Summary
In dieser Arbeit im Zusammenhang mit verschiedene Aspekte der strukturellen Design-Prozess ein voll-Carbon-faserverstärkte Kunststoff solar Fahrzeug sind detailliert, mit Schwerpunkt auf das Monocoque-Chassis, die Blattfedern und testen Sie das Fahrzeug als Ganzes bei einem Absturz.
Abstract
Kreuzer sind Multi-Insassen solar Fahrzeuge, die konzipiert sind, konkurrieren in Langstrecken (über 3.000 km) solar Rennen basierend auf den besten Kompromiss zwischen den Energieverbrauch und die Nutzlast. Sie müssen das Rennen Regeln bezüglich Abmessungen, Solarpanel-Größe, Funktionalität und Sicherheit und strukturelle Anforderungen, während die Form, die Materialien, den Antriebsstrang und die Mechanik gelten nach dem Ermessen des Designers. In diesem Werk sind die wichtigsten Aspekte des strukturellen Design-Prozesses eines Vollcarbon faserverstärkten Kunststoff solar Fahrzeugs aufgeführt. Insbesondere sind die Protokolle für das Design der Laminierung Sequenz das Chassis, die Blattfedern Strukturanalyse und Crash Test numerischen Simulation des Fahrzeugs, einschließlich der Sicherheitskäfig beschrieben. Die Komplexität der Design-Methodik von faserverstärkten composite-Strukturen wird durch die Möglichkeit der Anpassung ihrer mechanischen Eigenschaften und optimieren das Gesamtgewicht des Fahrzeugs kompensiert.
Introduction
Ein Solarauto ist ein solar-angetriebene Fahrzeug für den Landverkehr. Das erste Solarauto wurde 1955 vorgestellt: es war eine winzige 15-Zoll-Modell, bestehend aus 12 Selen-Photovoltaik-Zellen und einem kleinen Elektromotor1. Seit diesem erfolgreichen Demonstration wurden große Anstrengungen unternommen weltweit, die Machbarkeit der solar-nachhaltige Mobilität zu beweisen.
Das Design eines solar Fahrzeug2 ist um den Betrag der Energieeintrag in das Auto, die unter normalen Bedingungen ziemlich begrenzt ist, stark eingeschränkt. Einige Prototypen wurden für den öffentlichen Gebrauch konzipiert, obwohl keine Autos, die in erster Linie von der Sonne angetrieben im Handel erhältlich sind. In der Tat scheinen solar-Autos weit von einer gemeinsamen Nutzung im Alltag ihre aktuellen Grenzen, insbesondere im Hinblick auf Kosten, Reichweite und Funktionalität gegeben. Zur gleichen Zeit, sie vertreten einen gültige Prüfstand für die Entwicklung neuer Methoden, auf den Ebenen der Konstruktion und Fertigung, Kombination in der Regel verwendet in fortschrittlichen Branchen wie Luft-und Raumfahrt, alternative Energie, Technologie und Automotive. Darüber hinaus wurden die meisten solar-Autos zum Zwecke der solar-Auto-Rennen, blasoniert Veranstaltungen auf der ganzen Welt, deren Teilnehmer sind vor allem Universitäten und Forschungszentren, die der Suche optimale Lösungen für jedes technische Problem Prahlerei werden gebaut. Insbesondere haben die Organisatoren der wichtigsten Wettbewerbe (z. B.der World Solar Challenge) eine Strategie der Entwicklung der Rasse Verordnungen angenommen, die darauf abzielen, diese extreme Fahrzeuge so nah wie möglich an den traditionellen bringen Transportmittel. Insbesondere nach vielen Jahren in denen die Fahrzeuge wurden Einsitzer und entwickelt die Route als schnell wie möglich, emergent Kategorie Kreuzer Fahrzeuge Reisen wurde vor kurzem eingeführt und entwickelt für den effizienten Transport von mehr Passagiere.
Für diese Fahrzeuge sind die technischen Voraussetzungen noch strenger geworden. In der Tat nicht nur haben sie die maximale Energie-Effizienz zu garantieren, sondern sie müssen auch komplexere technische Bedingungen für unterschiedliche Funktionen erfüllen. Zum Beispiel macht die Möglichkeit für den Transport einer größeren Zahl von Insassen es schwieriger, die Sicherheit und Fahrbarkeit garantieren. Das Bestreben ist komplizierter wegen der allgemeinen Gewichtszunahme und die Notwendigkeit, einen viel größeren Akku einsetzen, während Innenräume reduziert werden müssen, macht die Positionierung der Mechanik schwierig gemacht.
Eine neue Design-Philosophie muss angegangen werden, einschließlich eine andere Sichtweise der verwendeten Materialien und Fertigung. Erstens Materialien müssen ausgewählt werden, basierend auf dem höchsten Stärke-zugewicht Verhältnis und als direkte Folge, Carbon-verstärkte Faser-Kunststoff stellen eine optimale Lösung. Darüber hinaus müssen spezifische Strategeme im Design umgesetzt werden.
In diesem Artikel werden die Verfahren eingesetzt, um einige der wichtigsten Bauteile des solar Fahrzeugs, z. B. das Monocoque-Chassis, die Aufhängung und sogar eine rechnerische Crashtest design dargestellt. Der endgültige Umfang ist ein solar-Fahrzeug mit dem geringst möglichen Gewicht im Abtausch mit Aerodynamik und Rennen Regeln schnell zu erhalten.
Natürlich ist die Suche nach dem optimalen Material in Bezug auf das Verhältnis zwischen Widerstand und Gewicht von der Technologie beschäftigt, die Autoklaven-Spritzgießen von CFK Prepregs ist eingeschränkt. Die gewählten Methoden soll der schnellen Bestimmung der optimalen Materialauswahl im Hinblick auf Ply Typologie innerhalb eines begrenzten Möglichkeiten und Lay-up. In der Tat gestalten mit Verbundwerkstoffen bedeutet die gleichzeitige Wahl der geometrischen Eigenschaften die Abschnitte, die bestimmten Materials und der geeigneten Technologie (, dass im vorliegenden Fall präsentiert hier, war bestimmt ein priori, wie es oft geschieht).
Mehrere renommierte Langstrecken Leistung Wettbewerbe für solar Elektrofahrzeuge haben stattgefunden in den letzten Jahrzehnten weltweit mit Top-Rang Universitäten und Forschungszentren, wer die wichtigsten Akteure der Förderung für die Entwicklung der Mobilität sind Technologie. Allerdings ist die Wettbewerbsfähigkeit, die in diesem Forschungsfeld im Bündnis mit geistigem Eigentum Grenzen läuft ein ernst limitierender Faktor für die Verbreitung des Wissens über die Angelegenheit. Denn deshalb die Literaturübersicht auf solar-Auto Design entfallen einige (und manchmal veraltet) Referenzen, selbst wenn ganze Forschungen basieren auf dieser Umfrage3, warum werden die Realisierung von Arbeiten wie dem vorliegenden gefördert.
Unabhängig von welcher Aspekt der Fahrzeug-Design verbessert wird, ein gemeinsames Ziel immer richtet sich an: die Verwirklichung von mehr Energieeffizienz. Produktive Veränderungen im Design nicht basieren immer auf modernste Technologien, wie sie bloß, auf die Mechanik beruhen können wie senken den Schwerpunkt des Fahrzeugs um seine Stabilität zu erhöhen (das ist besonders wichtig für Wettbewerbe in Wüste Regionen4 durch Seitenwind Böen5) oder Verringerung des Gewichts des Fahrzeugs Teile6-von denen 10 % der gesamten Gewichtsreduktion in Elektrofahrzeugen bis zu 13,7 % im Bereich der Energieeinsparung7entnehmen kann. Gründliche Energie-Management-Strategien werden auch häufig in Rennveranstaltungen verwendet gewährleisten die bestmögliche Leistung, wo spannende Höchstgeschwindigkeiten von 130 km/h und einzelne Entgelte, die für mehr als 800 km lang im Cruiser-Klasse Autos8erhalten Sie.
