Name: structural design and manufacturing of a cruiser class solar vehicle
Uploaded: 2019-01-30T13:00:00
Duration: 14 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle at JoVE.com

Forfatterne vil gerne takke alle medlemmerne af Onda Solare Sport Association (www.ondasolare.com) for deres væsentlige støtte og Marko Lukovic der var den æstetiske designer af krydseren. Denne forskningsaktivitet blev realiseret med støtte af den Europæiske Union og i regionen Emilia-Romagna inde i POR-FESR 2014-2020, akse 1, forskning og innovation.

<ol>
	<li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Popular Mechanics Magazine. 104 (3), (1955).</li><li>Thacher, E. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A Solar Car Primer, A Guide to the Design and Construction of Solar-Powered Racing Vehicles. , (2015).</li><li>Minak, G., Fragassa, C., de Camargo, F. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+brief+review+on+determinant+aspects+in+energy+efficient+solar+car+design+and+manufacturing.">A brief review on determinant aspects in energy efficient solar car design and manufacturing.</a> Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 847-856 (2017).</li><li>Tamura, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Teijin+advanced+carbon+fiber+technology+used+to+build+solar+car+for+world+solar+challenge.">Teijin advanced carbon fiber technology used to build solar car for world solar challenge.</a> Reinforced Plastics. 60, 160-163 (2016).</li><li>Kin, W. D., Kruger, S., van Rensburg, N. J., Pretorius, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+assessment+of+aerodynamic+properties+of+a+solar+vehicle.">Numerical assessment of aerodynamic properties of a solar vehicle.</a> ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , (2013).</li><li>Betancur, E., Mej&#237;a-Guti&#233;rrez, R., Osorio-G&#243;mez, G., Arbelaez, A., Eynard, B., Nigrelli, V., Oliveri, S. M., Peris-Fajarnes, G., Rizzuti, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+structural+parts+for+a+racing+solar+car.">Design of structural parts for a racing solar car.</a> Advances on Mechanics, Design Engineering and Manufacturing. Proceedings of the International Joint Conference on Mechanics, Design Engineering &#38; Advanced Manufacturing (JCM 2016, 14-16 September, 2016, Catania, Italy). , 25-32 (2017).</li><li>Joost, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+vehicle+weight+and+improving+U.S.+energy+efficiency+using+integrated+computational+materials+engineering.">Reducing vehicle weight and improving U.S. energy efficiency using integrated computational materials engineering.</a> Journal of the Minerals, metals, and Materials Society. 64, 1032-1038 (2012).</li><li>Paterson, G., Vijayaratnam, P., Perera, C., Doig, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+development+of+the+Sunswift+eVe+solar+vehicle:+a+record-breaking+electric+car.">Design and development of the Sunswift eVe solar vehicle: a record-breaking electric car.</a> Journal of Automobile Engineering. 230, 1972-1986 (2016).</li><li>Betancur, E., Fragassa, C., Coy, J., Hincapie, S., Osorio-G&#243;mez, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerodynamic+effects+of+manufacturing+tolerances+on+a+solar+car.">Aerodynamic effects of manufacturing tolerances on a solar car.</a> Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 868-876 (2017).</li><li>de Kock, J. P., van Rensburg, N. J., Kruger, S., Laubscher, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerodynamic+optimization+in+a+lightweight+solar+vehicle+design.">Aerodynamic optimization in a lightweight solar vehicle design.</a> ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , 1-8 (2014).</li><li>Sancraktar, E., Gratton, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design,+analysis,+and+optimization+of+composite+leaf+springs+for+light+vehicle+applications.">Design, analysis, and optimization of composite leaf springs for light vehicle applications.</a> Composite Structure. 44, 195-204 (1999).</li><li>de Camargo, F. V., Fragassa, C., Pavlovic, A., Martignani, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+the+suspension+design+evolution+in+solar+cars.">Analysis of the suspension design evolution in solar cars.</a> FME Transactions. 45 (3), 394-404 (2017).</li><li>Hurter, W. S., van Rensburg, N. J., Madyira, D. M., Oosthuizen, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Static+analysis+of+advanced+composites+for+the+optimal+design+of+an+experimental+lightweight+solar+vehicle+suspension+system.">Static analysis of advanced composites for the optimal design of an experimental lightweight solar vehicle suspension system.</a> ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , (2014).</li><li>de Camargo, F. V., Giacometti, M., Pavlovic, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+the+energy+efficiency+in+solar+vehicles+by+using+composite+materials+in+the+front+suspension.">Increasing the energy efficiency in solar vehicles by using composite materials in the front suspension.</a> Smart Innovation, Systems and Technologies. 68, 801-811 (2017).</li><li>Mathijsen, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Redefining+the+motor+car.">Redefining the motor car.</a> Reinforced Plastics. 60, 154-159 (2016).</li><li>Liu, Q., Lin, Y., Zong, Z., Sun, G., Li, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lightweight+design+of+carbon+twill+weave+fabric+composite+body+structure+for+electric+vehicle.">Lightweight design of carbon twill weave fabric composite body structure for electric vehicle.</a> Composite Structures. 97, 231-238 (2013).</li><li>Gay, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Composite Materials: Design and Applications. , (2014).