Summary
この作品でいくつかの側面は、モノコック シャーシ、リーフ スプリングに焦点を当て、プラスチック太陽車の詳細し、クラッシュ時に全体として車両をテストにおける炭素繊維の構造設計プロセスに関連。
Abstract
巡洋艦は長距離で競うために考案、複数の乗員太陽車 (3,000 km 以上) エネルギー消費量とペイロードの最良の妥協点に基づいて太陽のレース。彼らはレースの全体の寸法、太陽電池パネルのサイズ、機能、および安全および形状、材料、パワートレイン中の構造要件に関する規則に従う必要があり、メカニック デザイナーの裁量と見なされます。この作品のフル カーボン繊維強化プラスチック太陽車の構造設計プロセスの最も関連性の側面を説明します。特に、シャーシ、リーフ スプリングの構造解析およびセーフティ ・ ケージを含む車両のクラッシュ テスト シミュレーションの積層順序の設計のために使用されるプロトコルを示します。繊維強化複合材料構造の設計の複雑さは、仕立ての力学特性および車の全体の重量を最適化の可能性によって補償されています。
Introduction
太陽車は、陸上輸送に使用される太陽電池式車両です。最初の太陽車は 1955 年に発表された: それは 12 のセレン光電池と小さな電気モーター1成っている小さな 15 インチ モデルだった。その成功のデモ以来大きい努力なされた太陽電池持続可能なモビリティの実現可能性を証明するために世界中。
太陽車2の設計は普通条件がかなり限られている車へのエネルギー入力量によって深刻な制限されます。いくつかのプロトタイプは、主に太陽動力車がない商業公共の使用のため設計されています。実際には、太陽車はコスト、範囲、および機能の面で特に、彼らの現在の制限を与えられる日常生活の中で一般的な使用からはほど遠いようです。同じ時に、レベルの設計と製造、航空宇宙、代替エネルギーなどの先端産業分野で通常使用されている技術を組み合わせることで、新たな方法論の開発のための有効なテスト ベンチを代表していると自動車。さらに、ほとんどの太陽車ソーラーカー レース、病的イベント参加者が、主に大学とそれぞれの技術的な問題に最適なソリューションの研究を自慢している研究センター、世界各地を目的として造られました。特に、(例えば世界の太陽挑戦) の最も重要な競争の主催者のより伝統的なこれらの極端な車をできるだけ近いをもたらすことを目指して競技規則の開発戦略を採用していますトランスポートの手段です。具体的には、多くの年後、車両がシングルシーターと設計されたクルーザー車のできるだけ早くの創発的カテゴリーとしてルートを旅行する最近導入されより多くの乗客の効率的な輸送のために開発。
これらの車の技術的な要件がさらに厳しいとなっています。実際には、だけでなく、最大のエネルギー効率を保証する必要がある、さまざまな機能にリンクされているより複雑な工学条件も遵守しなければなりません。たとえば、居住者の大きい数を輸送の可能性の場合、安全性とドライバビリティの条件を保証する困難になります。努力は、全体的な重量の増加と内部のスペースを削減する必要があります、一方困難の力学の位置決めを作るはるかに大きいバッテリー パックを挿入する必要のためにより複雑に作られています。
材料の使用および生産の異なるビジョンを含む、新しい設計思想に接近しなければなりません。まず、材料は高い強さに重量の比率に基づいて選択する必要があり、炭素強化繊維プラスチックが最適なソリューションを表す直接的な結果として。さらに、デザインに特定の計略が実行されなければなりません。
本稿では、そのモノコック シャーシ、懸濁液、および計算のクラッシュ テストもなど、太陽の車の最も重要な部品のいくつかのデザインに採用されている手順が描かれています。最終的なスコープは、急速に空力特性とレースのルールとトレードオフで、最小限の重量と太陽車を得ることです。
明らかに、抵抗と重量の比率の面で最適材料を検索は、CFRP プリプレグのオートクレーブ成形をされている技術は、採用によって制限されます。選択したメソッドの目的は、有限の可能性の範囲内で層の類型化の観点から、レイアップの面で最適な材料の選択の迅速定量法です。実際には、複合材料で設計は同時選択セクションの幾何学的性質、特定の材料および適切な技術を意味する (がであるケースを紹介ここでは、決められた演繹的頻繁に発生)。
太陽電池の電気車のためのいくつかの有名な長距離パフォーマンス大会開催されている最後の十年では、世界的な上位ランクの大学と研究センターはこのようなモビリティの開発の主な促進剤を含む技術。しかし、知的財産の境界との提携でこの研究分野を実行する競争は、問題に関する知識の普及のために真剣に制限要因です。この理由で、いくつか (そして時々 時代遅れに) 参照のソーラーカー デザイン アカウントに関する文献全体の研究はこれに基づいている場合にもアンケート3である理由など、現在の作品の実現お勧めします。
車両のデザインの改善されて独立して共通の目標をつねにめざし: より多くのエネルギー効率の達成。生産的なデザインに基づいて変更されますない常に最先端の技術、彼らは、単に基づいて (砂漠で開催された大会のため特に重要である安定性を高めるため車両の重心を下げるなどのメカニックとして横風による地域4突風5) 車両パーツ6の重量を減らすことまたは -電気自動車全体の軽量化の 10% が省エネルギー7年 13.7% までを推測できるのです。徹底した経営戦略もよくイベントで使用されるレース最高のパフォーマンスを保証するために、エキサイティングな最高速度 130 km/h、800 km 以上の最後の単一料金で取得できます巡洋艦クラスの車8。
車両の空力5,9,10の研究は、走行中に空気と滑らかさから少し抵抗を確保するために重要な制御される主要な側面がドラッグ係数の低減は少ないエネルギーと車が安全にかつ安定しているより高い速度でも、地面を保証する負保たれなければならない揚力係数を過ごしながら移動する車を許可します。
