Gli incrociatori sono veicoli solari multi-occupante concepiti per competere in gare solari a lungo raggio che si basano sul miglior compromesso tra il consumo energetico e il carico utile. Devono rispettare le regole di gara riguardanti la dimensione complessiva, la sicurezza e i requisiti meccanici, mentre l'altro aspetto come forma, materiali, propulsore e meccanica può essere determinato dai progettisti. In questo lavoro, dettagliamo alcuni degli aspetti più rilevanti del processo di progettazione strutturale di un veicolo solare in plastica rinforzato con fibra di carbonio.
Viene mostrato il protocollo utilizzato per la progettazione della sequenza di laminazione del telaio, dell'analisi strutturale delle molle a balestra e per la simulazione di crash test del veicolo. La complessità della metodologia progettuale delle strutture composite rinforzate in fibra è compensata dalla possibilità di personalizzare le loro caratteristiche meccaniche e ottimizzare il peso complessivo dell'auto. Dopo aver sviluppato un progetto di chassis candidato, create un modello di guscio ad elementi finiti.
Importare il design dello chassis in un software di modellazione di elementi finiti. In Materiali selezionare il tipo di fibra per definire le proprietà di un polimero rinforzato con fibra di carbonio singolo. Scegliere il comportamento Elastico.
Da lì, controlla che le costanti ingegneristiche siano appropriate. Quindi, visualizza i parametri Danni hashin. Assicurarsi che abbiano i valori desiderati.
Chiudere dall'impostazione delle proprietà del materiale. Passare alla creazione di una sezione Layups composita. Qui, ogni strato polimerico rinforzato con fibra di carbonio è definito per ordine nella sequenza, nel materiale, nello spessore e nell'angolo di rotazione.
Il passaggio successivo consiste nel selezionare Mesh per assegnare la distribuzione di elementi discreti. Controllare i parametri del seed mesh globale. Anche in Mesh, selezionate Tipo elemento (Element Type).
Quindi, selezionate un elemento del modello. Utilizzare il tipo di elemento shell. Scegli la forma dell'elemento dominato da quad.
Se gli effetti della clessidra sono trascurabili, selezionare Integrazione ridotta. Continuare ad assegnare elementi mesh. Quando è pronto per generare la mesh, tornate a Mesh e selezionate conferma parte(Part confirm), o meglio OK, per meshare la parte.
Una volta completata la mesh, in Assemblaggio creare un'istanza dello chassis a cui verranno applicati carichi e condizioni limite. Passare alla cartella Passaggi. Selezionare la procedura di analisi.
Assicurarsi che la routine sia definita come statica. Inoltre, verificare che il comportamento della geometria non lineare sia disattivato. Ora, vai a Carichi per iniziare ad applicare i carichi prescritti.
In Forza corpo immettere i componenti e la distribuzione per la gravità o l'accelerazione costante. La direzione della forza viene visualizzata nella finestra con il modello. Successivamente, identificare le forze concentrate, come quelle dovute agli occupanti.
Verificare che siano applicati nelle posizioni corrette sul telaio. Seguire gli stessi passaggi per le forze concentrate dovute alle batterie dell'auto. Dopo aver impostato i carichi, applicare le condizioni limite.
Considerare lo chassis come un corpo supportato agito da carichi esterni e identificare le posizioni dei vincoli. Utilizzare le condizioni limite bloccate. Per definire l'output, passare a Richieste output campo.
Effettuare la selezione desiderata. Verificare che il dominio sia layup composito. Quindi, in Sollecitazioni, verificare che le variabili di output siano componenti di sollecitazione e invarianti.
Inoltre, controllare in Guasto / Frattura. Lì, i dati di output hashin dovrebbero essere selezionati. Fare clic su OK se soddisfatto.
In Analisi iniziare a impostare un processo. Assegnare al processo il nome e definire l'origine del modello. Dopo aver fatto clic su Continua, personalizzare le impostazioni per l'ambiente computer, se necessario.
Scegliere di eseguire un'analisi completa. Al termine, OK le modifiche nella finestra. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul processo creato e scegliere Invia per eseguito.
Utilizzare l'output per produrre un libro di ply per un produttore. Il design incorpora una molla a foglia trasversale in fibra di carbonio per un sistema di sospensioni semplice e leggero con peso non sospeso ridotto. Il design della molla fogliare deve essere valutato come parte del processo complessivo.
Simulare un design ottimizzato della molla foglia nel simulatore di elementi finiti ANSYS Workbench. All'interno di ACP Pre, clicca su Engineering Data. Selezionare quindi la scheda Origini dati di progettazione.