</li><li>Poodts, E., Panciroli, R., Minak, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+rules+for+composite+sandwich+wakeboards.">Design rules for composite sandwich wakeboards.</a> Composites Part B: Engineering. 44 (1), 628-638 (2013).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> ASTM D7264. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , (2015).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> ASTM D2344. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. , (2015).</li><li>Rondina, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+full+carbon+wheels+for+sport+cars+with+high-volume+technology.">Development of full carbon wheels for sport cars with high-volume technology.</a> Composite Structures. 192, 368-378 (2018).</li><li>Sodena, P. D., Kaddourb, A. S., Hinton, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recommendations+for+designers+and+researchers+resulting+from+the+world-wide+failure+exercise.">Recommendations for designers and researchers resulting from the world-wide failure exercise.</a> Composites Science and Technology. 64, 589-604 (2004).</li><li>Zenkert, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Introduction+to+Sandwich+Construction.">An Introduction to Sandwich Construction.</a> Engineering Materials Advisory Services Ltd. , (1995).</li><li>Barbero, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Finite Element Analysis of Composite Materials Using AbaqusTM. , (2013).</li><li>Hashin, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Failure+Criteria+for+Unidirectional+Fiber+Composites.">Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites.</a> Journal of Applied Mechanics. 47 (2), 329-334 (1980).</li><li>Yu, W. J., Kim, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+Tapered+FRP+Beam+for+Automotive+Suspension+Leaf+Spring.">Double Tapered FRP Beam for Automotive Suspension Leaf Spring.</a> Composite Structures. 9, 279-300 (1988).</li><li>Shokrieh, M. M., Rezaei, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+and+optimization+of+composite+leaf+spring.">Analysis and optimization of composite leaf spring.</a> Composite Structures. 60, 317-325 (2003).</li><li>. Composite leaf springs: Saving weight in production Available from: <a target="_blank" href="https://www.compositesworld.com/articles/composite-leaf-springs-saving-weight-in-production-suspension-systems">https://www.compositesworld.com/articles/composite-leaf-springs-saving-weight-in-production-suspension-systems</a> (2014)</li></ol>

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Fra tabel 1er det muligt at lægge mærke til at de enkelt lameller ikke er symmetrisk, mens hele sandwich er. Dette er på grund af nødvendigheden af at have både mindst antal lag, den teknologiske minimum og de ønskede mekaniske egenskaber.
På den ene side, afsnittet markeret som 1/1b, 2, 3 i figur 7 er ansvarlig for de samlede mekaniske egenskaber, at orienteringen af højstyrke forstærkning envejs ply Hovedforskellen mellem dem. På anden siden, afsnittene markeret som A, B, C og D er ændret for at tage hensyn til de koncentrerede belastninger af systemernes suspension og passagerernes pladser, på grund af tilstedeværelsen af bladfjedre.
Finite element model, der anvendes til analyse af den sammensatte chassis er baseret på en shell topologi. Shell elementer er en egnet mulighed for reproducering kompositkonstruktioner, som de har tendens til at fange den bøjning stivhed af tyndvæggede organer med væsentligt enklere masker end faste elementer. På den anden side bør ty til kontinuum shell eller solid elementer overvejes, når modellering tykke sandwich strukturer eller regioner med stejle stress forløb; en sammenlignende diskussion om shell og kontinuum shell elementer tilbydes24,25.
Hovedformålet med den statiske analyse er bekræftelsen af, stivhed og styrke struktur opfylder kravene. Stivhed krav håndhæves direkte ved at sikre, at deformationen af køretøjet under hver belastning sag er inden for rammerne af forordningerne (dvs.ingen del af køretøjet trænger ombordværende værelse). Vurdering af strukturens styrke er baseret på vurderingen af Hashins skade26 af de sammensatte lag; nemlig skal Hashins parametre være strengt mindre end 1. Som forskellige skadelige tilstande bidrage til global manglende composite laminat, kumulative skader kriterier (f.eks.Hashin's) anbefales; maksimale stress kriterier kunne være egnet til metalliske komponenter.
Litteraturen har foreslået forskellige løsninger for design optimering af letvægts komposit bladfjedre, men de fleste af dem Tilslut kun et enkelt hjul27,28 (ingen antiroll kapacitet) eller er kun egnet til infusion skimmel teknologi (dobbelt-koniske)29. Design af bladfjeder her forelagt er begrænset apriori af prepreg laminering processen, som tillader ikke en dobbelt-koniske designløsning men garanterer høj materielle styrke og pålidelighed.
Det innovative aspekt af bladfjeder er den funktionelle integration af to komponenter i en (foråret og den antiroll bar) og den største fordel er den masse reduktion. Desuden, takket være den foreslåede analytiske model, det er muligt at yderligere reducere massen og få den optimale geometri hurtigt for sæt maksimal belastning og forskydning.
De lokale spændinger og ud-af-flyet dem, som ikke kan blive værdsat af den analytiske model, er evalueret af finite element-metoden, og bladfjeder sammensatte enkelt lag er modelleret med mursten elementer. Denne løsning er beregningsmæssigt tungere end ved hjælp af skaller, men giver i kombination med Hashin, 3D-manglende kriterier til at forudsige delaminering forårsaget af ud-af-flyet belastninger, som er et kritisk aspekt af bladfjeder design. Endelig, de analytiske og numeriske modeller for udformningen af bladfjeder er valideret af en eksperimentel test på en skaleret bladfjeder.