設計するもう一つの重要なパラメーターは快適性、安定性、および安全性を提供する唯一の目的で通常の車両で一般的に適用される懸濁液システムが太陽車のそれはまたライトをある必要があります。199911ファイバーグラスのリーフ ・ スプリングを含む研究の最近では、炭素繊維12以来この重要な側面が検討されているウィッシュボーン リンク13を構成するを使用する場合は重量だけではなくを提供すると証明削減も強化された安全係数。二重ウィッシュポーンの懸濁液、太陽電池車14でより頻繁に使用されます間違いなく、現在の研究は、それを炭素繊維を構築横断リーフ スプリングはミリメートルフロントブレーキローターバネ減少重量とシンプル、軽量サスペンション システムと見なします。
最も著名な既存の4,8 不可欠な設計制約をされるパフォーマンスの利点を付与するシャーシの製造に関してはカーボンファイバー製モノコック構造の建設を証明しています。 ,15ソーラーカー チーム。炭素繊維の使用量は、車両の実行に不可欠な計算構造コンポーネント (またはシャーシのように、同じ構造体のさまざまな部分) の各 1 つが繊維の層の最適な量を手段を構築するチームを許可します。向き。そのためこの作品でプロパティを評価されている素材は 3 点曲げ試験、層間せん断強度 (ILS) 試験などの実験を標準化しました。
治療サイクル中に寸法安定性を確保するために建設一般に真空包装およびオートクレーブ4 、自分の順番で正確に粉砕の高密度泡、またはアルミニウム パターン積層炭素繊維金型を成形となされます。部品の大半はサンドイッチ構造 (すなわち肌と非常に低体重を運ぶ複合曲げ抵抗性を属性に役立つ非常に軽量芯材に繊維) によって構成されます。また、炭素繊維は、共鳴現象12に対して高い振動安全性のレベルを提供するために有利なもです。
クラッシュ イベントで乗客の安全性を証明することを目指して、クラッシュ テストは通常サンプル車で時間がかかると不経済、実験的、破壊的なテストを含みます。広大な人気を得ている 1 つの最近の傾向はコンピュータ シミュレーションのクラッシュ テストでは、これらのシミュレーションが (例えば、フルラップ、オフセットの正面、側面の影響、およびロール オーバー) の影響の種類の中に車の乗員の安全性を調査.現在の調査は道車数値モデリングを経由しての可能性でクラッシュの分析の重要性を考えると、両方の最大のストレスの面で、太陽の車の最も重要な領域を識別する目指すと変形構造の改善の仮説を可能にするため。
ここ実施太陽車数値クラッシュ テストは前例のないです。邦語文献研究とこの太陽車の革新的なアプローチのための特定の規則を考慮すれば、平均速度で堅い障害車両の影響を考慮した適応としました。そのためは、車両とシミュレーション (含むメッシュ憲法とシミュレーション セットアップ) のジオメトリ モデル別の適切なソフトウェアで行われています。車両の構造用炭素繊維の使用量も、耐衝撃性の動作については、すでに電気自動車16の衝突テストで、ガラス繊維の複合材料などの他の材料よりも高いことが示されているによって正当化されます。
Protocol
注: 太陽車の設計過程は非常に複雑なタスクは、学際的な側面を含むので、それらをすべてここにカバーすることが可能です。読者を導くために記述されていたプロトコルが埋め込まれている論理的なプロセスは図 1に示します。
図 1: 設計フローチャート。デザイン プロセスのさまざまな部分間の相互作用が描かれています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
1. 主なシャシー設計のレイアップ
- 最悪のシナリオで負荷分散を決定します。
- 乗客のと電池パックの質量分布を設計の主要な設計の負荷を取得する垂直加速度を掛けます。
- 席とさまざまな可能なバッテリの場所の位置を検討します。
- リーフ スプリングの接合部の反応を計算します。車両は、単にサポートされている、-梁としてと見なされます。
- 曲げモーメントとせん断の図を確認します。
- 芯材の最大許容せん断応力度を見つけます。その値は、コア技術シートの読み取りまたは適切な標本を実験により発見したできます。この場合、コア層のはく離応力を決定することができます。
- せん断抵抗17,18サンドイッチ コア厚を算出 (、
断力をこれ以上幅は、
が適用されると
コア厚さ)。
- 利用可能な CFRP 層の引張・圧縮強度を見つけます。その値は、plies のテクニカル シートで見つけることが。
- 実験19サンドイッチ複合体の曲げ強さを決定します。
- 実験材料20,21の可能な組み合わせの ILS を決定します。
- 空力の要件と機能のニーズのトレードオフでデザインされた形状を持つ車両のさまざまなセクションを考慮に入れます。
注: シャーシに 3 つの重要なセクションがある-最高の曲げモーメントと地域はホイール サスペンション システムの存在のために激減、2 つの端の 1 つ。さらに、これら 2 つの減らされたセクションでせん断する必要がありますに転送するリーフ スプリングからシャーシ。 - 17技術の最小値である (0 ° [すなわち、縦]、各方向に繊維の少なくとも 10% を考慮、セクションのさまざまな部分と考え 3 つのセクションで、レイアップについて仮定を行います90 ° [すなわち、横]、± 45 ° [すなわち、斜め])、最も重要な荷重」のセクションの特定の部分のプライ数が整数であると厚みを最小限に抑える必要がありますが。
- サンドイッチ理論17,18によると最大引張・圧縮応力を計算し、許容のものにそれらを比較 (、幅を超えている瞬間
が適用されるとと
厚さのあるコア ・ プライズは、それぞれ)。
- 1.9 のステップに戻るし、必要なら、レイアップを変更します。
- ソフトウェア Abaqus でシェルの有限要素モデルを行い、22の規則で定める相当衝撃荷重を適用します。
- CAD モデラでシャーシを作成します。
- シェルまたはソリッド部品として有限要素法ソフトウェアのシャーシをインポートをクリックしてインポート |一部です。固体としてインポートすると、シェル部分に変換するのにジオメトリの編集ツールを使用します。
- 板または工学定数; 型の弾性材料として CFRP の単層のプロパティを定義します。弾性率と材料のポアソン比を選択します。場合は、シェルの面外挙動の分析工学定数パラメーターが必要であるに注意してください。Hashin 損傷基準26複合破壊基準を実装するを選択します。
- 積層物の積層順序を定義することによって複合レイアップのセクションを作成します。向きや表形式で厚さ各層を割り当てます。