Die Studie des Fahrzeugs Aerodynamik5,9,10 ist wichtig, wenig Widerstand von Luft und Glätte während der Fahrt sicherzustellen, wo sind die wichtigsten Aspekte zu steuernden eine Reduzierung der CW-Wert lassen Sie das Auto bewegen, während die Ausgaben weniger Energie und den Auftriebsbeiwert, der negative zu garantieren, dass das Auto auf den Boden, selbst bei höheren Geschwindigkeiten sicher und stabil befestigt ist aufbewahrt werden müssen.
Ein weiterer wichtiger Parameter zu bemessen ist die Federung, die in der Regel in normalen Fahrzeugen mit dem alleinigen Zweck der Bereitstellung von Komfort, Stabilität und Sicherheit angewendet wird, aber auch in solar-Autos muss es Licht. Diesen wichtige Aspekt hat seit 199911 in Studien mit Fiberglas Blattfedern und in jüngerer Zeit mit Kohlefaser-12 erforscht, die als Querlenker Links13darstellen, hat nachweislich nicht nur Gewicht Reduzierung, sondern auch eine verbesserte Sicherheitsfaktor. Obwohl Doppelquerlenker-Suspensionen in solar-Autos14zweifellos öfter verwendet werden, hält die aktuelle Studie eine transversale Blattfeder gebaut mit Kohlefaser, dafür eine einfachere und leichtere Federungssystem mit reduzierten ungefederten.
Für die Herstellung des Gehäuses erwies sich der Bau eine Monocoque-Konstruktion aus Kohlefaser gewähren einen erheblichen Performance-Vorteil, als ein unverzichtbares Design-Einschränkung für die prominentesten bestehenden4,8 ,-15 -solar-Auto-Teams. Die Verwendung von Kohlefaser ist entscheidend für die Ausführung des Fahrzeugs berechnet, so dass die Teams, Fahrzeuge zu bauen, wo jeder von den strukturellen Komponenten (oder verschiedene Teile von die gleiche Struktur wie das Chassis) eine optimale Menge an Fasern in geschichtet hat Ausrichtungen. Dafür in diesem Werk, das Material, das durch Eigenschaften bewertet wurden standardisiert experimentelle Tests, wie die drei-Punkt-Biegeversuch und die interlaminare Schertest Stärke (ILSS).
Um Formstabilität während der Kur-Zyklus zu gewährleisten, erfolgt die Konstruktion in der Regel mit Vakuum Bagging und Autoklaven Guß4 auf Kohlefaser-Formen, die ihrerseits auf präzise gefräste High-Density-Schaum oder Aluminium Muster laminiert sind. Die Mehrheit der Teile besteht aus Sandwich-Strukturen (d.h.mit Fasern auf der Haut und extrem leichte Kernmaterialien, die dazu dienen, die Biegefestigkeit der Composite mit extrem niedrigem Gewicht zuschreiben). Darüber hinaus ist Kohlefaser auch vorteilhaft für höhere Schwingungs Sicherheit gegen Resonanz Phänomene12bietet.
Mit dem Ziel, die Sicherheit der Passagiere in Crash Ereignisse zu zertifizieren, beinhalten Crash-Tests in der Regel zeitaufwändig und unwirtschaftlich, experimentelle und destruktive Tests mit Probe-Fahrzeuge. Ein neuer Trend, der große Popularität gewinnt ist computersimulierte Crash-Test, wo diese Simulationen untersuchen die Sicherheit für die Fahrzeuginsassen während verschiedene Arten von Auswirkungen (z.B.volle frontale, Offset frontal, seitlich Auswirkungen und Roll-over) . Angesichts der Bedeutung der Durchführung einer Crashanalyse auf ein Straßenfahrzeug und die Durchführbarkeit der dabei durch numerische Modellierung, dieser Untersuchung sollen die wichtigsten Bereiche des solar Fahrzeugs in Bezug auf beide maximale Spannung und Verformung, um eine Hypothese der Verbesserung der Struktur zu ermöglichen.
Die numerische Crash-Test auf solar Fahrzeuge hiermit durchgeführt ist beispiellos. In Anbetracht des Mangels an Bibliographie zur Forschung und die spezifischen Regelungen für diesen innovativen solar-Auto-Ansatz nahm eine Anpassung, die die Auswirkungen des Fahrzeugs auf ein starres Hindernis mit der durchschnittlichen Geschwindigkeit hält. Dafür die Geometriemodellierung des Fahrzeugs und die Simulation (einschließlich Netz Verfassung und Simulation Setup) wurden durchgeführt auf verschiedene geeignete Software. Die Verwendung von Carbon-Fasern für die Fahrzeugstruktur ist auch durch seine Crash-Verhalten, das bereits gezeigt worden ist, höher als die von anderen Materialien, wie Glas Faserverbundwerkstoffe auf Crash-Tests von Elektrofahrzeugen16gerechtfertigt.
Protocol
Hinweis: Der Design-Prozess von einem solar-Fahrzeug ist eine sehr komplexe Aufgabe, an denen fachübergreifende Aspekte, so ist es nicht möglich, sie alle hier zu decken. Um den Leser zu führen, ist der logische Prozess, in dem die beschriebenen Protokolle eingebettet sind, in Abbildung 1dargestellt.
Abbildung 1: Flussdiagramm Design. Die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Teilen des Design-Prozesses werden dargestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
1. Einlegen der wichtigsten Chassis-Bauweise
- Bestimmen Sie die Lastverteilung im Worst-Case-Szenario.
- Das Design vertikale Beschleunigung, die wichtigsten Design-Last zu erhalten multiplizieren Sie die Passagiere und Batterie Pack Massenverteilungen.
- Prüfen Sie die Position der Sitze und die verschiedenen möglichen Einbauorte.
- Berechnen Sie die Reaktionen auf die Blattfeder-Gelenke. Das Fahrzeug gilt als eine einfach unterstützte Strahl.
- Bestimmen Sie die Diagramme der verbiegenden Moment und Scherung.
- Finden Sie die maximale zulässige Schubspannung auf das Kernmaterial. Seinen Wert kann in der Kern-Datenblatt lesen oder durch Experiment auf geeignete Exemplare gefunden. In diesem Fall kann der Delamination Stress von den Kern-lagen bestimmt werden.
- Berechnen Sie die Sandwich-Kern-Dicke, basierend auf der scher Widerstand17,18 (wo
ist die Breite über die Kraft die Schere 
anliegt und 
ist die Kerndicke).
- Finden Sie die Zug- und Druckspannungen Kraft von den verfügbaren CFK lagen. In den Lagen technischen Datenblättern finden Sie ihren Wert.
- Die Biegefestigkeit des Sandwich Composites19experimentell zu bestimmen.
- Die ILSS für die möglichen Kombinationen von Materialien20,21experimentell zu bestimmen.
- Berücksichtigen Sie die verschiedenen Abschnitte des Fahrzeugs, dessen Form in einen Trade-off zwischen aerodynamischen Anforderungen und funktionalen Bedürfnisse ausgelegt ist.
