Os cruzadores são veículos solares multi-ocupantes concebidos para competir em corridas solares de longo alcance que se baseiam no melhor compromisso entre o consumo de energia e a carga útil. Eles devem cumprir as regras de corrida relativas à dimensão geral, à segurança e aos requisitos mecânicos, enquanto o outro aspecto como forma, materiais, powertrain e mecânica pode ser determinado pelos designers. Neste trabalho, detalhamos alguns dos aspectos mais relevantes do processo de projeto estrutural de um veículo solar plástico reforçado com fibra de carbono.
O protocolo utilizado para o desenho da sequência de laminação do chassi, da análise estrutural das molas da folha e para a simulação de teste de colisão do veículo são mostrados. A complexidade da metodologia de design de estruturas compostas reforçadas com fibra é compensada pela possibilidade de adequar suas características mecânicas e otimizar o peso geral do carro. Depois de desenvolver um design de chassi candidato, crie um modelo de shell de elemento finito.
Importe o design do chassi em um software de modelagem de elementos finitos. Em Materiais, selecione o tipo de fibra para definir as propriedades de um polímero reforçado com fibra de carbono único. Escolha o comportamento elástico.
A partir daí, verifique se as constantes de engenharia são apropriadas. Em seguida, veja os parâmetros de dano hashin. Certifique-se de que eles têm os valores desejados.
Feche a configuração das propriedades do material. Passe para criar uma seção Layups composto. Aqui, cada ply polímero reforçado com fibra de carbono é definido por ordem na sequência, material, espessura e ângulo de rotação.
O próximo passo é selecionar Mesh para atribuir a distribuição de elementos discretos. Verifique os parâmetros da Semente de Malha Global. Novamente, em Malha, selecione Tipo de elemento.
Em seguida, selecione um elemento do modelo. Use o tipo de elemento shell. Escolha a forma de elemento dominado pelo quad.
Se os efeitos da ampulheta forem insignificantes, selecione Integração Reduzida. Continue atribuindo elementos de malha. Quando estiver pronto para gerar a malha, retorne à Malha e selecione a peça confirme, ou seja, OK, para engrenar a peça.
Uma vez que a malha esteja completa, em Conjunto, crie uma instância do chassi para a qual serão aplicadas cargas e condições de limite. Vá para a pasta Passos. Lá, selecione o procedimento de análise.
Certifique-se de que o procedimento é definido como estático. Além disso, verifique se o comportamento de geometria não linear está desligado. Agora, vá para Loads para começar a aplicar as cargas prescritas.
Sob força corporal, entre nos componentes e distribuição para gravidade ou aceleração constante. A direção de força é mostrada na janela com o modelo. Em seguida, identifique forças concentradas, como as de ocupantes.
Verifique se eles são aplicados nas posições corretas no quadro. Siga os mesmos passos para as forças concentradas devido às baterias do carro. Depois que as cargas forem definidas, aplique as condições de limite.
Considere o chassi como um corpo suportado acionado por cargas externas e identifique os locais de restrição. Use condições de limite fixadas. Para definir a saída, vá para Solicitações de saída de campo.
Faça a seleção desejada. Verifique se o domínio é composto. Em seguida, sob Estresses, verifique se as variáveis de saída são componentes de estresse e invariantes.
Além disso, verifique em Falha/Fratura. Lá, os dados de saída hashin devem ser selecionados. Clique em OK quando estiver satisfeito.
Em Análise, comece a montar um trabalho. Nomeie o trabalho e defina a fonte do modelo. Depois de clicar em Continuar, personalize as configurações para o ambiente do computador, se necessário.
Escolha realizar uma análise completa. Quando isso estiver concluído, OK as mudanças na janela. Clique com o botão direito do mouse no trabalho criado e escolha Enviar para executá-lo.
Use a saída para produzir um livro ply para um fabricante. O design incorpora uma mola de folha transversal de fibra de carbono para um sistema de suspensão simples e leve com peso não-sol reduzido. O design da mola da folha deve ser avaliado como parte do processo geral.
Simule um design otimizado de mola de folha no simulador de elemento finito ANSYS Workbench. Dentro do ACP Pre, clique em Dados de Engenharia. Em seguida, selecione a guia Fontes de dados de engenharia.