注: CFRP 層のため、硬化後の膜厚を考慮されなければなりません。 - メッシュの種子による一部の個別データ要素の分布を割り当てます。パーティション顔ツールとバイアスのシードを使用して、重要な場所にある要素の数を増やします。クワッド支配要素形状とシェル要素タイプを選択します。モデルの砂時計効果は僅かがある; 場合削減統合をクリックします。そうでなければ、ケトの統合を使用します。
- アセンブリモジュールのシャーシのインスタンスを作成します。これは荷重と境界条件を適用するものです。
- ステップモジュールで静的解析の手順を定義します。ソルバーの設定を選択します。Nlgeomを選択: 上非線形 membranal 動作をアクティブにします。
- シャーシの読み込みの体を強制的に規則で定めるものに相当する荷重を適用します。電池のと居住者の位置、集中の重みを考慮する、集中力が適用されます。
- BCsをインスタンスに適用します。ピン留めされた紀元前と、外部荷重によってサポートされているボディとシャーシを考慮、制約 ' の場所。
- フィールドの出力要求モジュールの出力を定義します。選択ドメイン: 複合レイアップ積層物の各層の場所に出力を抽出します。
- ジョブを作成し、解析を実行します。
- 22規制の要件の遵守を結果を確認します。彼らが満たされない場合に手順 1.9 と 1.12.4 に戻るし、積層シーケンスを変更します。
- プライ本の製造元に必要なプライ-プライ アプローチの構造デザイナーのセクションごとのアプローチの翻訳を生成します。
- 特定の機能要件がサンドイッチ厚さの減少につながるセクションに特別な変更を加えます。
- オートクレーブのシャーシを製造してください。
- 精密切削加工、高密度泡パターンを生成します。
- 罰金 granulometry サンドペーパーで滑らかな表面仕上げを保証します。
- シーラーの層を適用し、泡の上の炭素繊維金型の分離を保証するためにエージェントをリリースします。
- 含浸済みの低温触媒炭素繊維を組み立てることによって金型を製造レイヤーと各パーツの真空をシール袋さらにオートクレーブ養生の圧縮。
- 生産金型の表面を磨くとシーラーを適用し、エージェントをリリースします。
- プライ本によるとカビでシャーシの部品を積層、圧縮真空袋・ オートクレーブ養生を提出します。
断力をこれ以上幅は、
が適用されると
コア厚さ)。
が適用されると
厚さのあるコア ・ プライズは、それぞれ)。
2. リーフ スプリングの設計
図 2: リーフ スプリングの図を読み込みします。この図は、リーフ スプリングの剪断と曲げモーメントの測定を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
- リーフ スプリング荷重分布を決定する (図 2の曲げとせん断力図参照)。
- 最悪のシナリオでは、車両の車輪に適用される最大荷重評価 (ステップ 1.1 を参照してください)。
- 反応の力を計算する (最大荷重
) リーフ スプリングで利用して、終了すると、サスペンション アームを考慮しました。 - サポートとその固定点は自動車のシャーシおよび懸濁液のものに基づいてリーフ スプリングのポイントの読み込みを定義します。
- 曲げのダイアグラムを決定、せん断、等しい最大負荷 4 点曲げ梁としてリーフ スプリングをモデリング (最悪のシナリオ) の両端に適用されます。
- 最大変位を評価
リーフ スプリングのサスペンションのジオメトリーと車両のフレーム周りの許容スペースに従って終了します。 - 高い特定のひずみエネルギー保存機能を持つ材料を選択
。
ここでは、
許容応力度は、
は、弾性率と
密度です。- 曲げとは (せん断荷重は 1 つまたは 2 桁低い) リーフ スプリングの支配的な負荷維持として材料の疲労強度。
- 複合の直交異方性材料の検討としてプリンシパル方向 (繊維方向) に沿って FRP 材の曲げ疲労。
- 曲げとは (せん断荷重は 1 つまたは 2 桁低い) リーフ スプリングの支配的な負荷維持として材料の疲労強度
- 概念的にはリーフ ・ スプリング形と機能を格納するその特定のエネルギーを最大限にレイアップをデザインします。
注: リーフ スプリング断面をモデル化する最大許容応力状態がすべてのリーフ スプリングに沿って行われるように。- 図2 曲げ図にのみ焦点を当てます。せん断荷重は、1 つまたは 2 桁低いです。セクターの 2 種類でバネを分割をベースに、: 2 つのサポート間 (
) とサポートと葉ばね端部の間 (
)。 - に沿って、定数とその最大曲げ荷重を維持したがって、また、断面を一定に保ちます。
- に沿って、支援する荷重適用点から直線曲げの負荷が増加したがって、断面高さ
、ストレスを維持する次の方程式を満たす必要があります
すべての長さに沿って、リーフ スプリングの外側の表面に一定。
ここでは、
最大負荷のアプリケーションのポイントからの距離は、
と
断面幅です。数式提案に沿って、スパン、リーフ スプリングの断面高さ
放物線プロファイルでテーパーする必要があります。ただし、プロセス実践上の理由から、おおよその直線的であるとリーフ スプリングの高さプロファイルを実行します。
: 注意繊維複合杉の強度を低減する積層工程中に中断を避けるために定数。 - 曲げはせん断荷重よりも高いために、0 90 布 FRP の直線状テーパ コアとせん断荷重に抵抗し、リーフ スプリング、リーフ スプリングの型一方向 FRP の外側の層にねじり剛性を与えるサンドイッチ構造を使用します。主軸曲げ負荷を比較します。外側の層より高いストレス ゾーンの幾何学的不連続性を避けるために一定の厚さがあります。
- 図2 曲げ図にのみ焦点を当てます。せん断荷重は、1 つまたは 2 桁低いです。セクターの 2 種類でバネを分割をベースに、: 2 つのサポート間 (
- 取得、引張、圧縮、曲げ、選択した FRP 材のせん断強度と。テクニカル データ シートまたは ASTM 規格 (最寄りオプション) に基づく試験による、彼らの価値を見つけることができます。
- 解析モデルによる板バネの幾何学的寸法を最適化します。
注: 目的関数は、課せられた制約に準拠しながら、質量の最小化したがって、最大負荷を維持に等しいたわみをと材料許容のものよりも低い応力を維持します。- 最大たわみの条件を制約指定された最大負荷の。