Hinweis: Es gibt drei kritische Abschnitte in das Chassis – derjenige mit der höchsten Biegemoment und die beiden Enden, wo der Bereich drastisch wegen des Vorhandenseins der Radaufhängung Systeme. Darüber hinaus muss die Schere in diesen zwei reduzierten Abschnitten von der Blattfeder am Chassis übertragen werden. - Machen Sie in den drei Abschnitten betrachtet und in den verschiedenen Teilen der Abschnitte, unter Berücksichtigung, dass die technologischen mindestens17 mindestens 10 % der Fasern in jede Richtung (0 ° [d. h.längs], ist eine Annahme über die Lay-up 90 ° [d.h., transversale] und ± 45 ° [d.h., Diagonale]), die wichtigste Last im spezifischen Teil des Abschnitts, handeln, dass die Anzahl der Lagen ist Integer und die Dicke auf ein Minimum reduziert werden muss.
- Berechnen Sie die maximalen Zug- und Druckspannungen Spannungen nach dem Sandwich-Theorie17,18 und vergleichen Sie sie mit den zulässigen (wo ist die Breite über die Zeit
anliegt und und 
sind die Dicke des Kerns und der lagen, beziehungsweise).
- Ändern Sie die Lay-up, wenn notwendig, und gehen Sie zurück zu Schritt 1,9.
- Ein finite-Elemente-Schalenmodell in der Software Abaqus und wenden Sie die Auswirkungen-Äquivalent Lasten vorgeschriebenen Regelungen22.
- Erstellen Sie das Chassis in ein CAD-Modellierer.
- Das Chassis in der FEM-Software als eine Schale oder fester Bestandteil durch Anklicken Import importieren | Teil. Wenn es als Volumenkörper importiert wird, verwenden Sie das Werkzeug Geometrie bearbeiten , um es in eine Schale Teil zu verwandeln.
- Definieren Sie die Eigenschaften von einer einzigen CFK-Schicht als elastisches Material mit Lamina oder Engineering konstanten; Wählen Sie die elastischen Moduli und Poisson Verhältnisse des Materials. Beachten Sie, dass technische konstanten Parameter erforderlich sind, wenn die Out-of-Plane-Verhalten der Schale analysiert wird. Wählen Sie Hashin Schaden Kriterium ein Versagenskriterium für zusammengesetzte lagig26umzusetzen.
- Erstellen Sie einen Zusammengesetzten Layups Schnitt durch Stapeln Reihenfolge des Laminats definieren. Weisen Sie einzelnen Faserlagen seine Ausrichtung und Stärke in tabellarischer Form.
Hinweis: Die Post-Aushärtung Dicke muss berücksichtigt werden, denn die CFK lagen. - Weisen Sie die Verteilung der diskreten Elemente des Teils durch Mesh Seed. Nutzen Sie die Partition Face Tool und Bias Samen, erhöhen Sie die Anzahl der Elemente an den kritischen Stellen. Wählen Sie die Quad-dominierten Elementform und der Shell -Elementtyp. Klicken Sie auf reduzierte Integration , wenn die Sanduhr Effekte im Modell zu vernachlässigen sind; Verwenden Sie andernfalls nonreduced Integration.
- Erstellen Sie eine Instanz des Chassis im Modul Assembly . Dies ist einerseits auf die Lasten und Randbedingungen angewendet werden soll.
- Definieren Sie das Analyseverfahren in der Step -Modul als statisch. Wählen Sie die Einstellungen des Solvers. Wählen Sie Nlgeom: auf , nicht-lineare membranal Verhalten zu aktivieren.
- Wenden Sie Lasten, die Äquivalent zu den durch die Verordnungen vorgeschrieben, da Körper Kraft auf das Chassis Lasten. Wenden Sie konzentrierten Kräfte an die Batterien und Insassen Positionen um ihre konzentrierte Gewichte berücksichtigen.
- Gelten Sie die BCs auf der Instanz. Betrachten das Chassis als unterstützte Einrichtung gehandelt durch die externe Lasten mit angehefteten BC auf der schränkt "Standorten.
- Definieren Sie die Ausgänge im Bereich Ausgabeaufträge Modul. Wählen Sie Domain: Composite Layup die Ausgänge am Standort der einzelnen Faserlagen im Laminat zu extrahieren.
- Erstellen Sie einen Job , und führen Sie die Analyse.
- Überprüfen Sie die Übereinstimmung der Ergebnisse mit den Vorschriften Anforderungen22. Für den Fall, dass sie nicht erfüllt sind, zurück zu Schritte 1.9 und 1.12.4 und die Laminierung-Reihenfolge zu ändern.
- Produzieren Sie eine Ply-Book übersetzen den Abschnitt für Abschnitt Ansatz der Tragwerksplaner zu einem Ply-durch-lagig Ansatz durch den Hersteller erforderlich.
- Änderungen Sie spezielle in den Abschnitten, wo bestimmte funktionale Anforderungen zu einer Verringerung der Dicke Sandwich führen.
- Fertigen Sie das Chassis in einem Autoklaven.
- Erzeugen Sie High-density Foam Muster von Präzisionsfräsen.
- Garantieren Sie eine glatte Oberfläche mit feinen Körnung Schleifpapier.
- Schichten der Sealer auftragen und Trennmittel auf dem Schaum der Lösbarkeit der Kohlefaser-Formen zu versichern.
- Herstellung der Formen durch den Zusammenbau vorimprägnierten Niedertemperatur-Katalyse Kohlefaser Schichten und Versiegelung jeder Teil mit Vakuum Tasche Kompression für eine weitere Autoklav-Heilung.
- Polieren Sie die Oberfläche der hergestellten Formen und Versiegelung anwenden und Trennmittel.
- Die Fahrgestellteile über die Form entsprechend das Ply-Book Laminat und legt sie Vakuumbeutel Kompression und ein Autoklav-Heilung.
ist die Breite über die Kraft die Schere 
anliegt und 
ist die Kerndicke).
anliegt und 
sind die Dicke des Kerns und der lagen, beziehungsweise).
(2) Blattfeder Design
Abbildung 2: Laden Diagramme der Blattfeder. Diese Abbildung zeigt die Entschlossenheit der Scherung und verbiegenden Moment Handeln an der Blattfeder. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
- Die Lastverteilung entlang der Blattfeder zu bestimmen (siehe die Biege- und scher Diagramm in Abbildung 2).
- Die maximale Belastung an den Rädern des Fahrzeugs im Worst-Case-Szenario zu bewerten (siehe Schritt 1.1).
- Die Reaktionen Kräfte zu berechnen (Maximallast
) enden, wenn man bedenkt die Querlenker an der Blattfeder nutzt. - Trag- und Ladestellen der Blattfeder anhand seiner Verankerungspunkte am Fahrzeugrahmen und die Federung zu definieren.
- Bestimmen Sie die Diagramme der Biegung und Scherung, Modellierung der Blattfeder als eine Vierpunkt-Biegebalken mit gleich maximale Belastung an den Enden (Worst-Case-Szenario) angewendet.
- Die maximale Verschiebung zu bewerten
die Blattfeder entsprechend zulässigen Raum herum der Fahrzeugrahmen und Aufhängungsgeometrie endet. - Wählen Sie das Material mit der höheren spezifischen Belastung Energie-Speicherung Fähigkeit,
.
Hier,
ist die zulässige Spannung, 
ist der Elastizitätsmodul und 
ist die Dichte.- Als Biegung ist die dominierende Last der Blattfeder (die Scherbelastung ist ein oder zwei Größenordnungen niedriger), halten die Dauerfestigkeit des Materials als .
- Für zusammengesetzte orthotrope Materialien, betrachten die Müdigkeit, die Biegefestigkeit der FRP entlang der Hauptrichtung (Faserrichtung) als .
- Als Biegung ist die dominierende Last der Blattfeder (die Scherbelastung ist ein oder zwei Größenordnungen niedriger), halten die Dauerfestigkeit des Materials als
- Konzeptionell entwerfen Sie die Blattfeder Form und Lay-up, um ihre spezifische Energie speichern Funktion zu maximieren.