Vedrørende crashtest, relativt ophøjet fordrivelse af roll bur, selvom det ikke repræsenterer en anledning til bekymring, er hovedsagelig tilskrives layout af sin front bar. Sin noncurved form og den akutte måde, hvor det er placeret, med ingen kurver og på en skarp vinkel med slagretningen, er ansvarlig for at overføre de fleste af den energi, der skal optages af chassis til roll bur, som har et særskilt strukturelle mål . Derfor skubbes roll bur til den bageste del af køretøjet, forårsager en forhøjet stress på sin vedhæftet fil regioner til sæder. Det er vigtigt at bemærke, at på trods af enhver sikkerhed funktioner, der kan være potentielt forbedres, den minimale deformation af monocoque og det faktum, at ingen komponenter gennemtrænges/perforeret andre gør det klart design af køretøjet anses sikker med hensyn til dens kollisionssikkerhed.
Derfor, den strukturelle design af køretøjet som helhed anses for at er blevet optimeret med hensyn til materialeforbrug, hvor omfattende beregning viste i protokollen er afgørende for udformningen af en monocoque og blad fjedre, der blev skræddersyet til at være lys og præsentere en forbedret mekanisk ydeevne. Desuden gennem en numerisk crash test simulation, køretøjets konstruktion bevist, at den er købedygtig med held modstå den dynamik, der udledes af en full-frontal virkning i betragtning af den gennemsnitlige hastighed af bilen på sin optimale energiske effektivitet.

En solar bil er en sol-drevne køretøj, der anvendes for landtransport. Den første sol bil blev præsenteret i 1955: det var en lille 15-tommer model, der består af 12 selen fotovoltaiske celler og en lille elmotor1. Siden den vellykkede demonstration, har store indsats gjort på verdensplan at bevise gennemførligheden af sol-bæredygtig mobilitet.
Design af en solvarme køretøj2 er alvorligt begrænset af mængden af energi input ind i bilen, som er ret begrænset i almindelige betingelser. Nogle prototyper er designet til offentlig brug, selv om ingen biler, primært drevet af solen er kommercielt tilgængelige. Faktisk, synes solar biler langt fra en fælles anvendelse i hverdagen givet deres nuværende begrænsninger, navnlig med hensyn til pris, sortiment og funktionalitet. På samme tid, de repræsenterer en gyldig prøvebænk for udviklingen af nye metoder, på indholdet af både design og fremstilling, kombinerer teknologi, der typisk anvendes i avancerede industrielle sektorer såsom rumfarts-, alternativ energi, og Automotive. Derudover er de fleste sol biler blevet bygget med henblik på solar bil løb, udbasuneret begivenheder rundt omkring i verden, hvor deltagerne er hovedsagelig universiteter og forskningscentre, der praleri forskning af optimale løsninger til hver teknisk problem. Især har arrangørerne af de vigtigste konkurrencer (fxWorld Solar Challenge) vedtaget en strategi for udvikling af de race regler, der har til formål at bringe disse ekstreme køretøjer så tæt som muligt til de mere traditionelle transportmiddel. Specifikt, efter mange år som køretøjerne blev single-seaters og designet til at rejse ruten som hurtigt som muligt, emergent kategori af cruiser køretøjer har været for nylig indført og udviklet til effektiv transport af flere passagerer.
For disse køretøjer, er de tekniske krav blevet endnu strengere. Faktisk, ikke kun har at sikre den maksimale energieffektivitet, men de skal også overholde mere komplekse tekniske betingelser i forbindelse med forskellige funktionaliteter. For eksempel, gør mulighed for at transportere et større antal ombordværende det vanskeligere at garantere sikkerhed og drivability. Bestræbelse er gjort mere kompliceret på grund af den samlede vægt stigning og behovet for at indsætte en meget større batteri, mens indre rum skal reduceres, gør positionering af mekanik vanskeligt.
En ny designfilosofi skal gribes, herunder en anderledes vision for materielle anvendelse og fremstilling. For det første, materialer skal vælges baseret på det højeste styrke / vægt-forhold, og som en direkte konsekvens, carbon-forstærket fiber plast repræsenterer en optimal løsning. Derudover gennemføres konkrete krigslist i design.
I denne artikel, er de procedurer, der er ansat til at designe nogle af de vigtigste strukturelle dele af køretøjets sol som sin monocoque chassis, suspension, og endda en beregningsmæssige crashtest afbildet. Den endelige omfang er at opnå hurtigt en solar køretøjet med mindst mulig vægt, i en byttehandel med aerodynamik og race regler.
Naturligvis, søgen efter det optimale materiale med hensyn til forholdet mellem modstand og vægt er begrænset af teknologi ansat, som er den autoklave støbning af CFRP pre-pregs. Formålet med de valgte metoder er hurtig bestemmelse af de optimale materialevalg ply typologi inden for en begrænset række muligheder og oplægning. I virkeligheden, designe med kompositmaterialer indebærer den samtidige valg af sektioner geometriske egenskaber, det bestemte materiale og den passende teknologi (at i sagen forelagt her, var fast besluttet på forhånd, som det ofte sker).
