Cruiser sind Multi-Occupant-Solarfahrzeuge, die für Langstrecken-Solarrennen konzipiert sind, die auf dem besten Kompromiss zwischen Energieverbrauch und Nutzlast basieren. Sie müssen die Rennregeln in Bezug auf die Gesamtdimension, die Sicherheit und die mechanischen Anforderungen erfüllen, während der andere Aspekt wie Form, Materialien, Antriebsstrang und Mechanik von den Konstrukteuren bestimmt werden kann. In dieser Arbeit beschreiben wir einige der wichtigsten Aspekte des Bauentwurfsprozesses eines vollkohlenstofffaserverstärkten Kunststoff-Solarfahrzeugs.
Gezeigt werden das Protokoll für die Auslegung der Laminierreihenfolge des Fahrgestells, der Strukturanalyse der Blattfedern und für die Crashtestsimulation des Fahrzeugs. Die Komplexität der Konstruktionsmethodik von faserverstärkten Verbundkonstruktionen wird durch die Möglichkeit kompensiert, ihre mechanischen Eigenschaften anzupassen und das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu optimieren. Erstellen Sie nach der Entwicklung eines Kandidatengehäusedesigns ein Finite-Element-Shell-Modell.
Importieren Sie das Gehäusedesign in die Finite-Elemente-Modellierungssoftware. Wählen Sie unter Materialien den Fasertyp aus, um die Eigenschaften eines faserverstärkten Polymers mit einem Kohlenstoff zu definieren. Wählen Sie das Elastic-Verhalten aus.
Überprüfen Sie von dort aus, ob die technischen Konstanten geeignet sind. Sehen Sie sich als Nächstes die Hashin-Schadensparameter an. Stellen Sie sicher, dass sie die gewünschten Werte haben.
Schließen Sie das Festlegen der Materialeigenschaften. Fahren Sie fort, um einen Composite Layups-Abschnitt zu erstellen. Hierbei wird jede kohlenstofffaserverstärkte Polymerschicht nach Reihenfolge, Material, Dicke und Drehwinkel definiert.
Der nächste Schritt besteht darin, Netz auszuwählen, um die Verteilung diskreter Elemente zuzuweisen. Überprüfen Sie die Parameter des Globalen Netzsaats. Wählen Sie unter Netz erneut Elementtyp aus.
Wählen Sie dann ein Element des Modells aus. Verwenden Sie den Shellelementtyp. Wählen Sie die quad-dominierte Elementform aus.
Wenn Sanduhreffekte vernachlässigbar sind, wählen Sie Reduzierte Integration aus. Fahren Sie mit dem Zuweisen von Netzelementen fort. Wenn Sie bereit sind, das Netz zu generieren, kehren Sie zu Netz zurück, und wählen Sie Die Teile bestätigen, d. h. OK, um das Teil zu vernetzen.
Sobald das Netz abgeschlossen ist, erstellen Sie unter Baugruppe eine Instanz des Gehäuses, auf das Lasten und Randbedingungen angewendet werden. Wechseln Sie zum Ordner Schritte. Wählen Sie dort das Analyseverfahren aus.
Stellen Sie sicher, dass die Prozedur als statisch definiert ist. Überprüfen Sie außerdem, ob das nichtlineare Geometrieverhalten deaktiviert ist. Gehen Sie nun zu Loads, um mit der Anwendung der vorgeschriebenen Lasten zu beginnen.
Geben Sie unter Körperkraft die Komponenten und die Verteilung für die Schwerkraft oder konstante Beschleunigung ein. Die Kraftrichtung wird im Fenster mit dem Modell angezeigt. Als nächstes identifizieren Sie konzentrierte Kräfte, wie sie von den Insassen geschuldet werden.
Überprüfen Sie, ob sie an den richtigen Positionen auf dem Rahmen angewendet werden. Folgen Sie den gleichen Schritten für die konzentrierten Kräfte durch die Autobatterien. Nachdem die Lasten festgelegt wurden, wenden Sie die Randbedingungen an.
Betrachten Sie das Chassis als unterstützten Körper, der durch externe Lasten betätigt wird, und identifizieren Sie die Abhängigkeitspositionen. Verwenden Sie angeheftete Randbedingungen. Um die Ausgabe zu definieren, wechseln Sie zu Feldausgabeanforderungen.