Hinweis: Die Blattfeder sollte Querschnitt modelliert werden, dass die maximal zulässige Spannungszustand entlang der Blattfeder tritt.- Konzentrieren Sie sich nur auf das Biegemoment Diagramm der Abbildung 2. Die Scherbelastung ist ein oder zwei Größenordnungen niedriger. Auf dieser Grundlage die Blattfeder in zwei Arten von Sektoren unterteilen: zwischen den beiden Halterungen (
) und zwischen den stützen und die Blattfeder enden (
). - Entlang , halten Sie die Biegebelastung konstant und maximal; daher auch halten Sie den Querschnitt, die konstant.
- Entlang , erhöhen die Biegebelastung linear von der Lastpunkt Anwendung zur Unterstützung; daher die Querschnittshöhe
sollte die folgende Gleichung um den Stress zu halten genügen 
konstant auf der äußeren Oberfläche der Blattfeder entlang seiner Länge.
Hier,
ist der Abstand zwischen dem Punkt der Anwendung der Maximallast 
und 
ist die Breite des Querschnitts. Die Formel zeigt, dass entlang der erstrecken, die Blattfeder Querschnittshöhe 
sollte mit einem parabolischen Profil verjüngt werden. Jedoch Prozess Praxis Gründen approximieren Sie die Blattfeder Höhenprofil mit linear.
Hinweis: Halten Sie konstante Faser Unterbrechung während der Laminier-Verfahren zu vermeiden, die die Stärke der zusammengesetzten Lamellen reduzieren wird. - Verwenden Sie biegen höher als die Scherbelastung, da eine Sandwich-Konstruktion mit einem linear konische Kern von 0-90 Stoff FRP zu Scherbelastungen widerstehen und verleihen der Torsionssteifigkeit der Blattfeder und äußeren Schichten von unidirektionalen FRP orientiert mit der Blattfeder Hauptachse der Biegebelastung einander gegenüberstellen. Die äußeren Schichten haben eine konstante Dicke geometrische Diskontinuitäten in der höher beanspruchten Zone zu vermeiden.
- Konzentrieren Sie sich nur auf das Biegemoment Diagramm der Abbildung 2. Die Scherbelastung ist ein oder zwei Größenordnungen niedriger. Auf dieser Grundlage die Blattfeder in zwei Arten von Sektoren unterteilen: zwischen den beiden Halterungen (
- Erhalten die Zug-, Druck-, Biege-, und Scherfestigkeit der ausgewählten GFK Materialien. Ihr Wert finden Sie in den technischen Datenblättern oder durch einen Test auf der Grundlage ASTM Standards (bevorzugt).
- Optimieren Sie die geometrischen Abmessungen der Blattfeder durch ein analytisches Modell.
Hinweis: Die Zielfunktion ist, die Masse zu minimieren und den auferlegten Zwängen entspricht; Daher erhalten eine maximale Last mit einer Ablenkung gleich und halten die Belastungen niedriger als das Material zulässig.- Beschränken Sie die Bedingung auf die maximale Durchbiegung für eine angegebene max. Last .
Hier,
ist ein kleiner Wert für Konvergenz Gründen eingefügt. Die Blattfeder ist im Prinzip ein Sandwich mit einem konischen Kern in der Region. Berechnung der Durchbiegung 
an der Lade , mittels Castigliano Methode.
Hier,
und 
sind die Biege Steifigkeit der Blattfeder entlang und , beziehungsweise.
Hier,
und 
sind der Elastizitätsmodul des Kerns und die äußeren Schichten bzw.
ist die äußere Schichtdicke und
ist die Kerndicke.
- Beschränken Sie die Bedingung auf die maximale Biegespannung:
(maximale UD Ermüdung Biegespannung). Bewerten 
durch die Euler-Bernoulli-Theorie.
- Die Bedingung auf maximale Kern und Randschicht Schubspannungen zu beschränken:
(maximale Kern Müdigkeit Schubspannung) 
(maximale Kern Müdigkeit Schubspannung). Bewerten 
und 
durch die Euler-Bernoulli-Theorie-24.
- Verwenden Sie die Blattfeder Masse als Zielfunktion um zu minimieren.
Hinweis: Die geometrischen Parameter variiert werden können sind:
, , und . Wenn durch die Gestaltung der Verankerungspunkte am Rahmen erlaubt und kann auch als Variablen, wenn die folgende Beschränkung eingehalten wird:
- Lösen Sie das Problem iterativ oder mittels Optimierungsalgorithmen, die gefunden werden können in verschiedene numerische EDV-Software-Programme integriert.
- Beschränken Sie die Bedingung auf die maximale Durchbiegung
- Führen Sie eine FE-Simulation optimierte Blattfeder in Ansys Composite Pre/Post (AKP). Ziel ist es, die Spannungskonzentration zu bewerten und die Out-of-Plane lädt.
- Zeichnen Sie, als eine Oberfläche, die CAD-Geometrie von nur einem Viertel der Blattfeder mit der Oberfläche in Korrespondenz mit den Support für Point- and -Lay-up Variationen unterteilt.
- Erstellen Sie ein neues Simulationsprojekt in ANSYS Workbench. Wählen Sie ACP (Pre) (im Menü " Toolbox ") indem Sie sie in den Arbeitsbereich ziehen.
- Definieren Sie Materialeigenschaften durch Anklicken von Engineering-Daten. Wählen Sie Datenquellen aus Engineering und importieren aus Verbundwerkstoffen Ordner Carbon UD und gewebte Prepregs Standard Materialeigenschaften, indem Sie darauf doppelklicken. Aktualisieren der Materialkonstanten in drei Hauptrichtungen mit denen auf Materialdatenblatt oder aus experimentellen Ergebnissen erhalten.
- Importieren Sie die Geometrie, während den Link mit der rechten Maustaste auf Geometrie und dann auf Import-Geometriemit CAD zu halten. In der nativen CAD-Format zu importieren.
- Doppelklicken Sie auf Modell. Weisen Sie eine beliebige Oberfläche Dicke. Definieren Sie die verschiedenen Layup Zonen mithilfe der Funktion Namens Auswahl (mit der rechten Maustaste auf Modell und dann auf Einfügen). Generieren Sie das Standard-Netz mit der rechten Maustaste auf Mesh und dann auf Generate mesh.
- Öffnen Sie in der Workbench ACP-Pre durch Doppelklick auf Setup.
- Definieren Sie die lagen Eigenschaften Materialdaten im Ordner. Wählen Sie Erstellen Stoff mit der rechten Maustaste auf den Stoffen; dann definieren Sie das Material und ordnen Sie das Prepreg Dicke. Wählen Sie Erstellen Sub-Laminate mit der rechten Maustaste auf Sub-Laminate und definieren Sie die Reihenfolge, Sub-Laminat stapelnde.
- Definieren Sie das lokale Koordinatensystem Element Rosetten im Ordner nach Hauptrichtung des Laminierungsprozesses (principal Blattfeder-Achse).
- Den lokalen Koordinaten der FEM Elemente im Ordner " Orientierte Auswahlsatz Menü" durch die Definition für jedes Element setzt (zuvor im Schritt 2.7.5 definiert) zu orientieren, einen willkürlichen Ursprung Punkt und die Rosetten in Schritt gesetzt 2.7.8.
- Definieren Sie die Layup, basierend auf den Ergebnissen in den Optimierungsprozess der Schritt 2.7. Modellierung von Gruppen mit der rechten Maustaste und wählen Sie Erstellen Ply. Definieren Sie das Orientierte Auswahl gesetzt, die Ply Materialund die Anzahl der Schichten. Wiederholen Sie dies für jede Wiederholungsgruppe lagen.
