クルーザーは、エネルギー消費量とペイロードの間の最良の妥協に基づいて長距離ソーラーレースに出場するために考案されたマルチ乗員ソーラー車両です。彼らは、全体的な次元、安全性、および機械的要件に関するレースルールに準拠する必要がありますが、形状、材料、パワートレイン、および力学は、設計者によって決定することができる他の側面。本研究では、フルカーボン繊維強化プラスチックソーラー車の構造設計プロセスの最も関連する側面のいくつかを詳述する。
シャーシの積層シーケンスの設計、リーフスプリング構造解析、および車両の衝突試験シミュレーションに使用されるプロトコルを示します。繊維強化複合構造の設計方法の複雑さは、その機械的特性を調整し、車の全体的な重量を最適化する可能性によって補償されます。候補のシャーシ設計を開発した後、有限要素シェルモデルを作成します。
有限要素モデリングソフトウェアにシャーシ設計をインポートします。[材料]で、単炭素繊維強化ポリマーの特性を定義するファイバータイプを選択します。[弾性] 動作を選択します。
そこから、工学定数が適切であることを確認します。次に、ハシン損傷パラメータを表示します。必要な値を持っていることを確認します。
材料特性の設定を終了します。次に、コンポジット レイアップ セクションを作成します。ここで、各炭素繊維強化ポリマープライは、配列、材料、厚さ、および回転角度の順番によって定義される。
次の手順では、[メッシュ]を選択して、不連続要素の分布を割り当てます。グローバル メッシュ シードのパラメータを確認します。ここでも、[メッシュ]で[要素タイプ]を選択します。
次に、モデルの要素を選択します。シェル要素タイプを使用します。四角形の要素の形状を選択します。
砂時計の効果が無視できる場合は、[統合の削減] を選択します。メッシュ要素の割り当てを続行します。メッシュを生成する準備ができたら、メッシュに戻り、部品確認を選択します。
メッシュが完成したら、[アセンブリ]で、荷重と境界条件を適用するシャーシのインスタンスを作成します。[ステップ] フォルダーに移動します。そこで、分析手順を選択します。
プロシージャが静的として定義されていることを確認します。また、非線形ジオメトリの動作がオフになっていることも確認します。次に、[荷重]に移動して、所定の荷重の適用を開始します。
[ボディフォース]で、重力または一定の加速度のコンポーネントと分布を入力します。力の方向は、モデルと共にウィンドウに表示されます。次に、乗員による力などの集中力を特定します。
フレーム上の正しい位置に適用されていることを確認します。車のバッテリーによる集中力のために同じ手順に従ってください。荷重を設定した後、境界条件を適用します。
シャーシを外部負荷によって実行されるサポートされているボディと見なし、制約の位置を特定します。固定境界条件を使用します。出力を定義するには、フィールド出力要求に移動します。
目的の選択を行います。ドメインがコンポジット レイアップであることを確認します。次に、[応力]で、出力変数が応力成分と不変量であることを確認します。
また、[障害/フラクチャ]の下で確認します。そこで、Hashin 出力データを選択する必要があります。問題が発生したら、[OK] をクリックします。
[分析] で、ジョブの設定を開始します。ジョブに名前を付け、モデルのソースを定義します。[続行] をクリックした後、必要に応じてコンピュータ環境の設定をカスタマイズします。
完全な分析を実行することを選択します。完了したら、ウィンドウの変更を OK します。作成したジョブを右クリックし、[送信] を選択して実行します。
出力を使用して、製造業者用の紙の本を作成します。設計は減らされた重量の簡単で軽い懸濁液システムのためのカーボン繊維の横の葉のばねを組み込む。リーフスプリングの設計は、全体のプロセスの一部として評価する必要があります。
ANSYSワークベンチ有限要素シミュレータで最適化されたリーフスプリング設計をシミュレートします。ACP Pre内で、エンジニアリングデータをクリックします。次に、[エンジニアリング データ ソース] タブを選択します。