Vá para a pasta Materiais Compostos e importe as propriedades de materiais padrão padrão de carbono, unidirecionais e tecidas. Quando terminar, feche a guia Fontes de Dados de Engenharia. Em seguida, clique com o botão direito do mouse em Geometria.
Em seguida, clique com o botão direito do mouse em Geometria de Importação. Selecione Procurar para encontrar e escolher o arquivo CAD representando um quarto da mola da folha. Agora, clique duas vezes no Modelo.
Quando a nova janela aparecer, ela exibirá o segmento de mola de folha. Selecione o arquivo em Model. Em Propriedades Gráficas, atribua uma espessura arbitrária da superfície.
Clique com o botão direito do mouse no Modelo para selecionar Inserir e a partir daí a Seleção Nomeada. Use esta função para definir uma zona de layup clicando no campo de geometria destacada, selecionando uma região no modelo e aplicando-a. Repita isso para cada zona necessária para o modelo.
Quando feito, clique com o botão direito do mouse em Malha. Em seguida, clique em Gerar Malha para gerar a malha padrão. Feche a janela mecânica para continuar.
Na tela ACP Pre, abra a janela Configuração. Para definir as propriedades do ply, acesse a pasta Dados materiais. Dentro dele, clique com o botão direito do mouse em Tecidos e prossiga selecionando Criar tecido.
Na janela que se abre, defina o material. Em seguida, atribua a espessura prepreg. Em seguida, clique com o botão direito do mouse em Stackups e siga isso selecionando Criar Stackup.
Na nova janela, defina a sequência de empilhamento sub-laminado indo para o menu suspenso do Fabrics e fazendo as seleções necessárias para o projeto. Passe para a opção de pasta Rosettes e clique com o botão direito do mouse nela para criar uma roseta. Na janela, clique em Origem e mude-se para o modelo de mola.
Lá, clique ao longo do eixo mola da folha para definir as coordenadas locais do elemento. Feche a janela para completar a tarefa. Vá para clicar com o botão direito do mouse na pasta Set de seleção orientada e escolha criar um conjunto de seleção.
Para um conjunto de elementos, selecione primeiro as entradas e o ponto. Na geometria, clique em um ponto arbitrário para definir a origem. Além disso, sob Rosettes, atribua a rosetta apropriada.
Faça isso para cada um dos conjuntos de elementos. Neste ponto, abra a pasta Grupos de Modelagem. O grupo de modelagem definido aparece.
Para criar um grupo de modelagem, clique com o botão direito do mouse na pasta e escolha Criar grupo de modelagem. Na nova janela, clique em OK. Clique com o botão direito do mouse no novo grupo e selecione Criar Ply. Defina um conjunto de seleção orientado, material ply e o número de camadas para cada ply.
Repita esta etapa para cada grupo de plies para definir a sequência completa de empilhamento. Feche a janela ACP. Da caixa de ferramentas, arraste a análise estrutural estática para o espaço de trabalho.
Em seguida, arraste a configuração pré-configuração do ACP para o modelo em estrutural estática e selecione Transferir dados compostos sólidos. Clique duas vezes no Modelo em Estrutura Estática. Agora, aplique simetria e condições de limite de restrição.
Clique com o botão direito do mouse em Estrutura Estática e selecione Inserir, seguido de Deslocamento. Em seguida, selecione a superfície restrita da geometria. Restringir os componentes apropriados definindo-os como zero.
Siga o mesmo procedimento para a força. Verifique se as simmetrias desejadas são respeitadas. Clique em Resolver para resolver o modelo como elástico linear.
No Projeto Esquema, vá para a caixa de ferramentas e arraste o Post ACP para o Modelo sob ACP Pre. Arraste a solução estrutural estática para os resultados sob o posto ACP. Em seguida, clique duas vezes em Resultados sob O Post ACP.
Para criar critérios de falha, clique com o botão direito do mouse no menu Definição e escolha Criar critérios de falha. Na janela que abre, selecione Hashin como critério de falha. Selecione Configurar e definir a dimensão do modo de falha para 3D.
OK as alterações para retornar à tela inicial. Agora, clique com o botão direito do mouse no menu 'Criar' para selecionar Criar falha. Na nova janela, selecione os critérios de falha desejados.