Hinweis: Führen Sie die gleichen Stapelreihenfolge der Laminier-Verfahren. - Ziehen Sie in der Workbench strukturelle statische Analyse (im Menü " Toolbox ") auf den Arbeitsbereich. Dann ziehen Sie ACP (Pre) \Setup auf statische Structural\Model und wählen Sie solid Composite-Daten zu übertragen. Doppelklicken Sie auf statischen Structural\Setup.
- Wenden Sie die Symmetrie und beschränken Sie Randbedingung zu. Mit der rechten Maustaste auf Statische strukturelle und wählen Sie Insert\Displacement. Wählen Sie die Kante oder Fläche der Geometrie und der Hubraum auf 0 für die entsprechende Komponente Richtung gesetzt.
- Wenden Sie die Kraft nach dem gleichen Verfahren Schritt 2.7.12..
- Lösen Sie das FEM-Modell als linear elastisch, klicken Sie auf lösen.
- Die maximale Verschiebung zu bewerten
) der Blattfeder durch Rechtsklicken auf Lösung und Insert\Deformation\Directionalauswählen. Wenn es niedrig ist, kommen Sie zurück zu Schritt 2.7.10 und erhöhen Sie die Anzahl der Außenlagen UD; Wenn es höher ist, reduzieren. - Ziehen Sie in der Workbench, ACP (Post) (im Werkzeugkasten) auf die ACP (Pre) \Mode. Ziehen Sie Static\Structural Lösung auf ACP (Post) \Results. Doppelklicken Sie auf AKP-Staaten (Post) \Results.
- Mit der rechten Maustaste auf den Ordner Definition "und wählen Sie als Versagenskriterien Hashin 3D.
- Mit der rechten Maustaste auf den Ordner Lösungen "und wählen Sie Erstellen Scheitern. Wählen Sie Hashin und zeigen auf Feststoffezu überprüfen.
- Überprüfen Sie, ob die Versagenskriterien immer unterhalb einer sind. Wenn sie nicht sind, gehen Sie zurück zu Schritt 2.7.7 und erhöhen Sie die Anzahl der lagen in der Zone als kritisch, sie Bedarf orientieren.
- Schreiben Sie das Ply-Buch.
- Testen Sie eine skalierte Modell der gestalteten Blattfeder.
- Design, durch das Berechnungsmodell von Schritt 2/7, 1/5 bis 1/10-skaliert Blattfeder, optimieren der äußeren Schichten und Kerndicke, das gleiche Verhältnis zwischen Biege- und scher stress von der realen Bauteil und eine ähnliche Krümmung für die maximale Belastung.
- Die skalierte Blattfeder-Laminat.
- Testen Sie es mit einer gewöhnlichen Vierpunkt-Biege Prüfadapter.
- Die Maximallast und Vertreibung und der Ausfallmodus zu analysieren.
- Das Design der Blattfeder auf der Grundlage der Schlussfolgerungen des experimentellen Tests zu optimieren.
- Fertigen Sie die optimierte Blattfeder.
) enden, wenn man bedenkt die Querlenker an der Blattfeder nutzt.
die Blattfeder entsprechend zulässigen Raum herum der Fahrzeugrahmen und Aufhängungsgeometrie endet.
.
ist die zulässige Spannung, 
ist der Elastizitätsmodul und 
ist die Dichte.
) und zwischen den stützen und die Blattfeder enden (
).
sollte die folgende Gleichung um den Stress zu halten genügen 
konstant auf der äußeren Oberfläche der Blattfeder entlang seiner Länge.
ist der Abstand zwischen dem Punkt der Anwendung der Maximallast 
und 
ist die Breite des Querschnitts. Die Formel zeigt, dass entlang der 
sollte mit einem parabolischen Profil verjüngt werden. Jedoch Prozess Praxis Gründen approximieren Sie die Blattfeder Höhenprofil mit linear.
ist ein kleiner Wert für Konvergenz Gründen eingefügt. Die Blattfeder ist im Prinzip ein Sandwich mit einem konischen Kern in der 
an der Lade 
und 
sind die Biege Steifigkeit der Blattfeder entlang 
und 
sind der Elastizitätsmodul des Kerns und die äußeren Schichten bzw.
ist die Kerndicke.
(maximale UD Ermüdung Biegespannung). Bewerten 
durch die Euler-Bernoulli-Theorie.
(maximale Kern Müdigkeit Schubspannung) 
(maximale Kern Müdigkeit Schubspannung). Bewerten 
und 
durch die Euler-Bernoulli-Theorie-24.
, 
) der Blattfeder durch Rechtsklicken auf Lösung und Insert\Deformation\Directionalauswählen. Wenn es niedrig ist, kommen Sie zurück zu Schritt 2.7.10 und erhöhen Sie die Anzahl der Außenlagen UD; Wenn es höher ist, reduzieren.(3) voll-frontale Crash-Test-Simulation
Abbildung 3: Cruiser Geometrie. Diese Abbildung zeigt die allgemeine Form und die Abmessungen des Fahrzeugs. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
- Zeichnen Sie die Geometrie des Fahrzeugs (Abbildung 3).
- Erstellen und benennen eines neuen Projekts in der CAD-Modellierung Software .
- Modellteile solide mit den Ressourcen Extrudieren, kontaktieren Sie Drehen, Mehrfrequenzdarstellungund Loft , volle Gewährleistung zwischen verschiedenen Fahrzeugteilen (z.B. Fahrwerk, Sitze und Überrollkäfig). Wenn nötig, klicken Sie auf die Registerkarte Oberfläche, Referenzgeometrieund Plane eine Referenzebene zu zeichnen.
- 3.1.2 Schritt wiederholen, bis die Geometrie ist komplett mit Monocoque, Türen, roll Cage, Sitze, Batterie, Räder, Reifen, Radnaben, Querlenker, Blattfeder, Lenkung, und starren feste Barriere (2 x 2 m).
- Nutzen Sie die bilaterale Symmetrie um Berechnungen zu optimieren und eine halb-Auto-Modell verwenden. Klicken Sie unter der Registerkarte " Zubehör " auf Symmetrie überprüfen und wählen Sie den Befehl Automatische Symmetrie teilen . Klicken Sie auf das Körperteil, das bleiben und bestätigen Sie durch Klicken auf Split Teil.
- Wandeln Sie die Volumenkörper in Flächen: Wählen Sie die Flächen, die im Zusammenhang mit der Dicke der Organe und klicken Sie auf die Registerkarte " Oberflächen " und dann auf Löschen Gesicht.
- Klicken Sie auf Speichern unter und wählen Sie das Format STP .
- Einrichten und durchführen der Simulations.
- Erstellen Sie und benennen Sie ein Neues Projekt in der ANSYS Workbench Finite-Elemente-Simulation-Software.
- Ziehen Sie aus der Toolbox - Analysesysteme , Projekt schematische eine Explizite dynamische Fenster. Doppelklicken Sie in der Engineering-Daten und fügen Sie neuer Materialien, ihre notwendigen Eigenschaften aus der Toolbox ziehen und Einfügen der Werte, die in Abschnitt 1 dieses Protokolls, jedes Material entsprechend benennen hinzu.
- Mit der rechten Maustaste auf Geometrie ImportGeometrie. Klicken Sie auf Durchsuchen und wählen Sie die STP-Datei in Schritt 3.1.6 erzeugt.
- Doppelklicken Sie auf Modell unter Explizite Dynamik der Modellumgebung öffnen.
- Einmal innerhalb der Modell -Umgebung, mit der rechten Maustaste auf Geometrie Punkt Masse für 3-d-Elemente oder in Layer Abschnitt für 2-D-Elemente, konzentrierte Massen oder der zusammengesetzten Layup bzw. definieren einfügen. Für jede Komponente unter Geometriesollte das richtige Material und die Dicke der Oberflächen unter Detail-Materialienzugewiesen werden.