Treffen Sie die gewünschte Auswahl. Überprüfen Sie, ob es sich bei der Domäne um Composite-Layouts handelt. Überprüfen Sie dann unter Spannungen, ob die Ausgabevariablen Spannungskomponenten und Invarianten sind.
Überprüfen Sie außerdem unter Fehler/Fraktur. Dort sollten die Hashin-Ausgabedaten ausgewählt werden. Klicken Sie auf OK, wenn Sie zufrieden sind.
Beginnen Sie unter Analyse mit dem Einrichten eines Einzelvorgangs. Benennen Sie den Auftrag, und definieren Sie die Quelle des Modells. Nachdem Sie auf Weiter geklickt haben, passen Sie ggf. die Einstellungen für die Computerumgebung an.
Wählen Sie aus, ob Sie eine vollständige Analyse durchführen möchten. Wenn dies abgeschlossen ist, sind die Änderungen im Fenster ab) ab. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den erstellten Auftrag, und wählen Sie Senden aus, um ihn auszuführen.
Verwenden Sie die Ausgabe, um ein Sperrbuch für einen Hersteller zu erstellen. Das Design beinhaltet eine Carbonfaser-Transversalblattfeder für ein einfaches und leichtes Federungssystem mit reduziertem ungefederten Gewicht. Die Blattfederkonstruktion muss im Rahmen des Gesamtprozesses bewertet werden.
Simulieren Sie ein optimiertes Blattfederdesign im ANSYS Workbench Finite-Elemente-Simulator. Klicken Sie innerhalb von ACP Pre auf Engineering Data. Wählen Sie dann die Registerkarte "Datenquellen" aus.
Wechseln Sie zum Ordner Verbundwerkstoffe, und importieren Sie die standardmäßigen Materialeigenschaften von Kohlenstoff, Unidirektion und gewebten Prepregs. Schließen Sie die Registerkarte "Engineering Data Sources". Klicken Sie als Nächstes mit der rechten Maustaste auf Geometrie.
Klicken Sie dann mit der rechten Maustaste auf Geometrie importieren. Wählen Sie Durchsuchen aus, um die CAD-Datei zu suchen und auszuwählen, die ein Viertel der Blattfeder darstellt. Doppelklicken Sie nun auf Modell.
Wenn das neue Fenster angezeigt wird, wird das Blattfedersegment angezeigt. Wählen Sie die Datei unter Modell aus. Weisen Sie unter Grafikeigenschaften eine beliebige Oberflächendicke zu.
Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Modell, um Einfügen und von dort Named Selection auszuwählen. Verwenden Sie diese Funktion, um eine Layupzone zu definieren, indem Sie auf das hervorgehobene Feld Geometrie klicken, einen Bereich im Modell auswählen und anwenden. Wiederholen Sie diesen Vorgang für jede Zone, die für das Modell erforderlich ist.
Wenn Sie fertig sind, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Mesh. Klicken Sie dann auf Netz generieren, um das Standardnetz zu generieren. Schließen Sie das mechanische Fenster, um fortzufahren.
Öffnen Sie auf dem Bildschirm ACP Pre das Setup-Fenster. Um die Eigenschaften der Lage zu definieren, wechseln Sie zum Ordner Materialdaten. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Fabrics, und wählen Sie Fabric erstellen aus.
Definieren Sie in dem geöffneten Fenster das Material. Weisen Sie dann die Prepreg-Dicke zu. Klicken Sie als Nächstes mit der rechten Maustaste auf Stackups, und folgen Sie dem, indem Sie Stackup erstellen auswählen.
Definieren Sie im neuen Fenster die Unterlaminatstapelsequenz, indem Sie zum Dropdownmenü Fabrics wechseln und die erforderlichen Auswahlen für das Projekt treffen. Fahren Sie mit der Option Rosetten ordner fort, und klicken Sie mit der rechten Maustaste darauf, um eine Rosette zu erstellen. Klicken Sie im Fenster auf Ursprung und wechseln Sie zum Federmodell.