ここでは、
収束のため挿入小さな値です。概念的には、リーフ スプリングはテーパー コアのサンドイッチ、地域。たわみの計算
ロードで、カスチリアノの定理による。
ここでは、
と
に沿ってバネの曲げ剛性は、と、それぞれ。
ここでは、
と
のコアと外側の層の弾性係数は、それぞれ、
外側の層の厚さと
コアの厚さです。
- 最大曲げ応力の条件を制約:
(曲げ応力最大 UD 疲労)。評価
オイラー ・ ベルヌーイ理論。
- 最大コアと外側の層のせん断応力の条件を制約:
(最大コア疲労せん断応力) 
(最大コア疲労せん断応力)。評価
と
によるオイラー ・ ベルヌーイ理論24。
- 最小化を目的関数として葉ばね質量を使用します。
注: 変えることができる幾何学的パラメーターは、:
、と。フレームに固定ポイントの設計によって許可されている場合と場合、次の制約が尊重されて、変数としても考えられます。
- 反復処理または最適化アルゴリズムを見つけることができるいくつかの数値計算ソフトウェア プログラムに統合による問題を解決します。
- 最大たわみの条件を制約
- 最適化されたリーフ スプリングの FE シミュレーションを実行Ansys 複合プリ/ポスト (ACP).目的は、応力集中を評価し、面外を読み込みます。
- ジオメトリを描画、サーフェイスとして CAD リーフ スプリングの 4 分の 1 だけのサポート ポイントとレイアップのバリエーションと対応で分けられる表面。
- ANSYS Workbenchの新しいシミュレーション プロジェクトを作成します。ワークスペースにドラッグして (ツールメニュー) のACP (Pre)を選択します。
- エンジニア リング データをクリックして、材料特性を定義します。工学データ ソースを選択し、それらをダブルクリックして既定のマテリアル プロパティ、複合フォルダー カーボン UD と不織布プリプレグからインポートします。マテリアル データ シートまたは実験結果から得られたもので 3 つの主方向における材料定数を更新します。
- ジオメトリと、インポート ジオメトリを右クリックして、CAD とのリンクを維持しながらジオメトリをインポートします。CAD のネイティブ形式でインポートします。
- モデルをダブルクリックします。任意の表面膜厚を割り当てます。異なるレイアップ ゾーンを定義するには、名前付き選択機能 (モデルにし挿入右クリック) を使用します。メッシュし、メッシュの生成しを右クリックして既定のメッシュを生成します。
- ワークベンチ、 セットアップをダブルクリックしてACP-Preを開きます。
- マテリアル データメニュー フォルダー プライ プロパティを定義します。生地の上を右クリックして作成するファブリックを選択します。その後、材料を定義し、厚さプリプレグを割り当てます。サブの積層板を右クリックして積層板の作成のサブを選択し、副積層の重なりの順序を定義します。
- ラミネート加工 (プリンシパル バネ軸) の主軸方向によるとロゼットメニュー フォルダーに要素のローカル座標系を定義します。
- 任意起源ポイントと手順で設定ロゼット各要素の設定を (以前 2.7.5 のステップで定義されている) を定義することにより指向選択セットメニュー フォルダー内の有限要素のローカル座標を向き2.7.8。
- 手順 2.7 の最適化プロセスで得られた結果に基づいてレイアップを定義します。モデリング グループを右クリックしてプライ作成します。選択セットを指向、材料の層、および層の数を定義します。プライズの繰り返しグループにそれぞれにそれを繰り返します。
注: ラミネーション プロセスの同じ重ね順に従ってください。 - ワークベンチ、(ツールメニュー) の静的構造解析をワークスペースにドラッグします。静的 structural\ModelのACP (Pre) \Setupをドラッグし、固体複合データ転送を選択します。静的 Structural\Setupをダブルクリックします。
- 対称性を適用し、境界条件を制限します。静的構造を右クリックし、 Insert\Displacementを選択します。エッジまたはジオメトリのサーフェスを選択し、変位を適切なコンポーネント方向 0 に設定します。
- 2.7.12 のステップの同じ手順に従う力を適用します。
- 線形弾性として FEM モデルを解決するには、[解決] をクリックします。
- 最大変位を評価
) のソリューションを右クリックしてInsert\Deformation\Directionalを選択するリーフ スプリング。それが低い場合 2.7.10 のステップに戻ってくるし、外側の UD 層の数を増やす率が高い場合は、それを減らします。 - ワークベンチ、ドラッグ (ツールボックス) でACP (ポスト) 、 ACP (Pre) \Mode.その後、 ACP (Post) \ResultsのStatic\Structuralソリューションをドラッグします。ACP (Post) \Resultsをダブルクリックします。
- 定義メニューのフォルダーを右クリックし、 Hashin 3 Dの破壊基準として選択します。
- ソリューションメニューのフォルダーを右クリックし、作成に失敗を選択します。Hashinを選択し、ソリッドの表示を確認します。
- かどうかエラー条件は、常に以下のいずれかを確認します。ない場合 2.7.7 の手順に戻って、必要に応じてそれらを方向づける重要な識別されたゾーンのプライ数を増やします。
- プライの本を書きます。
- 設計されたバネのスケール モデルをテストします。
- 手順 2.7 に、1 の解析モデルによる設計/5-1/10 縮小バネ、外側の層とコアの厚さは曲げとせん断と同じ比率をチューニングする実際のコンポーネントと最大負荷のような曲率のストレスします。
- スケーリングの板バネを積層します。
- 普通の 4 点曲げテスト フィクスチャを使用してテストします。
- 最大荷重と変位と損傷モードを分析します。
- 実験の結論に基づいてリーフ スプリングの設計を最適化します。
- 最適化されたリーフ スプリングを製造してください。
) リーフ スプリングで利用して、終了すると、サスペンション アームを考慮しました。