- Mit der rechten Maustaste auf Modell Symmetrie - Symmetrie Regioneinfügen. Die YZ-Symmetrie-Ebene definiert korrekte geometrische Symmetrie in Bezug auf die zukünftigen Ergebnisse geben richtige Randbedingungen.
- Um Verbindungenkorrekt eingerichtet, löschen Sie alle automatischen Verbindungen und lassen Sie nur Körper Interaktionen als reibungsfrei definiert.
- Unter den Details der Mesh Explizite Methode (Abbildung 4), fallen die Elemente Mittelknoten und richten Sie die Funktion Dimensionierung , Krümmung mit mittlerer relevante Zentrum. Richten Sie die maximale Elementgröße bis 30 mm mit einem Minimum von 6 mm.
- Legen Sie die Anzahl der CPUs für Parallelverarbeitung unter der Registerkarte " erweitert " des Abschnitts Mesh .
- Legen Sie die Geschwindigkeit als einer Anfangsbedingung unter dem Baum Anfangsbedingungen der Registerkarte Explizite Dynamik .
- Festgelegten Randbedingungen die Einschränkung mit der rechten Maustaste auf die Registerkarte " Explizite Dynamik ", wählen Sie Einfügenund Kommissionierung Festlager , die starre Barriere zu definieren und Feste Verschiebung zu verhindern, dass das Rad bewegt sich auf der z-Achse.
- Unter Einstellungen, Kontrollen in Bezug auf die Endzeit eingerichtet (0,3 s) und Maximale Anzahl von Zyklen (bis 2,5 x 105), die notwendigen Eingaben, Geschwindigkeit und die kinetische Energie (ungleich Null) zu erhalten.
- Unter Lösungmit der rechten Maustaste auf Lösungsinformationen einzufügende Kinetic-Total - Binnenmarkt für Energie um diese Ergebnisse zu verfolgen. Auf der anderen Seite unter Lösungsinformationenkönnen Lösung Ausgabe in Bezug auf Energie-Zusammenfassung, Zeitinkrementund Energieeinsparungverfolgt werden.
- Klicken Sie auf lösen und analysieren Sie die Ergebnisse Ergebnisse in Bezug auf insgesamt Verformung, Spannung, Dehnung, Total, innere und kinetische Energie und Beschleunigung.
Abbildung 4: Netz der finiten Elemente angewendet, das Hälfte-Fahrzeugmodell. Diese Abbildung zeigt die Diskretisierung des Modells, auf die Hälfte des Fahrzeugs aufgrund der Symmetrie der getan. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Representative Results
Das Hauptchassis-Lay-up: Das Endergebnis des Protokolls ist die Laminierung Sequenz, auch genannt das Ply-Buch. Während die Lastverteilungen und die Diagramme der Moment und Scherkraft Biegekraft durch einfache Festkörpermechanik Überlegungen bestimmt werden können, ist ein wesentlicher Punkt des Protokolls jedoch die Bewertung der tatsächlichen Materialeigenschaften. In der Tat, auch wenn viele der Mengen durch den Tragwerksplaner in Materialdatenblatt gefunden werden können, können die Fertigungsphase und das Zusammenspiel mit anderen Materialien das mechanische Verhalten der verwendeten Rohstoffe ändern. In diesem Abschnitt werden der Versuchsaufbau für die drei-Punkt-Biegung und die ILSS Tests angezeigt (siehe Abbildung 5). Aus diesen Tests ist es möglich, die Biegefestigkeit der Sandwich-Lamellen zu bewerten und eine untere Grenze für die Scherfestigkeit des Nomex Kern zu finden; repräsentative Stress-Weg-Kurven sind in Abbildung 6 dargestellt für zwei verschiedene Ausrichtungen von einem gewebten Laminat. Darüber hinaus wird die ILSS kritisch zu bestimmen, die Beständigkeit gegen Delamination in den Ecken des Chassis, das Sandwich ein Laminat.
Abbildung 5: mechanische Prüfungen. Diese Platten zeigen mechanischen Prüfungen von (A) die drei-Punkt-Biegung und (B) die ILSS. Die Probenform und die Belastungsbedingungen werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: typisches Ergebnis der drei-Punkt-Biegeversuche. Diese Tafeln zeigen typische Ergebnisse einer drei-Punkt-Biegeversuch für (A) [0/90]n lagen und (B) [± 45]n lagen. Belastungen aus der Belastung berechnet werden durch die Wägezelle gemessen und die Verschiebung wird durch den Wandler, eingebettet in die Prüfmaschine gemessen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
In Abbildung 7sind die Laminierung-Sequenzen definiert Sektor für Sektor über die Chassis-Form dargestellt. Die detaillierte Spezifikation der Laminierung Sequenzen ist in Tabelle 1aufgeführt. Die Tabelle gliedert sich in die drei Phasen des Autoklaven Aushärtung, die fertig sind in der Reihenfolge, ausgehend von der äußersten Lamina dann Nomex-Kern und die Klebstoffe und schließlich der innere Lamina.
Abbildung 7: Ergebnis des Entwurfsprozesses. Jedem Bereich zeichnet sich durch einen unterschiedlichen Lay-up. Die Zahlen und die Farben die verschiedenen Regionen, in denen gliedert sich die Chassis-Struktur, definieren, siehe Tabelle 1. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Phase 1 | ||||
| p = 6 Bar; t = 2 h; T = 135 ° C | ||||
| SEQ. | Sektor | Winkel | n ° | Material |
| P 1.1 | Globale | + 45 ° | 1 | Satin T800 |
| P 1.2 (Reinf) | 1 | 0 ° c | 1 | UNI M46J |
| 2 | 90° | 1 | UNI M46J | |
| 3 | + 45 ° | 1 | UNI M46J | |
| 1 b | 0 ° c | 1 | UNI M46J | |
| P 1.3 (Reinf) | D | 0 ° c | 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 ° c | 2 | UNI M46J |
| A, D, C | 90° | 1 | UNI M46J | |
| A, D | 90° | 2 | UNI M46J | |
| P 1,5 (Reinf) | D | 0 ° c | 1 | Satin T800 |
| D | 90° | 3 | UNI M46J | |
| D | 0 ° c | 1 | Satin T800 | |
| D | 0 ° c | 3 | UNI M46J | |
| P 1,6 | Globale | 0 ° c | 1 | Satin T800 |
| Phase 2 | ||||
| p = 1,5 Bar; t = 2 h; T = 1110 ° C | ||||
| P 2.1 | Globale | / | 1 | Klebefolie |
| P 2.2 | 1, 2, 3 | / | 1 | Nomex 14 mm. 32Kg/m ^ 2 |
| P 2.3 | 1 b, D, 0 | / | 1 | Nomex 9 mm. 32Kg/m ^ 2 |
| P 2.4 | Globale | / | 1 | Klebefolie |
| Phase 3 | ||||
| p = 6 Bar; t = 2 h; T = 135 ° C | ||||
| P 3.1 | Globale | 0 ° c | 1 | Satin T800 |
| P 3.2 (Reinf) | D | 0 ° c | 3 | UNI M46J |
| D | 0 ° c | 1 | Satin T800 | |
| D | 90° | 3 | UNI M46J | |
| D | 0 ° c | 1 | Satin T800 | |
| P 3.3 (Reinf) | A, D | 90° | 2 | UNI M46J |
| A, D, C | 90° | 1 | UNI M46J | |
| B | 0 ° c | 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 ° c | 2 | UNI M46J | |
| P 3,5 | 1 b | 0 ° c | UNI M46J | |
| 3 | -45 ° | 1 | UNI M46J | |
| 2 | 90° | 1 | UNI M46J | |
| 1 | 0 ° c | 1 | UNI M46J | |
| P 3,6 | Globale | + 45 ° | 1 | Satin T800 |
Tabelle 1: Laminierung Sequenz des Fahrgestells. Diese Tabelle zeigt die Spezifikation des Lay-up für die verschiedenen Bereiche des Chassis, in Abbildung 7definiert. Es gliedert sich in drei verschiedenen Laminierung-Phasen, die fertig sind in der Reihenfolge.