Flere berømte langdistance ydeevne konkurrencer for sol elektriske køretøjer er blevet afholdt over hele verden i de sidste årtier, der involverer top-rang universiteter og forskningscentre, der er de vigtigste fremme agenter for udviklingen af en sådan mobilitet teknologi. Konkurrenceevne, der kører i feltet forskning i alliance med intellektuel ejendomsret grænser er imidlertid en alvorligt begrænsende faktor for udbredelse af viden om sagen. For derfor litteraturgennemgang på solar bil design konti for par (og nogle gange forældede) referencer, selv når hele forsker er baseret på dette syn3, hvilket er hvorfor realiseringen af værker som nuværende opfordres.
Uafhængigt af hvilket aspekt af bilens design forbedres, en fælles mål er altid rettet mod: opnåelse af større energieffektivitet. Produktive ændringer i design er altid ikke baseret på banebrydende teknologier, som de kan være alene baseret på mekanik som sænke tyngdepunktet af køretøjet til at øge sin stabilitet, (hvilket er særlig vigtigt for konkurrencer afholdt i ørkenen regioner4 på grund af side Vind Vindstød5) eller reducere vægten af køretøjets dele6-af som en 10% af samlet vægtreduktion i elbiler kan udlede op til 13,7% i energibesparende7. Grundig energi forvaltningsstrategier er også almindeligt anvendt i race begivenheder til at sikre den bedste mulige ydeevne, hvor spændende maksimale hastigheder på 130 km/h og enkelt afgifter, der holder i mere end 800 km kan fås i cruiser-klasse biler8.
Undersøgelse af køretøjets aerodynamik5,9,10 er vigtigt at forsikre lidt modstand fra luften og glathed under kørsel, hvor de vigtigste aspekter skal kontrolleres er en reduktion af træk koefficienten Tillad bilen til at flytte, mens du bruger mindre energi og lift-koefficienten, der skal holdes negative at sikre at bilen er sikkert og stabilt fastgjort til jorden, selv ved højere hastigheder.
Et andet vigtigt parameter at være designet er affjedringssystem, der generelt anvendes i almindelige køretøjer med de eneste formål at levere komfort, stabilitet og sikkerhed, men i solar biler skal det også være lys. Dette vigtige aspekt er blevet undersøgt siden 199911 i undersøgelser, hvor glasfiber bladfjedre og mere for nylig, med kulfiber12 som, når de anvendes til at udgøre wishbone links13, har vist sig for at give ikke kun vægt reduktion, men også en forbedret sikkerhedsfaktor. Selv om double-wishbone suspensioner utvivlsomt mere ofte bruges i solar biler14, finder den nuværende undersøgelse en tværgående bladfjeder bygget med kulfiber, for det er en enklere og lettere bæresystem med reduceret uaffjedrede vægt.
Med hensyn til fremstilling af chassis, bygning af en selvbærende struktur lavet af carbon fiber har vist sig for at give en betydelig præstation fordel, at blive en uundværlig design begrænsning for den mest fremtrædende eksisterende4,8 ,15 solar bil hold. Brugen af carbon fiber er afgørende for gennemførelsen af køretøjet, gør det muligt teams til at bygge køretøjer, hvor hver enkelt af de strukturelle komponenter (eller forskellige dele af den samme struktur som i kabinettet) har en optimal mængde af fibre lag i beregnet retningslinjer. For at, i dette arbejde, materiale egenskaber er blevet vurderet gennem standardiseret eksperimentelle test, såsom tre-punkts bøjning test og interlaminar shear styrkeprøve (ILSS).
For at sikre formstabilitet under kuren cyklus, er opbygningen generelt lavet med vakuum sække og autoklave molding4 på kulfiber forme, som i deres tur er lamineret på netop sleben high-density skum eller aluminium mønstre. Fleste af delene består af sandwich strukturer (dvs.med fibre på huden og ekstremt letvægts kerne materialer, der tjener til at tilskrive den bøjning modstand til composite transporterer en ekstremt lav vægt). Kulfiber er derudover også fordelagtigt for at tilbyde højere vibrationelle sikkerhedsniveauer mod resonans fænomener12.
Målet er at attestere passagersikkerheden i crash begivenheder, indebære crashtest normalt tidskrævende og uøkonomisk, eksperimenterende og destruktive test med prøven køretøjer. En nyere tendens, der få enorme popularitet er computer-simuleret crash test, hvor disse simuleringer undersøge bil ombordværendes sikkerhed under forskellige slags virkninger (f.eks.fuld frontal, offset frontal, side indvirkning og roll over) . Betragtning af betydningen af udføre en crash-analyse på et vejkøretøj og muligheden for at gøre det gennem numerisk modellering, denne undersøgelse sigter mod at identificere de mest kritiske områder af solar køretøjet, hvad angår både maksimale stress og deformation, for at muliggøre en hypotese om forbedring af strukturen.