[複合材料]フォルダに移動し、カーボン、単方向、および織物のプリプレグの既定のマテリアル プロパティをインポートします。完了したら、[エンジニアリング データ ソース] タブを閉じます。次に、[ジオメトリ]を右クリックします。
次に、[ジオメトリを読み込み]を右クリックします。[参照]を選択して、リーフ スプリングの 4 分の 1 を表す CAD ファイルを検索して選択します。次に、モデルをダブルクリックします。
新しいウィンドウが表示されると、リーフスプリングセグメントが表示されます。[モデル]でファイルを選択します。[グラフィックス プロパティ]領域で、任意のサーフェスの厚みを割り当てます。
[モデル]を右クリックして[挿入]を選択し、そこから名前付き選択を選択します。ハイライト表示されたジオメトリフィールドをクリックし、モデル内の領域を選択して適用することにより、レイアップゾーンを定義します。モデルに必要な各ゾーンに対してこの手順を繰り返します。
完了したら、[メッシュ]を右クリックします。次に、[メッシュを生成]をクリックして、デフォルトのメッシュを生成します。[機械]ウィンドウを閉じて続行します。
ACP の事前画面で、セットアップ ウィンドウを開きます。ply のプロパティを定義するには、[マテリアル データ]フォルダに移動します。その中でファブリックを右クリックし、[ファブリックの作成]を選択して続行します。
開いたウィンドウで、マテリアルを定義します。次に、プレプレグの厚さを割り当てます。次に、スタックアップを右クリックし、スタックアップを作成を選択して、これに従います。
新しいウィンドウで、[ファブリック]ドロップダウンメニューに移動し、プロジェクトに必要な選択を行って、サブラミネート積み重ね順序を定義します。ロゼットフォルダオプションに移動し、ロゼットを作成するためにそれを右クリックします。ウィンドウで、[原点]をクリックして、ばねモデルに移動します。
そこで、リーフばねの軸に沿ってクリックして、要素のローカル座標を定義します。ウィンドウを閉じてタスクを完了します。[方向選択セット]フォルダを右クリックし、選択セットを作成します。
要素セットの場合は、まずエントリと点を選択します。ジオメトリで、任意の点をクリックして原点を定義します。また、ロゼットの下で、適切なロゼッタを割り当てます。
各要素セットに対してこれを行います。この時点で、[モデリング グループ] フォルダーを開きます。定義されたモデリング グループが表示されます。
モデリンググループを作成するには、フォルダを右クリックして[モデリンググループを作成]を選択します。新しいウィンドウで[OK]をクリックします。新しいグループを右クリックし、[Ply を作成]を選択します。配向された選択セット、層材料、および各層のレイヤ数を定義します。
層のグループごとにこの手順を繰り返して、完全なスタック シーケンスを定義します。ACP ウィンドウを閉じます。[ツールボックス] から[静的構造解析]をワークスペースにドラッグします。
次に、ACP プリセットアップを静的構造のモデルにドラッグし、[ソリッド複合データを転送]を選択します。[静的構造]の下の[モデル]をダブルクリックします。ここで、対称性と拘束境界条件を適用します。
[静的構造]を右クリックし、[挿入]を選択し、[変位]を選択します。次に、ジオメトリの拘束サーフェスを選択します。適切なコンポーネントを 0 に設定して、コンポーネントを拘束します。
力のために同じ手順に従ってください。目的の対称性が尊重されていることを確認します。[解析]をクリックして、線形弾性としてモデルを解析します。
プロジェクト回路図で、ツールボックスに移動し、ACP の前の下のモデルに ACP ポストをドラッグします。静的構造解析を ACP ポストの下の結果にドラッグします。次に、ACP ポストの下の [結果] をダブルクリックします。
故障基準を作成するには、[定義]メニューを右クリックし、[故障基準の作成]を選択します。表示されたウィンドウで、エラー条件として [Hashin] を選択します。[構成]を選択し、故障モードの寸法を 3D に設定します。