リーフ スプリングのサスペンションのジオメトリーと車両のフレーム周りの許容スペースに従って終了します。
。
許容応力度は、
は、弾性率と
密度です。
) とサポートと葉ばね端部の間 (
)。
、ストレスを維持する次の方程式を満たす必要があります
すべての長さに沿って、リーフ スプリングの外側の表面に一定。
最大負荷のアプリケーションのポイントからの距離は、
と
断面幅です。数式提案に沿って、
放物線プロファイルでテーパーする必要があります。ただし、プロセス実践上の理由から、おおよその直線的であるとリーフ スプリングの高さプロファイルを実行します。
収束のため挿入小さな値です。概念的には、リーフ スプリングはテーパー コアのサンドイッチ、
ロードで
と
に沿ってバネの曲げ剛性は、
と
のコアと外側の層の弾性係数は、それぞれ、
コアの厚さです。
(曲げ応力最大 UD 疲労)。評価
オイラー ・ ベルヌーイ理論。
(最大コア疲労せん断応力) 
(最大コア疲労せん断応力)。評価
と
によるオイラー ・ ベルヌーイ理論24。
、
) のソリューションを右クリックしてInsert\Deformation\Directionalを選択するリーフ スプリング。それが低い場合 2.7.10 のステップに戻ってくるし、外側の UD 層の数を増やす率が高い場合は、それを減らします。3. フル前頭クラッシュ テスト シミュレーション
図 3: 巡洋艦ジオメトリです。この図は、一般的な形状、車両の寸法を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
- 車両 (図 3) のジオメトリを描画します。
- 作成し、CAD モデリング ソフトウェアで新しいパーツプロジェクトに名前を付けます。
- モデルのソリッド部品が押し出しのリソースを使用して、完全ように旋回掃引、およびロフト(シャーシ、シート、ロールケージなど) 別の車両部品間の接触します。必要に応じて、タブの表面、参照ジオメトリ、および平面参照平面を描画するをクリックします。
- ジオメトリがモノコック、ドアと完了するまで手順 3.1.2、ケージ、シート、バッテリー、ホイール、タイヤ、ホイールハブ、サスペンション アーム、リーフ ・ スプリング、ステアリング システム、および堅い防壁 (2 × 2 m) のロールします。
- 計算を最適化し、半両を使用する左右対称性を利用します。[ユーティリティ] タブの下で対称性をチェックをクリックし、自動対称分割コマンドを選択します。次に、保たれ、分割部分をクリックして確認する体の一部をクリックします。
- ソリッド ボディをサーフェスに変換: 体の厚さに関連する面を選択し、[サーフェス] タブし、削除の顔に。
- 名前を付けて保存] をクリックし、 STPフォーマットを選択します。
- 設定し、シミュレーションを実行します。
- 作成し、ANSYS Workbench 有限要素シミュレーション ソフトウェアで新しいプロジェクトに名前を付けます。
- 明示的な動的ウィンドウにプロジェクト概略のツールボックス - 分析システムからドラッグします。エンジニア リングデータをダブルクリックし、新しい材料、ツールボックスのツリーから必要なプロパティをドラッグして、各材料をそれに応じて命名このプロトコルのセクション 1 で取得した値を挿入するを追加します。
- インポートジオメトリジオメトリを右クリックします。参照をクリックし、手順 3.1.6 で生成された STP ファイルを選択します。
- モデルで明示的な動的モデル環境を開きますをダブルクリックします。
- 一度モデル環境内ジオメトリ3次元要素または集中質量または複合レイアップをそれぞれ定義する、2 D 要素のレイヤー セクションのポイント質量を挿入する右クリックします。ジオメトリの下で各コンポーネントの適切な材料および表面の厚さを材料の詳細の下で割り当てる必要があります。
- 対称性 - 対称性の領域を挿入するモデルを右クリックします。YZ の対称平面は、適切な境界条件を与えて将来の結果の面で正しい幾何学的な対称を定義します。
- 接続を正しく設定するには、自動接続をすべて削除してのみ体相互作用で摩擦として定義されています。
- メッシュ明示的なメソッド(図 4) の詳細については、[要素 midside ノードをドロップし、サイジング機能中に曲率の設定関連センター 。最小 6 mm と 30 mm 最大要素サイズを設定します。
- 並列メッシュセクションの詳細設定タブの下処理のためのCpu の数を設定します。
- 明示的なダイナミクス」タブの初期条件ツリーの下で初期条件として速度を設定します。
- 明示的なダイナミクス] タブを右クリックし、挿入を選択してピッキング堅い障壁を定義する固定サポートやそれを防ぐ固定変位によって制約の境界条件を設定ホイールz 軸上を移動します。
- [解析設定終了時刻に関してコントロールを設定 (0.3 秒) とサイクルの最大数(2.5 x 105)、速度、および (ゼロに等しい) の運動エネルギーを得るに必要な入力。
- ソリューションでは、これらの結果を追跡する-合計 - 内部エネルギーを挿入するソリューション情報を右クリックします。一方、ソリューション情報の下でエネルギー概要、時間単位、および省エネの観点からソリューションの出力を追跡できます。
- 解決をクリックし、合計変形、応力・ひずみ、合計、内部、運動エネルギー、および加速の面で結果を分析します。
図 4: 半車両モデルに適用される有限要素メッシュします。この図は、対称性による車両の半分のモデルの分離を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Representative Results
メインシャシーのレイアップ:プロトコルの最終的な結果は、プライの本とも呼ばれる、積層シーケンスです。しかし、曲げモーメントとせん断力図と荷重分布は単純な固体力学の考慮事項によって決定されるかもしれない、プロトコルの重要なポイントは実際の材料特性の評価。実際には、さまざまな構造のデザイナーによって必要な量は、マテリアル データ シートで見つけることができます、場合でも製造段階および他の材料との相互作用に原料の力学的応答を変更できます。このセクション (図 5参照) 3 点曲げ試験および ILS テストのための実験の設定が表示されます。これらのテストからサンドイッチ杉の曲げ強度を評価するノーメックス コアのせん断耐力の下限値を検索することが可能です。代表的な応力変位曲線は図 6に示す織物の 2 つの異なる方向の積層。さらに、ILS は、サンドイッチがラミネートをなるシャーシの端にはく離への抵抗を決定するため重要です。