Numeriske crashtest på Sol køretøjer hermed foretages er uden fortilfælde. I betragtning af manglen på bibliografi om forskning og de specifikke bestemmelser for denne innovative solar bil tilgang, en tilpasning, der anser virkningen af køretøjet på en stiv hindring med sin gennemsnitshastighed blev antaget. For at, geometri modellering af køretøjet og simulation (herunder mesh forfatning og simulation set-up) er blevet gennemført på forskellige passende software. Brugen af kulfiber for køretøjets struktur er også begrundet i dens kollisionssikkerhed adfærd, som har allerede vist sig at være højere end i andre materialer, såsom glas fiber kompositter, på crashtest af elbiler16.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>CFRP Twill T300 200g/m^2</td>
			<td>Impregantex</td>
			<td>GG 204T2 IMP 503Z 46%</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CFRP UD STS 150g/m^2</td>
			<td>DeltaPreg</td>
			<td>STS-150 - DT150 - 36%</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CFRP UD M46J 150g/m^2</td>
			<td>Cytec</td>
			<td>MTM49-3 M46J (12K) 36%</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CFRP UDT1000 150</td>
			<td>Cytec</td>
			<td>X01 - 36% T1000 (12K)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Honeycomb</td>
			<td>DuPont</td>
			<td>Nomex 9-14 mm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal Testing Machine (UTM)</td>
			<td>Instron</td>
			<td>Instron 8033 250 kN</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEM</td>
			<td>Ansys</td>
			<td>Ansys 18</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Numerical computing Enviroment</td>
			<td>Matworks</td>
			<td>Matlab R2018a</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

structural design and manufacturing of a cruiser class solar vehicle

Krydsere er multi beboer soldrevne køretøjer, der er udtænkt til at konkurrere i langtrækkende (over 3.000 km) sol løb baseret på det bedste kompromis mellem energiforbruget og nyttelast. De skal overholde den race regler vedrørende de samlede dimensioner, solar panel størrelse, funktionalitet, og sikkerhed og strukturelle krav, mens form, materialer, drivaggregatet, og mekanikerne betragtes skøn af designeren. I dette arbejde, er de mest relevante aspekter af strukturelle designprocessen med en fuld-carbon fiber-forstærket plast solar køretøj detaljerede. Især er de protokoller, der bruges til design af laminering sekvens af chassiset, bladfjedre strukturel analyse og crash test numerisk simulering af køretøjet, herunder sikkerhed bur, beskrevet. Kompleksitet af design metode af fiber-forstærket komposit strukturer der kompenseres ved mulighed for at skræddersy deres mekaniske egenskaber og optimere den samlede vægt af bilen.

Oplægning af de vigtigste Chassis: Det endelige resultat af protokollen er laminering sekvens, også kaldet ply bog. Mens belastning distributioner og diagrammer af bøjning øjeblik og shear force kan bestemmes ved simpel solid mekanik overvejelser, er et centralt punkt i protokollen evaluering af de faktiske materialeegenskaber. I virkeligheden, selv om mange af de mængder, der er nødvendig for den strukturelle designer kan findes på dataarket materielle, kan produktionsfasen og interaktion med andre materialer ændre den mekaniske respons af råvarer. I dette afsnit vises den eksperimentelle set-up for tre-punkts bøjning og ILSS tests (Se figur 5). Fra disse forsøg er det muligt at evaluere bøjning styrken af sandwich lameller og finde en nedre grænse for shear styrken af Nomex kerne; repræsentative stress-forskydning kurver er vist i figur 6 for to forskellige orienteringer af en vævet laminat. ILSS er desuden afgørende for at bestemme resistens over for delaminering i chassis kanter, hvor sandwich bliver en laminat.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig5.jpg"> Figur 5: mekaniske test. Disse paneler viser mekaniske test af (A) tre-punkts bøjning og (B) ILSS. Modellens figur og indladningsforholdene er vist. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig6.jpg"> Figur 6: typisk resultat af tre-punkts bøjning tests. Disse paneler viser typiske resultater af en tre-punkts bøjning test for (A) [0/90]n lag og (B) [± 45]n lag. Understreger beregnes fra belastningen måles ved vejecelle og forskydning er målt af transduceren indlejret i den test maskine. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
I figur 7, er laminering sekvenser, defineret sektor for sektor over formen chassis vist. Detaljeret specifikation af laminering sekvenser er angivet i tabel 1. Tabellen er opdelt i tre faser af autoklave hærdning proces, der er gjort i rækkefølge, først den yderste lamina, derefter Nomex kernen og lim, og endelig den indre lamina.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig7.jpg"> Figur 7: resultat af konstruktionsprocessen. Hvert område er kendetegnet ved en anden oplægning. Tallene og farverne, der definerer de forskellige regioner, hvor chassis struktur er opdelt, se bord 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig7large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">Fase 1</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C</td>
		</tr>
<tr>
<td>FF.</td>
			<td>Sektor</td>
			<td>Vinkel</td>
			<td>n °</td>
			<td>Materiale</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 1.1</td>
			<td>Global</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 1.2 (reinf)</td>
			<td>1</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>2</td>
			<td>90°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>3</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>1b</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 1.3 (reinf)</td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>C</td>
			<td>-45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>C</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>-45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 1.4 (reinf)</td>
			<td>B</td>
			<td>0°</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>EN, D, C</td>
			<td>90°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>EN, D</td>
			<td>90°</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 1,5 (reinf)</td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>D</td>
			<td>90°</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 1,6</td>
			<td>Global</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">Fase 2</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">p = 1,5 bar; t = 2 h; T = 1110 ° C</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 2.1</td>
			<td>Global</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>Selvklæbende film</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 2.2</td>
			<td>1, 2, 3</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>Nomex 14 mm. 32Kg/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 2.3</td>
			<td>1b, D, 0</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>Nomex 9 mm. 32Kg/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 2.4</td>
			<td>Global</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>Selvklæbende film</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">Fase 3</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 3.1</td>
			<td>Global</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 3.2 (reinf)</td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>D</td>
			<td>90°</td>
			<td>3</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 3.3 (reinf)</td>
			<td>EN, D</td>
			<td>90°</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>EN, D, C</td>
			<td>90°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>B</td>
			<td>0°</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 3,4 (reinf)</td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>A, B, C, D</td>
			<td>-45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>C</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>C</td>
			<td>-45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>D</td>
			<td>0°</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 3,5</td>
			<td>1b</td>
			<td>0°</td>
			<td></td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>2</td>
			<td>90°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>1</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 3.6</td>
			<td>Global</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 1: laminering sekvens af chassiset. Denne tabel viser specifikation af oplægning for de forskellige områder af chassis, defineret i figur 7. Det er opdelt i tre forskellige laminering faser, der er gjort i rækkefølge.