Além disso, confira o show na caixa De Sólidos. OK as alterações antes de clicar no símbolo relâmpago para avaliar os resultados dos critérios de falha. Para a simulação de um acidente, desenvolva um modelo CAD completo do veículo.
O modelo deve incluir todos os principais componentes, sistemas de direção e suspensão, bateria, bancos, gaiola de rolo e monocoque. A partir deste modelo CAD, crie um modelo de meio carro para explorar a simetria bilateral, a fim de otimizar os cálculos. Inicie um novo projeto no software de simulação de elementos finitos ANSYS.
Em Toolbox, Sistemas de Análise, vá para A Dinâmica Explícita. Arraste-o para o Projeto Esquema. No novo elemento, clique duas vezes em Dados de Engenharia.
Na nova aba, em Materiais, adicione novos materiais e nomeie-o em conformidade, Fibra de Carbono neste caso. Arraste as propriedades necessárias do material da árvore caixa de ferramentas. Em Valores, insira valores obtidos anteriormente, incluindo suas unidades apropriadas.
Retorne à guia Projeto Esquema. Em seguida, em Dinâmica Explícita, clique com o botão direito do mouse na Geometria para selecionar Geometria de Importação. Clique em Procurar e carregue o arquivo STP com o modelo de meio carro no ambiente do modelo.
O arquivo também inclui a barreira para o teste de colisão. Dentro da árvore do Projeto, selecione Malha. Em Detalhes de Malha, vá para a Preferência de Física.
Defina o valor para Explícito. Então, vá para Element Midside Nodes. Defina seu valor para Drop.
Abaixo, em Dimensionamento, vá para a Função de Tamanho e, a partir daí, selecione Curvatura. Passe para o Centro de Referência e selecione Médio. Ajuste o tamanho mínimo do elemento em seis milímetros.
Escolha o tamanho máximo do elemento para ser de 30 milímetros. Agora, em Project, defina as condições de limite de restrição clicando com o botão direito do mouse na Dinâmica Explícita. Selecione Inserir e, em seguida, Suporte Fixo para definir a barreira rígida para uma colisão.
Escolha como a barreira deve ser consertada. Em seguida, selecione a barreira e aplique a escolha. Retorne ao clique com o botão direito do mouse em Dinâmica Explícita e selecione Inserir, seguido de Deslocamento.
Aplique as alterações. Altere o eixo Z de livre para o valor constante de zero. Na parte superior da janela, clique em Resolver.
Aqui está um mapa de amostra mostrando os deslocamentos do chassi resultante de uma aceleração 5G para trás. Este mapa pode ser usado para avaliar a rigidez estrutural em um estágio inicial de projeto. Esta é a geometria otimizada da mola da folha.
A análise do elemento finito da geometria permite o cálculo do índice de falha de acordo com os critérios de falha de Hashin. Também pode determinar o estresse no estigma de uma direção na superfície externa da folha, ao longo de sua direção principal. O modelo numérico é validado usando um modelo de escala testado para fratura.
Este vídeo permite apreciar a evolução do estresse no veículo durante um impacto modelado de 60 quilômetros por hora. Um mapa de estresse amostral fornece um meio de avaliar a integridade do veículo, ajudando a identificar possíveis pontos de falha que possam prejudicar os passageiros. Um mapa de deslocamentos a partir da análise de elementos finitos para a mesma velocidade de impacto revela que o maior ocorre na frente do veículo e nas barras de gaiola de rolo que estão presas aos bancos.
Eles são uma opção adequada de reprodução de estruturas compostas, pois podem simular a rigidez de dobra dos corpos de parede fina com malha mais simples do que os elementos sólidos. Por outro lado, na mola da folha, onde as tensões locais não podem ser apreciadas pelo modelo analítico, são avaliadas pelo método de elemento finito, e as camadas compostas da folha são modeladas pelos elementos de tijolo. É importante notar que, durante os eventos de colisão, a deformação do monocoque é mínima, e nenhum componente penetra o outro.
Portanto, é possível dizer que o design do veículo é seguro. Diferentes modelos americanos servem para a otimização estrutural de um veículo movido a energia solar. O veículo provou ser eficiente e venceu o American Solar Challenge 2018 em sua categoria.