Klicken Sie dort entlang der Blattfederachse, um die lokalen Koordinaten des Elements zu definieren. Schließen Sie das Fenster, um die Aufgabe abzuschließen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Ordner "Oriented Selection Set", und erstellen Sie einen Auswahlsatz.
Wählen Sie für einen Elementsatz zuerst die Einträge und den Punkt aus. Klicken Sie in der Geometrie auf einen beliebigen Punkt, um den Ursprung zu definieren. Weisen Sie auch unter Rosetten die entsprechende Rosetta zu.
Tun Sie dies für jeden Elementsatz. Öffnen Sie an dieser Stelle den Ordner Modelliergruppen. Die definierte Modellierungsgruppe wird angezeigt.
Um eine Modellierungsgruppe zu erstellen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Ordner, und wählen Sie Modellierungsgruppe erstellen aus. Klicken Sie im neuen Fenster auf OK. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die neue Gruppe, und wählen Sie Ply erstellen aus. Definieren Sie einen orientierten Auswahlsatz, das Schichtmaterial und die Anzahl der Layer für jede Schicht.
Wiederholen Sie diesen Schritt für jede Gruppe von Lagen, um die vollständige Stapelsequenz zu definieren. Schließen Sie das AKP-Fenster. Ziehen Sie aus der Toolbox die statische Strukturanalyse auf den Arbeitsbereich.
Ziehen Sie dann ACP Pre Setup auf das Modell in Static Structural, und wählen Sie Solid Composite-Daten übertragen aus. Doppelklicken Sie unter Statischstruktur auf Modell. Wenden Sie nun Symmetrie- und Randbedingungen an.
Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Static Structural, und wählen Sie Einfügen, gefolgt von Verschiebung. Wählen Sie als Nächstes die eingeschränkte Fläche der Geometrie aus. Beschränken Sie die entsprechenden Komponenten, indem Sie sie auf Null setzen.
Befolgen Sie das gleiche Verfahren für die Kraft. Überprüfen Sie, ob die gewünschten Symmetrien eingehalten werden. Klicken Sie auf Lösen, um das Modell als linear elastisch zu lösen.
Wechseln Sie im Projektschema zur Toolbox, und ziehen Sie ACP Post unter ACP Pre auf das Modell. Ziehen Sie die statische Strukturlösung auf die Ergebnisse unter ACP Post. Doppelklicken Sie dann unter ACP Post auf Ergebnisse.
Um Fehlerkriterien zu erstellen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Menü Definition, und wählen Sie Fehlerkriterien erstellen aus. Wählen Sie in dem geöffneten Fenster Hashin als Fehlerkriterium aus. Wählen Sie Konfigurieren aus, und legen Sie die Dimension des Fehlermodus auf 3D fest.
Ok die Änderungen, um zum Startbildschirm zurückzukehren. Klicken Sie nun mit der rechten Maustaste auf das Menü "Lösung", um Fehler erstellen auszuwählen. Wählen Sie im neuen Fenster die gewünschten Fehlerkriterien aus.
Aktivieren Sie außerdem das Kontrollkästchen Auf Volumenkörper anzeigen. OK die Änderungen, bevor Sie auf das Blitzsymbol klicken, um die Fehlerkriterien ergebnisse zu bewerten. Für die Simulation eines Crashs können Sie ein komplettes CAD-Modell des Fahrzeugs entwickeln.
Das Modell sollte alle wichtigen Komponenten, Lenk- und Aufhängungssysteme, Batterie, Sitze, Rollkäfig und Monocoque umfassen. Erstellen Sie aus diesem CAD-Modell ein Halbautomodell, um die bilaterale Symmetrie zu nutzen, um Berechnungen zu optimieren. Starten Sie ein neues Projekt in der Simulationssoftware ANSYS Finite-Elemente.
Wechseln Sie unter Toolbox, Analysesysteme, zu Explicit Dynamics. Ziehen Sie es in das Projektschema. Doppelklicken Sie im neuen Element auf Engineering Data.
Fügen Sie auf der neuen Registerkarte unter Materialien neue Materialien hinzu und benennen Sie sie entsprechend, in diesem Fall Carbon Fiber. Ziehen Sie die benötigten Eigenschaften des Materials aus der Toolbox-Struktur. Fügen Sie unter Werte zuvor erhaltene Werte ein, einschließlich der entsprechenden Einheiten.