Passare alla cartella Materiali compositi e importare le proprietà predefinite del materiale di prepreg carbonio, unidirezionale e tessuto. Al termine, chiudere la scheda Origini dati di progettazione. Quindi, fate clic con il pulsante destro del mouse su Geometria (Geometry).
Quindi, fate clic con il pulsante destro del mouse su Importa geometria (Import Geometry). Selezionate Sfoglia (Browse) per trovare e scegliere il file CAD che rappresenta un quarto della molla foglia. Ora, fare doppio clic su Modello.
Quando viene visualizzata la nuova finestra, verrà visualizzato il segmento della molla foglia. Selezionate il file in Modello (Model). In Proprietà grafica (Graphics Properties), assegnate uno spessore di superficie arbitrario.
Fate clic con il pulsante destro del mouse su Modello (Model) per selezionare Inserisci (Insert) e dalla selezione denominata (Named Selection). Utilizzate questa funzione per definire una zona di layup facendo clic sul campo Geometria evidenziata, selezionando una regione nel modello e applicandola. Ripetete questo per ogni zona richiesta per il modello.
Al termine, fare clic con il pulsante destro del mouse su Mesh. Quindi, fate clic su Genera mesh (Generate Mesh) per generare la mesh di default. Chiudere la finestra Meccanica per continuare.
Nella schermata Pre ACP aprire la finestra Setup. Per definire le proprietà dello ply, passare alla cartella Dati materiali. Al suo interno, fare clic con il pulsante destro del mouse su Tessuti e procedere selezionando Crea tessuto.
Nella finestra visualizzata definire il materiale. Quindi, assegnare lo spessore della prepreg. Fare quindi clic con il pulsante destro del mouse su Stackup e quindi scegliere Crea stackup.
Nella nuova finestra definire la sequenza di impilamento dei sotto laminato andando al menu a discesa Tessuti e effettuando le selezioni necessarie per il progetto. Passare all'opzione cartella Rosetta e fare clic con il pulsante destro del mouse su di essa per creare una rosetta. Nella finestra, fate clic su Origine (Origin) e spostate il modello a molla.
Lì, fare clic lungo l'asse della molla foglia per definire le coordinate locali dell'elemento. Chiudere la finestra per completare l'attività. Passare a fare clic con il pulsante destro del mouse sulla cartella Set di selezione orientato e scegliere di creare un set di selezione.
Per un set di elementi, selezionare innanzitutto le voci e il punto. Nella geometria, fate clic su un punto arbitrario per definire l'origine. Inoltre, sotto Rosettes, assegnare la rosetta appropriata.
Eseguire questa questa attività per ciascuno dei set di elementi. A questo punto, aprire la cartella Gruppi di modellazione. Viene visualizzato il gruppo di modellazione definito.
Per creare un gruppo di modellazione, fate clic con il pulsante destro del mouse sulla cartella e scegliete Crea gruppo modellazione (Create Modeling Group). Nella nuova finestra fare clic su OK. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul nuovo gruppo e scegliere Crea ply. Definite un insieme di selezione orientato, materiale stratibile e il numero di livelli per ogni strato.
Ripetete questo passaggio per ogni gruppo di strati per definire la sequenza di impilamento completa. Chiudere la finestra ACP. Dalla Casella degli strumenti trascinare l'analisi strutturale statica nel workspace.
Trascinare quindi pre-installazione ACP nel modello in Strutturale statico e selezionare Trasferisci dati compositi solidi. Fate doppio clic su Modello (Model) in Strutturale statico (Static Structural). Ora, applicate condizioni di simmetria e limite di vincolo.
Fate clic con il pulsante destro del mouse su Strutturale statico (Static Structural) e selezionate Inserisci (Insert), quindi Spostamento (Displacement). Quindi, selezionate la superficie vincolata della geometria. Vincolare i componenti appropriati impostandoli su zero.
Seguire la stessa procedura per la forza. Verificare che le simmetrie desiderate siano rispettate. Fare clic su Risolvi per risolvere il modello come elastico lineare.
In Schema progetto passare alla Casella degli strumenti e trascinare Posta ACP nel modello in Pre ACP. Trascinare la soluzione strutturale statica nei risultati in Post ACP. Quindi, fare doppio clic su Risultati in Post ACP.
Per creare criteri di errore, fare clic con il pulsante destro del mouse sul menu Definizione e scegliere Crea criteri di errore. Nella finestra visualizzata selezionare Hashin come criterio di errore. Selezionare Configura e impostare la dimensione della modalità di errore su 3D.
OK le modifiche per tornare alla schermata iniziale. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul menu Soluzione per selezionare Crea errore. Nella nuova finestra selezionare i criteri di errore desiderati.