図 5: 機械的テストします。これらのパネルは、3 点曲げ試験および ILS (B) (A) の機械的試験法を表示します。試験片の形状や荷重条件のとおりです。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 三点曲げ試験の典型的な結果。これらのパネルは、[0/90]n層し、外側の層を (B) [± 45]n (A) 三点曲げ試験の典型的な結果を示します。ロードセル負荷から計算した応力を測定し、変位は試験機に埋め込まれたトランスデューサーによる測定します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7シャーシ型にセクターを定義された積層シーケンスが表示されます。積層シーケンスの詳細な仕様は表 1に示します。テーブルは、最も外側の薄層、ノーメックス芯と接着剤と最後に内側ラミナから始まるシーケンスで行われるオートクレーブ硬化プロセスの 3 つのフェーズに分かれています。
図 7: デザイン プロセスの結果です。すべての領域は、異なるレイアップが特徴です。数字と色のシャーシ構造は分けられる別の領域を定義、参照してください表 1.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| フェーズ 1 | ||||
| p = 6 のバー。t = 2 h;T = 135 ° C | ||||
| Seq。 | セクター | 角度 | n ° | 材料 |
| 1.1 P | グローバル | +45 ° | 1 | サテン T800 |
| 1.2 P (reinf) | 1 | 0 ° | 1 | ユニ M46J |
| 2 | 90 ° | 1 | ユニ M46J | |
| 3 | +45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| 1b | 0 ° | 1 | ユニ M46J | |
| 1.3 P (reinf) | D | 0 ° | 2 | ユニ M46J |
| C | -45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| C | +45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| A、B、C、D | -45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| A、B、C、D | +45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| 1.4 P (reinf) | B | 0 ° | 2 | ユニ M46J |
| 、D、C | 90 ° | 1 | ユニ M46J | |
| A、D | 90 ° | 2 | ユニ M46J | |
| P 1.5 (reinf) | D | 0 ° | 1 | サテン T800 |
| D | 90 ° | 3 | ユニ M46J | |
| D | 0 ° | 1 | サテン T800 | |
| D | 0 ° | 3 | ユニ M46J | |
| P 1.6 | グローバル | 0 ° | 1 | サテン T800 |
| フェーズ 2 | ||||
| p = 1, 5 バーt = 2 h;T = 1110 ° C | ||||
| 2.1 P | グローバル | / | 1 | 接着フィルム |
| P 2.2 | 1, 2, 3 | / | 1 | ノーメックス 14 mm 32 Kg/m ^2 |
| P 2.3 | 1 b、D、0 | / | 1 | ノーメックス 9 mm 32 Kg/m ^2 |
| P 2.4 | グローバル | / | 1 | 接着フィルム |
| フェーズ 3 | ||||
| p = 6 のバー。t = 2 h;T = 135 ° C | ||||
| P 3.1 | グローバル | 0 ° | 1 | サテン T800 |
| P 3.2 (reinf) | D | 0 ° | 3 | ユニ M46J |
| D | 0 ° | 1 | サテン T800 | |
| D | 90 ° | 3 | ユニ M46J | |
| D | 0 ° | 1 | サテン T800 | |
| 3.3 P (reinf) | A、D | 90 ° | 2 | ユニ M46J |
| 、D、C | 90 ° | 1 | ユニ M46J | |
| B | 0 ° | 2 | ユニ M46J | |
| P 3.4 (reinf) | A、B、C、D | +45 ° | 1 | ユニ M46J |
| A、B、C、D | -45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| C | +45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| C | -45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| D | 0 ° | 2 | ユニ M46J | |
| P 3.5 | 1b | 0 ° | ユニ M46J | |
| 3 | -45 ° | 1 | ユニ M46J | |
| 2 | 90 ° | 1 | ユニ M46J | |
| 1 | 0 ° | 1 | ユニ M46J | |
| 3.6 P | グローバル | +45 ° | 1 | サテン T800 |
表 1: シャーシの積層シーケンス。このテーブルは、図 7で定義されている、シャーシのさまざまな分野にレイアップの仕様を示しています。それは、順序で行われている 3 つの異なるラミネート フェーズに分かれています。