Når chassis struktur bestemmes, en titanium roll bur er tilføjet efter den race regler20, og specifikke numeriske test er kørt til at kontrollere modstand af køretøjet som helhed, og for det meste, fravær af indtrængen af nonstructural dele til beboerne. Retninger af effekt-ækvivalent statisk belastninger er vist i figur 8, og i figur 9 tilsvarende deplacement kort kan evalueres. I denne fase bruges kun en skematisk geometri til beregningen, mens den komplette geometri bruges til den endelige kontrol af crashtest.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig8.jpg"> Figur 8: Crash-ækvivalent statisk belastning retninger. Forordninger indlÃ¦ses køretøjets konstruktion af en statisk kraft svarende til 6 g gange den samlede masse i de retninger, der er vist på billedet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig8large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig9.jpg"> Figur 9: kort over de beregnede fordrivelser. Denne figur viser et eksempel på forskydninger beregnet i de tilfælde, der er defineret i figur 8. Forskydningen skal være lavere end 25 mm i nogen region i nærheden af beboerne. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig9large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Bladfjeder: Resultatet af protokollen er optimering af en sammensat tværgående bladfjeder med snitstrækker kapacitet. Dens design har til at opfylde forskellige specifikke krav: en stress under det materiale-tilladte niveau for maksimal belastning, en specifik stivhed og et minimum af vægt. For at opfylde alle disse krav, præsenteres en analytisk optimeringsmodel. Takket være modellen er det muligt at hurtigt opnå optimal geometri og begrebsmæssige oplægning. Nøjagtigheden af modellen er blevet bekræftet af finite element metoden og en eksperimentel test på en 1/5-skaleret bladfjeder. Den skalerede bladfjeder er dobbelt-understøttet på midten (som strækker sig over 100 mm) og indlæses i enderne svarende til hullerne (der spænder over 190 mm) med 1.000 N for hver side. Optimeret geometri og lags-bog af bladfjeder er rapporteret i figur 10 og tabel 2, henholdsvis.
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig10.jpg"> Figur 10: optimeret udsnit af bladfjeder geometri. Denne figur viser geometrien af den skalerede bladfjeder, der er testet for at fraktur for at validere den numeriske model. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig10large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td colspan="6">Autoklave hærdning</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="6">p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C</td>
		</tr>
<tr>
<td>FF.</td>
			<td>Sektor</td>
			<td>Vinkel</td>
			<td>n °</td>
			<td>Tykkelse</td>
			<td>Materiale</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>mm</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td>Slutter 10</td>
			<td>Slutter 10</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Alle 200</td>
			<td>Alle 200</td>
			<td>0°</td>
			<td>#</td>
			<td>1</td>
			<td>UD T1000 100gm/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrale 125</td>
			<td>Centrale 125</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrale 175</td>
			<td>Centrale 175</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Alle 200</td>
			<td>Alle 200</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrale 175</td>
			<td>Centrale 175</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrale 125</td>
			<td>Centrale 125</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Alle 200</td>
			<td>Alle 200</td>
			<td>0°</td>
			<td>#</td>
			<td>1</td>
			<td>UD T1000 100gm/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Slutter 10</td>
			<td>Slutter 10</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 2: laminering sekvens af bladfjeder. Denne tabel viser specifikation af oplægning for de forskellige områder af bladfjeder.
Ifølge den analytiske model, bør bladfjeder har en maksimal forskydning af 12,2 mm og udvikle maksimalt bøjning stress af 970 MPa, konstant mellem de to centrale understøtter.