Selezionare inoltre la casella Mostra su solidi. OK le modifiche prima di fare clic sul simbolo del fulmine per valutare i risultati dei criteri di errore. Per la simulazione di un incidente, sviluppare un modello CAD completo del veicolo.
Il modello dovrebbe includere tutti i componenti principali, i sistemi di sterzo e sospensione, la batteria, i sedili, il roll cage e la monoscocca. Da questo modello CAD, creare un modello di mezza auto per sfruttare la simmetria bilaterale al fine di ottimizzare i calcoli. Avviare un nuovo progetto nel software di simulazione degli elementi finiti ANSYS.
In Casella degli strumenti, Sistemi di analisi, passare a Dinamiche esplicite. Trascinarlo nello schema del progetto. Nel nuovo elemento fare doppio clic su Dati di progettazione.
Nella nuova scheda, in Materiali, aggiungere nuovi materiali e nominarli di conseguenza, Fibra di carbonio in questo caso. Trascinare le proprietà necessarie del materiale dall'albero della Casella degli strumenti. In Valori inserire i valori ottenuti in precedenza, incluse le unità appropriate.
Tornare alla scheda Schema di Project. Quindi, in Dinamica esplicita (Explicit Dynamics), fate clic con il pulsante destro del mouse sulla geometria per selezionare Importa geometria (Import Geometry). Fate clic su Sfoglia (Browse) e caricate il file STP con il modello di mezza auto nell'ambiente del modello.
Il file include anche la barriera per il crash test. All'interno dell'albero del progetto, selezionate Mesh. In Dettagli della mesh, vai a Preferenze fisiche.
Impostare il valore su Explicit. Quindi, vai a Element Midside Nodes. Impostarne il valore su Dropped.
Di seguito, in Ridimensionamento, passare a Funzione dimensioni e da lì selezionare Curvatura. Spostate al Centro riferimenti (Reference Center) e selezionate Medio (Medium). Impostare la dimensione minima dell'elemento a sei millimetri.
Scegli la dimensione massima dell'elemento per essere di 30 millimetri. Ora, in Progetto, impostate le condizioni limite del vincolo facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla dinamica esplicita. Selezionate Inserisci (Insert), quindi Supporto fisso (Fixed Support) per definire la barriera rigida per una collisione.
Scegli come deve essere riparato la barriera. Quindi, selezionare la barriera e applicare la scelta. Tornate a fare clic con il pulsante destro del mouse su Dinamica esplicita (Explicit Dynamics) e selezionate Inserisci (Insert), quindi Spostamento (Displacement).
Applicare le modifiche. Modificare l'asse Z da libero al valore costante di zero. Nella parte superiore della finestra fare clic su Risolvi.
Ecco una mappa di esempio che mostra gli spostamenti dello chassis risultanti da un'accelerazione all'indietro 5G. Questa mappa può essere utilizzata per valutare la rigidità strutturale in una fase iniziale di progettazione. Questa è la geometria ottimizzata della molla fogliare.
L'analisi degli elementi finiti della geometria consente il calcolo dell'indice di guasto secondo i criteri di errore di Hashin. Può anche determinare lo stress nello stigma di una direzione sulla superficie esterna della foglia, lungo la sua direzione principale. Il modello numerico viene convalidato utilizzando un modello in scala testato per la frattura.
Questo video consente di apprezzare l'evoluzione dello stress nel veicolo durante un impatto modellato di 60 chilometri all'ora. Una mappa di stress del campione fornisce un mezzo per valutare l'integrità del veicolo aiutando a identificare possibili punti di guasto che potrebbero danneggiare i passeggeri. Una mappa degli spostamenti dall'analisi degli elementi finiti per la stessa velocità di impatto rivela che il più grande si verifica nella parte anteriore del veicolo e nelle barre roll cage che sono attaccate ai sedili.
Sono un'opzione adatta per riprodurre strutture composite, in quanto possono simulare la rigidità flessione dei corpi a parete sottile con una mesh più semplice rispetto agli elementi solidi. D'altra parte, nella molla fogliare, dove le sollecitazioni locali non possono essere apprezzate dal modello analitico, sono valutate con il metodo dell'elemento finito e gli strati compositi fogliari sono modellati dagli elementi di mattoni. È importante notare che, durante gli eventi di crash, la deformazione della monoscopia è minima e nessun componenti penetra nell'altro.
Pertanto, è possibile dire che il design sul veicolo è sicuro. Sono stati mostrati diversi modelli americani per l'ottimizzazione strutturale di un veicolo ad energia solare. Il veicolo si è dimostrato efficiente e ha vinto l'American Solar Challenge 2018 nella sua categoria.