シャーシの構造が決定されると、レースのルール20によるとチタンのロールケージが追加され、全体として車両の抵抗と、ほとんどの場合、非構造部材の侵入の不在を確認する特定の数値テストの実行居住者の方の部分。図 8で、影響と同等の静的荷重の方向が表示されます、図 9対応する変位にマップが評価されます。このフェーズでスケマティックのジオメトリだけはクラッシュ テストの最終的な検証の完全なジオメトリは使用されますが計算に使用されます。
図 8: クラッシュ等価静的荷重方向。規制によると車両の構造は、図に示す方向に回総質量 6 g と同等の静的な力によって読み込まれます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9: 計算変位の地図。この図は、図 8に定義されて場合で計算した変位の例を示しています。変位は、乗員の近さの地域 25 mm より小さくなければなりません。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
リーフ スプリング:プロトコルの結果は、アンチロール機能を備えた複合横断リーフ ・ スプリングの最適化です。そのデザインは異なる特定の要件を満たすために: 最小重量比剛性、最大負荷材料許容の 1 つ以下の応力。これらすべての要件を満たすために最適化分析モデルが表示されます。モデルのおかげで、最適なジオメトリおよび概念的なレイアップを急速に得ることが可能です。モデルの精度は、有限要素法と 1/5 スケールのバネの実験によって検証されています。スケーリングされたリーフ スプリング (100 mm にまたがる) センターでダブル サポートれ 1,000 N 各側面のための (190 mm にまたがる) 穴に対応する両端に読み込まれます。最適化されたジオメトリとリーフ スプリングのプライ本はそれぞれ表 2、図 10で報告しました。
図 10: リーフ スプリング形状の最適化されたサンプル。この図は、スケーリングされたリーフ スプリング破壊数値モデルを検証するためにテストのジオメトリを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| オートクレーブ養生 | |||||
| p = 6 のバー。t = 2 h;T = 135 ° C | |||||
| Seq。 | セクター | 角度 | n ° | 厚さ | 材料 |
| mm | |||||
| 10 を終了します。 | 10 を終了します。 | 0 ° | 1 | 0.23 | TW T300 200 g/m ^2 |
| すべて 200 | すべて 200 | 0 ° | # | 1 | UD T1000 100 g/m ^2 |
| 中央 125 | 中央 125 | 0 ° | 1 | 0.23 | TW T300 200 g/m ^2 |
| 中央 175 | 中央 175 | 0 ° | 1 | 0.23 | TW T300 200 g/m ^2 |
| すべて 200 | すべて 200 | 0 ° | 1 | 0.23 | TW T300 200 g/m ^2 |
| 中央 175 | 中央 175 | 0 ° | 1 | 0.23 | TW T300 200 g/m ^2 |
| 中央 125 | 中央 125 | 0 ° | 1 | 0.23 | TW T300 200 g/m ^2 |
| すべて 200 | すべて 200 | 0 ° | # | 1 | UD T1000 100 g/m ^2 |
| 10 を終了します。 | 10 を終了します。 | 0 ° | 1 | 0.23 | TW T300 200 g/m ^2 |
表 2: リーフ スプリングの積層シーケンス。次の表は、リーフ スプリングのさまざまな分野にレイアップの仕様を示します。
解析モデルによるとリーフ スプリング 12.2 mm の最大の変位、最大曲げ応力 970 MPa、2 つの中央サポート間定数を開発します。
プロトコルの手順 2.7 に記載の有限要素解析を行い、結果は図 11に.主軸方向の応力
主軸リーフ スプリングの外側の表面にグラフにプロットされます。それがほぼ一定期間の間、922 MPa と、荷重適用点に向かって直線状になり。にもかかわらず素材 (1,450 MPa) の最大圧縮引張りをはるかに下回るが、3-D Hashin 破壊基準にプロットされ、図10 ゾーン (赤色で強調表示) 繊維の破壊によって引き起こされる、1 を超える破壊がおこる指標外部の UD のジオメトリの急激な変化に関連付けられているによる層層コアの中断です。すべての中, 変位荷重適用点における有限要素法による計算は、12.8 mm です。
図 11: リーフ スプリング有限要素モデルの数値シミュレーションを曲げします。この図は、Hashin 破壊がおこる指標と最大主応力の面でスケールのリーフ スプリングの有限要素法によるシミュレーションの結果を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
プロシージャによって提案されるように、解析解と数値モデルの信頼性を検証するためにスケーリングされたリーフ スプリングがテスト実験します。図 12のグラフで報告された結果は、15.1 mm 最大排気量 1,980 N (各側面のため 990 N) の破損前に最大負荷を示しています。したがって、最大変位の面で解析解と数値モデル過小評価すること-19%、-15%、それぞれ。興味深いことに、テスト標本 (図 11) で観察された故障モードと損傷箇所は数値モデルの結果に同意します。
図 12: 四点曲げ板ばねの縮小模型実験。この図は、縮尺のリーフ スプリングのテスト セットアップと荷重-変位曲線を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
クラッシュ テスト:有限要素解析は、別のクラッシュのシナリオの下で車両の挙動を理解する上でサポート エンジニアに現実的な結果を生成できます。現実の条件を実行する代わりより時間効率が良く、ANSYS などの商用ソフトウェアを使用して車のクラッシュをシミュレートするために費用対効果です。本研究の結果は、どのようにこれらのシミュレーションは、自動車エンジニア リング コミュニティに貢献できるの例です。