Finite element analyse som beskrevet i trin 2.7 i protokollen blev udført, og resultaterne er rapporteret i Figur 11. Stress i den vigtigste retning <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/58525/58525eq50.jpg"> på den ydre overflade af bladfjeder langs dens vigtigste akse er afbildet i diagrammet. Det er næsten konstant mellem span og lig med 922 MPa, og derefter falder lineært over belastning ansøgning punkt. Trods <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/58525/58525eq50.jpg"> er langt under den maksimale kompression spænding i materialet (1.450 MPa), 3D-Hashin manglende kriterium afbildet i figur 10 viser en zone med en manglende indeks overstiger 1, som er forårsaget af fiber fiasko (fremhævet med rødt) og er forbundet til en pludselig ændring af geometri for den eksterne UD lags lag, forårsaget af afbrydelse af kernen. Alt imens, er deplacement beregnet af Five på belastning ansøgning punkt 12,8 mm.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig11.jpg"> Figur 11: bøjning numerisk simulering på bladfjeder finite element model. Denne figur viser resultaterne af Five simuleringen på den skalerede bladfjeder Hashin manglende indeks og maksimale vigtigste stress. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig11large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
For at kontrollere pålideligheden af de analytiske og numeriske modeller, som foreslået af proceduren, har den skalerede bladfjeder afprøves eksperimentelt. Resultater, rapporterede i grafen i figur 12, viser en maksimal belastning før brud af 1,980 N (990 N for hver side) med en maksimal forskydning af 15,1 mm. Derfor, i form af maksimale forskydning, analytiske og numeriske model undervurdere det af -19% og -15%, henholdsvis. Interessant, den manglende tilstand og skader placering observeret på den testede model (Figur 11) enig med de numeriske modelresultater.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig12.jpg"> Figur 12: fire-punkts bøjning eksperimentelle test på en skaleret model af bladfjeder. Denne figur viser test set-up og load-forskydning kurven for den skalerede bladfjeder. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig12large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Crash Test: Finite element analyse kan producere realistiske resultater for at støtte ingeniører i forståelsen af køretøjets opførsel under forskellige nedbrud scenarier. I stedet for kører virkelige forhold, er det mere tid-effektive og omkostningseffektive at simulere bilulykker ved hjælp af kommerciel software som ANSYS. De foreliggende resultater er et eksempel på, hvordan disse simuleringer kan bidrage til den automotive engineering samfund.
Discretized finite element model af bilen præsenteret en række elementer og noder med 79950 og 79822, henholdsvis. Som en første betingelse, vedtog det en 60 km/h anslagshastighed, hvor den kinetiske energi af køretøjet faldt i ca 0,3 s (Figur 13), der omdannes til kontakt og indre energi inden for bil-struktur.
<img alt="Figure 13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig13.jpg"> Figur 13: Crash test energi diagrammer. Disse paneler viser crashtest energi diagrammer af (A) kinetisk energi og (B) indre energi. Diagrammerne skildre typisk energi strømme under en crash-hændelse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig13large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Fra prøven stress kort i figur 14A, kan status for køretøjet integritet vurderes. Dette er af afgørende betydning at fastslå mulige skade på sikkerheden for passagerer, som det ville være et potentielt løsnede roll bur bar, udstationering af sæder eller endda en forskydning af styretøjets bar mod føreren. De mest fremtrædende forskydninger i sagen vist i figur 14B består inden for 95 mm rækkevidde, og forekommer både foran i bilen, på grund af chokket, og i de roll bur barer, der er knyttet til sæder.
<img alt="Figure 14" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig14.jpg"> Figur 14: typisk konturerne af maksimale tilsvarende stress og maksimale forskydning i løbet af en frontal crash test. Disse paneler viser (A) tilsvarende stress og (B) forskydningen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig14large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle at JoVE.com

Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

I dette arbejde relateret flere aspekter til strukturelle designprocessen med en fuld-carbon fiber-forstærket plast solar køretøj er detaljerede, med fokus på monocoque chassis, bladfjedre, og køretøjet som helhed under en crash test.

Strukturelle Design og fremstilling af en Cruiser klasse Solar køretøj

Cruisers are multi-occupant solar vehicles that are conceived to compete in long-range (over 3,000 km) solar races based on the best compromise between ...

Krydsere er multi-beboer sol køretøjer udtænkt til at konkurrere i langtrækkende sol løb, der er baseret på det bedste kompromis mellem energiforbruget og nyttelasten. De skal overholde race regler vedrørende den overordnede dimension, sikkerhed, og de mekaniske krav, mens det andet aspekt som form, materialer, drivaggregatet, og mekanikken kan bestemmes af designerne. I dette arbejde, detaljer vi nogle af de mest relevante aspekter af den strukturelle design proces af en fuld-kulfiber-forstærket plast sol køretøj.Den protokol, der anvendes til udformning af chassisets lamineringssekvens, af konstruktionsanalysen for bladfjedre og til simulering af kollisionsprøvning af køretøjet. Kompleksiteten af designmetoden for fiberforstærkede kompositstrukturer kompenseres af muligheden for at skræddersy deres mekaniske egenskaber og optimere bilens samlede vægt. Når du har udviklet et chassisdesign til kandidater, skal du oprette en finite element shell-model.Importer chassisdesignet til software til finite elementmodellering. Vælg fibertypen under Materialer for at definere