Nach der Struktur des Chassis bestimmt wird, eine Titan-Überrollkäfig ist nach dem Rennen Regeln20eingetragen und bestimmte numerische Tests ausgeführt, um den Widerstand des Fahrzeugs als Ganzes und, meist, das Fehlen des Eindringens der Elementoptionen zu überprüfen Teile für die Insassen. In Abbildung 8die Richtungen der Auswirkungen-Äquivalent statische Belastungen werden angezeigt, und in Abbildung 9 die entsprechende Verschiebung Karten ausgewertet werden können. In dieser Phase ist nur eine schematische Geometrie für die Berechnung verwendet, während die komplette Geometrie für die endgültige Überprüfung der Crash-Test verwendet wird.
Abbildung 8: Crash-Äquivalent statische Belastung Richtungen. Gemäss Reglement wird die Fahrzeugstruktur durch eine statische Kraft gleich 6 g Zeiten der Gesamtmasse in den Richtungen, die im Bild gezeigte geladen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9: Karte der berechneten Verschiebungen. Diese Abbildung zeigt ein Beispiel für die Verschiebungen in den Fällen gemäß Abbildung 8berechnet. Die Verschiebung muss kleiner als 25 mm in jeder Region in der Nähe der Insassen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Blattfeder: Das Ergebnis des Protokolls ist die Optimierung einer zusammengesetzten quer Blattfeder mit Anti-Roll-Funktion. Sein Design hat verschiedene Anforderungen erfüllen: eine Belastung unterhalb der Material-zulässige für Maximallast, eine spezifische Steifigkeit und minimalem Gewicht. Um all diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine Optimierung Berechnungsmodell vorgestellt. Dank des Modells ist es möglich, schnell die optimale Geometrie und konzeptionelle Lay-up zu erhalten. Die Genauigkeit des Modells wurden von der Methode der finiten Elemente und einen experimentellen Test auf 1/5-skaliert Blattfeder überprüft. Die skalierte Blattfeder ist Doppel-unterstützt in der Mitte (die 100 mm umfasst) und an den Enden, die Löcher (die 190 mm Spannweite) entspricht mit 1.000 N für jede Seite geladen. Die optimierte Geometrie und Ply-Book der Blattfeder sind in Abbildung 10 und Tabelle 2, berichtet.
Abbildung 10: optimierte Probe der Blattfeder Geometrie. Diese Abbildung zeigt die Geometrie der skalierten Blattfeder, die getestet wird, um Bruch um das numerische Modell zu überprüfen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Heilung von Autoklaven | |||||
| p = 6 Bar; t = 2 h; T = 135 ° C | |||||
| SEQ. | Sektor | Winkel | n ° | Dicke | Material |
| mm | |||||
| Endet 10 | Endet 10 | 0 ° c | 1 | 0,23 | TW-T300 200g/m ^ 2 |
| Alle 200 | Alle 200 | 0 ° c | # | 1 | UD T1000 100 g/m ^ 2 |
| Zentralen 125 | Zentralen 125 | 0 ° c | 1 | 0,23 | TW-T300 200g/m ^ 2 |
| Zentralen 175 | Zentralen 175 | 0 ° c | 1 | 0,23 | TW-T300 200g/m ^ 2 |
| Alle 200 | Alle 200 | 0 ° c | 1 | 0,23 | TW-T300 200g/m ^ 2 |
| Zentralen 175 | Zentralen 175 | 0 ° c | 1 | 0,23 | TW-T300 200g/m ^ 2 |
| Zentralen 125 | Zentralen 125 | 0 ° c | 1 | 0,23 | TW-T300 200g/m ^ 2 |
| Alle 200 | Alle 200 | 0 ° c | # | 1 | UD T1000 100 g/m ^ 2 |
| Endet 10 | Endet 10 | 0 ° c | 1 | 0,23 | TW-T300 200g/m ^ 2 |
Tabelle 2: Laminierung Sequenz der Blattfeder. Diese Tabelle zeigt die Spezifikation des Lay-up für die verschiedenen Bereiche der Blattfeder.
Nach das Berechnungsmodell sollten die Blattfeder haben eine maximale Verdrängung von 12,2 mm und eine maximale Biegespannung von 970 MPa, konstante zwischen den zwei zentralen stützen zu entwickeln.
Finite-Elemente-Analyse wie unter Schritt 2.7 des Protokolls wurde durchgeführt und die Ergebnisse werden in Abbildung 11dargestellt. Die Spannung in der Hauptrichtung 
auf der äußeren Oberfläche der Blattfeder entlang der Hauptachse ist im Diagramm dargestellt. Es ist fast konstant zwischen den Span und gleich 922 MPa und sinkt dann, linear in Richtung der Last Anwendungspunkt an. Trotz wird weit unter die maximale Kompression Spannung des Materials (1.450 MPa), der 3-d-Hashin Versagenskriterium dargestellt in Abbildung 10 zeigt eine Zone mit einem Ausfall-Index von mehr als 1, die durch Ausfall der Faser (rot hervorgehoben) verursacht und ist eine abrupte Änderung der Geometrie zugeordnet, für die externe UD lagig lagen, verursacht durch Unterbrechung des Kerns. Dabei ist die Verschiebung durch FEM berechnet die Last an entsprechenden Stellen auf 12,8 mm.
Abbildung 11: beugen numerischen Simulation auf die Blattfeder-finite-Elemente-Modell. Diese Abbildung zeigt die Ergebnisse der FEM-Simulation auf der skalierten Blattfeder in Bezug auf die Hashin Ausfall Index und maximale Hauptspannung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Um die Zuverlässigkeit der analytische und numerische Modelle, wie das Verfahren zu überprüfen hat die skalierte Blattfeder experimentell getestet werden. Die Ergebnisse im Diagramm der Abbildung 12zeigt eine maximale Last vor dem Bruch von 1.980 N (990 N für jede Seite), mit einem maximalen Hubraum von 15,1 mm. Daher in Bezug auf die maximale Verschiebung der analytische und numerische Modell unterschätzen es von-19 % und-15 %, beziehungsweise. Interessant ist, der Modus und Schaden Fehlerort beobachtet auf der getesteten Probe (Abbildung 11) stimmen mit den numerischen Modellergebnissen.
Abbildung 12: vier-Punkt-Biegung experimentellen Test auf einem skalierten Modell der Blattfeder. Diese Abbildung zeigt die Testkurve Set-up und Last-Verschiebung für die skalierte Blattfeder. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Crash-Test: Finite-Elemente-Analyse kann realistische Ergebnisse unterstützen Ingenieure verstehen Fahrverhalten unter verschiedenen Absturzszenarien produzieren. Anstelle von realen Bedingungen ausgeführt, ist es Zeit effizienter und kostengünstiger, Autounfälle mit einer kommerziellen Software wie ANSYS zu simulieren. Die vorliegenden Ergebnisse sind ein Beispiel dafür, wie diese Simulationen zu der automotive engineering-Community beitragen können.