車の離散化有限要素モデルで、要素数の 79950 と 79822、ノードをそれぞれ発表。初期条件として採用衝撃速度 60 km/h、車両の運動エネルギーが減少した約 0.3 s (図 13)、連絡先、車の構造内の内部エネルギーに変換されます。
図 13: クラッシュ テスト エネルギーチャート。これらのパネルは、クラッシュ テスト (A) 運動エネルギーと (B) 内部エネルギー エネルギー グラフを表示します。チャートは、クラッシュ イベント中に典型的なエネルギー流束を描きます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
ストレス マップのサンプル図 14 aにから車両の整合性のステータスを評価できます。これは、乗客の安全に可能な害を決定する最重要の潜在的ゆるみロールバー ケージ、シートの剥離やドライバーに向かってステアリング バーの変位も場合ででしょう。14B の図の例では最も著名な変位は 95 mm の範囲内で構成されている、両方、衝撃のため、座席にアタッチされているロールバーのケージで、車の前部を発生します。
図 14: 最大等価応力と前面衝突試験時最大変位量の典型的な輪郭これらのパネルは、変位 (A) 等価応力と (B) を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Discussion
表 1から単一の杉、対称ができず、全体のサンドイッチがお知らせすることが可能です。これは両方最低を持っていることの必要性のため、所望の機械的特性、技術の最低層の数。
1 つの側面のセクション設定 1/1 b、2、図 7の 3、高強度補強筋の単方向層の向きに主な違いをされている、全体的な機械的性質を担います。反対側で、セクションは A、B、C、および D はリーフ スプリングの存在のための乗客の座席の懸濁液システムの集中荷重を考慮する変更済みとしてをマークしました。
複合シャーシの解析に使用する有限要素モデルは、シェルのトポロジに基づいています。シェル要素は、固体要素よりも大幅に簡単メッシュ薄壁体の曲げ剛性をキャプチャする傾向がある複合構造を再現するための適切なオプションです。一方、連続体シェルまたはソリッド要素に頼ること考慮すべき厚いサンドイッチ構造や急激な応力勾配; 地域をモデル化するときシェルとの連続性のシェル要素の比較検討は、24,25を提供しています。
静的解析の主な目的は、構造体の耐力・剛性が要件を満たすことを確認しています。各荷重ケースの下で車両の変形が規制の範囲内であることを確認して直接剛性要件が適用されます (すなわち車両のいかなる部分に浸透し居住者の部屋)。構造体の強度評価は Hashin のダメージ26複合層; の評価に基づいてください。すなわち、Hashin のパラメーターには 1 よりも小さい必要があります。複合材料の世界的な失敗に貢献するさまざまな有害なモード、ラミネート、累積損傷基準の使用 (例えばHashin の) はお勧め。最大応力基準は、金属部品に適した可能性があります。
文献は軽量のコンポジット リーフ スプリングの設計最適化について様々 な提案が、それらのほとんどだけ単一の車輪27,28 (antiroll 機能なし) を接続または注入金型に適しているだけ技術 (二重円すい)29。紹介するリーフ ・ スプリングの設計制約あるアプリオリプリプレグ積層二重テーパー設計ソリューションを許可しませんが、素材は高強度と信頼性を保証するプロセスによって。
リーフ スプリングの革新的な側面 (ばねおよび antiroll のバー) のいずれかで 2 つのコンポーネントの機能の統合は、主な利点は質量の削減。また、提案の分析モデルのおかげで、さらに質量を低減し、セットの最大荷重と変位の高速最適なジオメトリを取得可能です。
有限要素法による応力・ひずみ・面外解析モデルによる評価すること、ものが評価され、リーフ スプリングの複合単一レイヤーがレンガ要素でモデル化します。このソリューションでは、シェルを使用するよりも負荷重いですが面外荷重によるリーフ スプリングの設計の重要な側面である層間はく離を予測する 3次元破壊基準を Hashin との組み合わせで可能します。最後に、リーフ スプリングの設計のための解析解と数値モデル縮小バネの実験によって確認されました。
クラッシュ テストに関して、ロールケージの比較的高い変位の懸念の問題ではありませんが、主に起因するそのフロント バーのレイアウト。その noncurved 形状と、鋭い方法であるそれが置かれる、ない曲線と影響を与える方向に鋭角には明確な構造目的のあるロールケージにシャーシに吸収すべきエネルギーの大部分を転送するための責任.このため、ロールケージが席にその添付ファイル領域の高圧力を引き起こして、車両の後部にプッシュされます。それは、にもかかわらず任意の安全性の潜在的改善される可能性があります機能、モノコックと事実をコンポーネントに浸透/穴あきない他の変形が少なく、明らかに車両のデザインが考えられているに注意してくださいすることが重要その耐衝撃性に関して安全です。
したがって、全体としては、車両の構造設計はプロトコルでは, 大規模な計算はモノコックの設計に合わせて調整されたリーフ スプリングに不可欠の材料の使用量の面で最適化されていると光強化された性能が存在します。さらに、数値のクラッシュ テスト シミュレーション、車両の構造を示した正常にその最適なエネルギー効率の車の平均速度を考慮したフル前頭影響によって推論される勢いを耐えることができるであります。
Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
著者はの本質的な支援とクルーザーの審美的なデザイナーであったマルコ Lukovic 恩田ソラーレ スポーツ協会 (www.ondasolare.com) のすべてのメンバーに感謝しますこの研究活動は、ポー FESR 2014 年 2020 年、軸 1、研究と技術革新の中のエミリア = ロマーニャ州地域の欧州連合の金融サポートを実現しました。
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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