发生在连接在座椅上的滚笼杆中。
图 14: 在正面碰撞试验中, 最大等效应力和最大位移的典型轮廓.这些面板显示 (a) 等效应力和 (b) 位移。请点击这里查看此图的较大版本.
Discussion
从表1中可以看出, 单层是不对称的, 而整个三明治是对称的。这是因为必须同时拥有最少的层数、最小的技术和所需的机械性能。
一方面,图 7中标记为之前 b、2、3的部分负责整体机械性能, 是高强度钢筋单向方向之间的主要区别。另一方面, 对标记为 a、b、c 和 d 的部分进行了修改, 以考虑到由于叶弹簧的存在, 悬挂系统和乘客座椅的集中负荷。
用于分析复合机箱的有限元模型是基于壳拓扑结构的。外壳元件是复制复合材料结构的合适选择, 因为它们倾向于捕获薄壁机构的弯曲刚度, 其网格比固体元件简单得多。另一方面, 在模拟厚夹层结构或应力梯度区域时, 应考虑采用连续体壳或固体元素;对壳体和连续壳元素进行了比较讨论 24、25。
静力分析的主要目的是验证结构的刚度和强度是否符合要求。通过确保车辆在每个装载情况下的变形在条例的范围内 (即车辆的任何部分都不穿透乘员的房间), 直接执行刚度要求。对结构强度的评估是在评估哈辛对复合材料的26层损伤的基础上进行的;即哈辛的参数必须严格小于1。由于不同的破坏模式导致了复合层压板的全球失效, 建议使用累积损伤标准 (例如, hashin);最大应力标准可适用于金属部件。
文献为轻质复合叶弹簧的设计优化提出了各种解决方案, 但大多只连接一个全轮 27、28 (无防辊能力) 或只适用于输液模具技术 (双锥形)29。本文介绍的叶片弹簧的设计受预浸料层压工艺的先验约束, 不允许采用双锥形设计解决方案, 但保证了较高的材料强度和可靠性。
叶片弹簧的创新方面是两个组分 (弹簧和防滚杆) 的功能集成, 主要优点是质量减少。此外, 由于所提出的分析模型, 可以进一步减小质量, 快速获得设定的最大载荷和位移的最佳几何形状。
用有限元法对分析模型无法识别的局部应力和平面外应力进行了评价, 并用砖单元对叶片弹簧复合单层进行了建模。此解决方案在计算上比使用 shell 更重, 但结合哈辛三维故障准则, 可以预测平面外载荷引起的分层, 这是叶片弹簧设计的一个关键方面。最后, 通过对鳞片叶弹簧的试验试验, 验证了叶片弹簧设计的分析和数值模型。
关于碰撞试验, 辊笼的位移相对较高, 虽然它并不代表一个令人关切的问题, 主要是由于其前杆的布局。它的非弯曲形状和锐利的放置方式, 没有曲线, 在一个锐利的角度与冲击方向, 负责将大部分的能量, 应该被吸收的底盘到辊笼, 这具有独特的结构目标.因此, 滚笼被推到车辆后部, 导致其与座椅的连接区域压力增加。需要注意的是, 尽管有任何安全特性可以改进, 但单体的变形最小, 而且没有部件穿透/穿孔, 其他部件都清楚地表明, 车辆的设计是考虑的安全的关于它的耐撞性。
因此, 整个车辆的结构设计被认为在材料使用方面进行了优化, 协议中显示的广泛计算对于设计单壳式和为量身定做的叶片弹簧至关重要。光, 并提供增强的机械性能。此外, 通过数值碰撞试验模拟, 车辆结构证明, 考虑到汽车在最佳能量效率上的平均速度, 它能够成功地承受由全正面撞击推断的动量。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者要感谢翁达·索拉体育协会 (www.ondasolare.com) 的所有成员的重要支持, 并感谢巡洋舰的审美设计师马科·卢科维奇。这项研究活动是在欧洲联盟和当代-罗马涅地区在 por-fesr 2014-2020 轴 1, 研究与创新的财政支持下开展的。
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
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