Der diskretisierten finite-Elemente-Modell des Autos präsentiert eine Reihe von Elementen und Knoten des 79950 und 79822, beziehungsweise. Als einer Anfangsbedingung angenommen es einer Aufprallgeschwindigkeit 60 km/h, wo die kinetische Energie des Fahrzeugs in verringert ca. 0,3 s (Abbildung 13), in Kontakt und innere Energie innerhalb der Auto-Struktur umgewandelt.
Abbildung 13: Absturz Energie Testcharts. Diese Tafeln zeigen den Crash-Test Energie Charts von Bewegungsenergie (A) und (B) innere Energie. Die Charts zeigen typische Energieflüsse bei einem Absturz. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Aus der Beispielkarte Stress im Bild 14Akann der Status des Fahrzeug-Integrität geprüft werden. Dies ist von größter Bedeutung, um mögliche Schäden für die Sicherheit der Passagiere, zu bestimmen, als wäre es im Falle einer potenziell gelösten Überrollbügel Käfig, Ablösung der Sitze oder sogar eine Verschiebung der Lenkstange auf den Fahrer. Die prominentesten Verschiebungen in der Fall, wie in Abbildung 14 b bestehen im Bereich von 95 mm und treten sowohl an der Vorderseite das Auto durch den Schlag und in den Käfig-Überrollbügel, die die Sitze zugeordnet sind.
Abbildung 14: typische Konturen der maximalen Vergleichsspannung und maximale Verschiebung bei einem Frontalcrash-Test Diese Tafeln zeigen (A) das Äquivalent Stress und (B) die Verschiebung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Discussion
Von Tabelle 1kann man feststellen, dass die einzelnen Lamellen nicht symmetrisch, während das ganze Sandwich ist. Dies resultiert aus der Notwendigkeit, die beide am wenigsten Anzahl der lagen, das technologische Minimum und die gewünschten mechanischen Eigenschaften.
Auf der einen Seite der Abschnitt markiert als 1/1 b, 2, 3 in Abbildung 7 ist verantwortlich für die allgemeinen mechanischen Eigenschaften, wird die Ausrichtung der hochfesten Verstärkung unidirektionale lagen der Hauptunterschied zwischen ihnen. Auf der anderen Seite die Abschnitte gekennzeichnet als A, B, C und D geändert, um die konzentrierten Lasten die Tragsysteme und die Passagiere sitzen, wegen des Vorhandenseins der Blattfedern berücksichtigen.
Die finite-Elemente-Modell für die Analyse des composite Chassis verwendet basiert auf einer Shell-Topologie. Schalenelemente sind eine geeignete Option für zusammengesetzte Strukturen zu reproduzieren, da sie neigen, die Biegesteifigkeit des dünnwandigen stellen mit wesentlich einfacher Netze als solid-Elemente zu erfassen. Auf der anderen Seite sollten Rückgriff auf Kontinuum Shell oder solid-Elemente berücksichtigt werden, wenn dicken Sandwich-Konstruktionen oder Regionen mit steilen Spannungsverläufe Modellierung; eine vergleichende Diskussion über Shell und Kontinuum Schalenelementen ist24,25vorgesehen.
Das Hauptziel der statischen Analyse ist sicherzustellen, dass die Steifigkeit und Festigkeit der Struktur den Anforderungen. Steifigkeit Anforderungen werden erzwungen, direkt indem sichergestellt wird, dass die Deformation des Fahrzeugs unter jeden Lastfall innerhalb der Grenzen des Reglements ist (d.h.kein Teil des Fahrzeugs dringt die Bewohner Zimmer). Bewertung der Stärke der Struktur basiert auf Bewertung Hashin der Schaden26 von der Verbundlagen; Hashin Parameter müssen nämlich strikt kleiner als 1 sein. Wie schädlich Modi zu globalen Störung des Verbundes beitragen Laminat, die Verwendung der kumulative Beschädigung Kriterien (z.B., Hashin der) wird empfohlen; maximale Spannung Kriterien könnte für metallische Bauteile geeignet.
Die Literatur hat verschiedene Lösungsvorschläge für die Entwurfsoptimierung leichte zusammengesetzte Blattfedern, aber die meisten von ihnen nur ein einzelnes Rad27,28 (keine gepolsterten Capability) verbinden oder eignen sich nur für den Aufguss Formenbau Technologie (Doppel-konisch)29. Das Design der hier vorgestellten Blattfeder ist eingeschränkte a priori durch das Prepreg Laminieren Prozess, der keine Doppel-konische Design-Lösung erlaubt aber garantiert hohe Festigkeit und Zuverlässigkeit.
Der innovative Aspekt der Blattfeder ist die funktionale Integration der beiden Komponenten in einem (der Frühling und der gepolsterten Bar) und der Hauptvorteil ist der Massenreduktion. Dank der vorgeschlagenen Berechnungsmodell ist es darüber hinaus möglich, weiter reduzieren die Masse und die optimale Geometrie schnell für die eingestellte maximale Last und Verdrängung.
Die lokalen Spannungen und Out-of-Plane diejenigen, die durch das Berechnungsmodell geschätzt werden kann nicht, sind nach der finite-Elemente-Methode ausgewertet und die Blattfeder zusammengesetzte Einzellagen mit Ziegelelementen modelliert werden. Diese Lösung ist rechnerisch schwerer als mit Muscheln sondern ermöglicht in Kombination mit Hashin, 3D Versagenskriterien Delamination Vorhersagen durch Out-of-Plane Lasten verursacht, die ein kritischer der Blattfeder Design Aspekt. Zu guter Letzt wurden die analytische und numerische Modelle für die Gestaltung der Blattfeder durch einen experimentellen Test auf einer skalierten Blattfeder validiert.
Über den Crash-Test die relativ hohe Verschiebung der Überrollkäfig, obwohl es keinen Anlass zur Sorge, darstellt ist vor allem das Layout seiner Frontbügel zugeschrieben. Seine noncurved Form und die akute Art und Weise, in dem es, keine Kurven und auf einen spitzen Winkel mit der Schlagrichtung platziert wird, ist verantwortlich für die Übertragung von die meiste Energie, die vom Chassis, Überrollkäfig, aufgenommen werden sollte, die ein deutlicheres strukturelle Ziel hat . Aus diesem Grund ist der Überrollkäfig im hinteren Teil des Fahrzeugs, verursacht eine erhöhte Belastung auf seiner Anlage-Regionen, die Sitze geschoben. Es ist wichtig zu bemerken, dass trotz Sicherheit Eigenschaften, die möglicherweise verbessert werden könnte, die minimale Verformung das Monocoque und die Tatsache, dass keine Komponenten durchdrungen/andere perforiert deutlich zu machen, die das Design des Fahrzeugs gilt sicher über den Crash.
Deshalb ist das strukturelle Design des Fahrzeugs als Ganzes angesehen, in Bezug auf Materialeinsatz, optimiert wurden, wo die umfangreiche Berechnung zeigte im Protokoll entscheidend für die Gestaltung von einem Monocoque und für die Blattfedern, die zugeschnitten wurden ist, werden Licht und eine verbesserte mechanische Leistung zu präsentieren. Testen Sie darüber hinaus durch eine numerische Crash Simulation, die Fahrzeugstruktur gezeigt, dass es die Dynamik, abgeleitet von einem voll-frontale Auswirkungen unter Berücksichtigung der mittleren Geschwindigkeit des Autos auf seine optimale Energieeffizienz erfolgreich standhalten.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren möchten alle Mitglieder der Onda Solare Sport Association (www.ondasolare.com) bedanken, für ihre Unterstützung und Marko Lukovic, der ästhetischen Designer des Kreuzers war. Diese Forschungsarbeit wurde mit finanzieller Unterstützung der Europäischen Union und der Region Emilia-Romagna im Inneren der POR-FESR 2014-2020, Achse 1, Forschung und Innovation realisiert.
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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