変更をOKして、第一画面に戻ります。[ソリューション] メニューを右クリックして、[エラーの作成] を選択します。新しいウィンドウで、目的の故障条件を選択します。
また、[ソリッドに表示]チェックボックスをオンにします。稲妻記号をクリックする前に変更を OK し、故障基準の結果を評価します。衝突のシミュレーションのために、車両の完全なCADモデルを開発します。
このモデルには、主要なコンポーネント、ステアリングおよびサスペンションシステム、バッテリー、シート、ロールケージ、モノコックがすべて含まれている必要があります。このCADモデルから、計算を最適化するために二国間対称性を利用するハーフカーモデルを作成します。ANSYS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を開始します。
[ツールボックス]の[分析システム]で、[明示的なダイナミクス]に移動します。プロジェクト回路図にドラッグします。新しい要素で、[エンジニアリングデータ]をダブルクリックします。
新しいタブの[材料]で、新しい材料を追加し、それに応じて名前を付けます。ツールボックスツリーから、マテリアルの必要なプロパティをドラッグします。[値] で、以前に取得した値を挿入します。
[プロジェクトスケマティック] タブに戻ります。次に、[明示的なダイナミクス]で、[ジオメトリ]を右クリックして[ジオメトリをインポート]を選択します。[参照]をクリックし、ハーフカーモデルを含むSTPファイルをモデル環境にロードします。
ファイルには、クラッシュ テストのバリアも含まれています。プロジェクトツリー内で、メッシュを選択します。[メッシュの詳細] で、[物理設定] に移動します。
値を [明示的] に設定します。次に、要素の中間ノードに移動します。値を [ドロップ] に設定します。
下の [サイズ変更] で[サイズ関数] に移動し、そこから [曲率] を選択します。[参照センター]に移動し、[中]を選択します。最小要素サイズを 6 ミリメートルに設定します。
最大要素サイズを 30 ミリメートルに設定します。次に、[プロジェクト] で、明示的なダイナミクスを右クリックして制約の境界条件を設定します。[挿入]、[固定サポート]を選択して、衝突の剛性バリアを定義します。
バリアを修正する方法を選択します。次に、バリアを選択し、選択を適用します。[明示的なダイナミクス]を右クリックし、[挿入]を選択し、[変位]を選択します。
変更を適用します。Z 軸を自由度から 0 の定数値に変更します。ウィンドウの上部にある[解決]をクリックします。
ここでは、5G 後方加速度の結果として生じるシャーシの変位を示すサンプル マップを示します。このマップを使用して、初期設計段階で構造剛性を評価できます。これは、リーフ スプリングの最適化されたジオメトリです。
ジオメトリの有限要素解析では、ハシン破壊基準に従って故障指数を計算できます。また、葉の外側の表面上の一方向のスティグマの応力を主方向に沿って決定することもできます。数値モデルは、フラクチャにテストされたスケールモデルを使用して検証されます。
このビデオは、モデル化された時速60キロの衝撃の間に車両のストレスの進化を理解することを可能にする。サンプルのストレス マップは、乗客に損害を与える可能性のある障害点を特定することで、車両の整合性を評価する手段を提供します。同じ衝撃速度に対する有限要素解析からの変位のマップは、車両の前部および座席に取り付けられているロールケージバーで発生する最大の結果を明らかにします。
これらは、ソリッド要素よりも単純なメッシュで薄壁ボディの曲げ剛性をシミュレートできるため、複合構造を再現するのに適したオプションです。一方、解析モデルではローカル応力が理解できないリーフスプリングでは有限要素法で評価され、葉複合層はレンガ要素によってモデル化されます。クラッシュイベントの間、モノコックの変形は最小限であり、コンポーネントが他方に浸透しない点に注意することが重要です。
従って、車両上の設計が安全であると言える。太陽光発電車の構造最適化に役立つ異なるアメリカのモデルが示されています。この車両は効率的であることが判明し、そのカテゴリーでアメリカンソーラーチャレンジ2018を獲得しました。