Kehren Sie zur Registerkarte Projektschema zurück. Klicken Sie dann unter Explizite Dynamik mit der rechten Maustaste auf die Geometrie, um Geometrie importieren auszuwählen. Klicken Sie auf Durchsuchen, und laden Sie die STP-Datei mit dem Halbwagenmodell in die Modellumgebung.
Die Datei enthält auch die Barriere für den Crashtest. Wählen Sie in der Projektstruktur Netz aus. Wechseln Sie unter Details zu Mesh zu Physik-Präferenz.
Legen Sie den Wert auf Explicit fest. Wechseln Sie dann zu Element Midside Nodes. Legen Sie den Wert auf Dropped fest.
Unten, unter Größe, gehen Sie zu Size Function, und von dort wählen Sie Krümmung. Wechseln Sie zu Referenzcenter, und wählen Sie Medium aus. Legen Sie die minimale Elementgröße auf sechs Millimeter fest.
Wählen Sie die maximale Elementgröße von 30 Millimetern aus. Legen Sie nun unter Projekt die Randbedingungen für Die Einschränkung fest, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die explizite Dynamik klicken. Wählen Sie Einfügen und dann Feste Unterstützung aus, um die starre Barriere für eine Kollision zu definieren.
Wählen Sie aus, wie die Barriere repariert werden soll. Wählen Sie dann die Barriere aus, und wenden Sie die Auswahl an. Kehren Sie mit der rechten Maustaste auf Explicit Dynamics zurück, und wählen Sie Einfügen, gefolgt von Verschiebung.
Wenden Sie die Änderungen an. Ändern Sie die Z-Achse von frei in den konstanten Wert von Null. Klicken Sie oben im Fenster auf Lösen.
Hier ist eine Beispielkarte, die die Verschiebungen des Chassis zeigt, die aus einer 5G Rückwärtsbeschleunigung resultieren. Diese Karte kann verwendet werden, um die strukturelle Steifigkeit in einem frühen Entwurfsstadium zu beurteilen. Dies ist die optimierte Geometrie der Blattfeder.
Die Finite-Elemente-Analyse der Geometrie ermöglicht die Berechnung des Fehlerindexes nach Hashin-Fehlerkriterien. Es kann auch die Spannung im Stigma eine Richtung auf der äußeren Oberfläche des Blattes bestimmen, entlang seiner Hauptrichtung. Das numerische Modell wird anhand eines Maßstabsmodells validiert, das auf Fraktur getestet wurde.
Dieses Video ermöglicht es, die Entwicklung des Stresses im Fahrzeug während eines modellierten 60-Kilometer-pro-Stunde-Aufpralls zu schätzen. Eine Beispielspannungskarte bietet eine Möglichkeit, die Fahrzeugintegrität zu bewerten, indem sie dazu beiträgt, mögliche Fehlerpunkte zu identifizieren, die den Fahrgästen schaden könnten. Eine Karte der Verschiebungen aus der Finite-Elemente-Analyse für die gleiche Aufprallgeschwindigkeit zeigt, dass die größten an der Vorderseite des Fahrzeugs und in den Ansitzstangen des Rollkäfigs auftreten, die an den Sitzen befestigt sind.
Sie sind eine geeignete Option zur Reproduktion von Verbundstrukturen, da sie die Biegesteifigkeit der Dünnwandkörper mit einfacherem Netz als die Volumenkörper simulieren können. Andererseits werden in der Blattfeder, wo die lokalen Spannungen durch das Analysemodell nicht geschätzt werden können, nach der Finite-Elemente-Methode bewertet und die Blattverbundschichten durch die Ziegelelemente modelliert. Es ist wichtig zu beachten, dass während der Crash-Ereignisse die Verformung des Monocoque sminimal ist und keine Komponenten in die andere eindringen.
Daher kann man sagen, dass das Design am Fahrzeug sicher ist. Verschiedene amerikanische Modelle dienen der strukturellen Optimierung eines solarbetriebenen Fahrzeugs. Das Fahrzeug erwies sich als effizient und gewann die American Solar Challenge 2018 in seiner Kategorie.