egenskaberne for en enkelt kulfiberforstærket polymer. Vælg elasticfunktionen.Derfra skal du kontrollere, at de tekniske konstanter er passende. Se derefter Hashin Damage-parametrene. Sørg for, at de har de ønskede værdier.Luk ud af indstilling af materialeegenskaberne. Gå videre til at oprette en sektion med sammensatte layups. Her er hver kulfiber-forstærket polymer lag defineret efter rækkefølge i rækkefølgen, materiale, tykkelse og rotation vinkel.Det næste trin er at vælge Maske for at tildele fordelingen af separate elementer. Kontroller parametrene for global meshfrø. Vælg Elementtype igen under Maske.Vælg derefter et element i modellen. Brug skalelementtypen. Vælg den firdominerede elementfigur.Hvis timeglaseffekterne er ubetydelige, skal du vælge Reduceret integration. Fortsæt med at tildele maskeelementer. Når du er klar til at generere masken, vende tilbage til Mesh og vælge del bekræfte, det vil sige, OK, at mesh den del.Når masken er færdig, under Assembly, oprette en forekomst af chassiset, som belastninger og grænsebetingelser vil blive anvendt. Gå til mappen Trin. Vælg analyseproceduren her.Sørg for, at proceduren er defineret som statisk. Kontroller også, at funktionsmåden for ikke-lineær geometri er slukket. Nu skal du gå til Belastninger for at begynde at anvende de foreskrevne belastninger.Under Body force, indtaste komponenter og fordeling for tyngdekraften eller konstant acceleration. Kraftretningen vises i vinduet med modellen. Dernæst identificere koncentrerede kræfter, såsom dem på grund af beboerne.Kontroller, at de anvendes i de korrekte positioner på rammen. Følg de samme trin for de koncentrerede kræfter på grund af bilbatterierne. Når belastningerne er indstillet, skal du anvende grænsebetingelserne.Overvej chassiset som et understøttet organ, der reageres på af eksterne belastninger, og identificer begrænsningsplaceringerne. Brug fastgjorte grænsebetingelser. Hvis du vil definere outputtet, skal du gå til Feltudgangsanmodninger.Foregred det ønskede valg. Kontroller, at domænet er Sammensat layup. Kontroller derefter, at outputvariablerne er stresskomponenter og invarianter under Belastninger.Kontroller også under Fejl/fraktur. Der bør Hashin-outputdataene vælges. Klik på OK, når du er tilfreds.Start med at oprette et job under Analyse. Navnd jobbet, og definer modellens kilde. Når du har klikket på Fortsæt, skal du tilpasse indstillingerne for computermiljøet, hvis det er nødvendigt.Vælg at udføre en komplet analyse. Når det er fuldført, skal du OK ændringerne i vinduet. Højreklik på det oprettede job, og vælg Send for at køre det.Brug outputtet til at producere en lagsbog til en producent. Designet indeholder en kulfiber tværgående blad foråret for en enkel og let suspension system med reduceret ubesprungne vægt. Bladfjederdesignet skal evalueres som en del af den samlede proces.Simuler et optimeret bladfjederdesign i ANSYS Workbench finite element simulatoren. Klik på Tekniske data i ACP Pre. Vælg derefter fanen Tekniske datakilder.Gå til mappen Sammensatte materialer, og importer standardmaterialeegenskaberne for kul, ensrettet og vævet prepregs. Når du er færdig, skal du lukke fanen Tekniske datakilder. Dernæst skal du højreklikke på Geometri.Højreklik derefter på Importgeometri. Vælg Gennemse for at finde og vælge den CAD-fil, der repræsenterer en fjerdedel af bladfjederen. Dobbeltklik nu på Model.Når det nye vindue vises, vises bladfjedersegmentet. Vælg filen under Model. Tildel en vilkårlig overfladetykkelse under Egenskaber for Grafik.Højreklik på Model for at vælge Indsæt og derfra Navngivet markering. Brug denne funktion til at definere en layup-zone ved at klikke på det fremhævede geometrifelt, vælge et område i modellen og anvende den. Gentag dette for hver zone, der kræves til modellen.Når du er færdig, skal du højreklikke på Mesh. Klik derefter på Generer maske for at generere standardmasken. Luk vinduet Mekanisk for at fortsætte.Åbn vinduet Opsætning på skærmbilledet AVS-præ. Hvis du vil definere lagens egenskaber, skal du gå til mappen Materialedata. Inden for det, højreklik på Stoffer, og fortsæt ved at vælge Opret Stof.Definer materialet i det vindue, der åbnes. Tildel derefter fortykkelsen. Højreklik derefter på Stackups, og følg dette ved at vælge Opret stackup.I det nye vindue skal du definere den sublaminatstablingssekvens ved at gå til rullemenuen Stoffer og foretage de nødvendige valg til projektet. Gå videre til indstillingen Rosetter mappe, og højreklik på den for at oprette en roset. Klik på Origin i vinduet, og flyt til fjedermodellen.Klik der langs bladfjederaksen for at definere elementets lokale koordinater. Luk vinduet for at fuldføre opgaven. Gå til højreklik på mappen Orienteret markeringssæt, og vælg at oprette et markeringssæt.For et elementsæt skal du først vælge posterne og punktet. I geometrien skal du klikke på et vilkårligt punkt for at definere oprindelsen. Også, under Rosetter, tildele den relevante rosetta.Gør dette for hvert af elementsættene. Åbn mappen Modelgrupper på dette tidspunkt. Den definerede modelgruppe vises.Hvis du vil oprette en modelgruppe, skal du højreklikke på mappen og vælge Opret modelgruppe. Klik på OK i det nye vindue. Højreklik på den nye gruppe, og vælg Opret Ply. Definer et orienteret markeringssæt, lagmateriale og antallet af lag for hvert lag.Gentag dette trin for hver gruppe af lag for at definere den fulde stablingssekvens. Luk AVS-vinduet. Træk Statisk strukturel analyse fra værktøjskassen til arbejdsområdet.Træk derefter AVS-forudopsætning til model i Statisk struktur, og vælg Overfør massive sammensatte data. Dobbeltklik på Model under Statisk struktur. Nu skal du anvende symmetri og begrænsning grænsebetingelser.Højreklik på Statisk struktur, og vælg Indsæt efterfulgt af Forskydning. Vælg derefter geometriens begrænsede overflade. Begræns de relevante komponenter ved at sætte dem til nul.Følg samme procedure for kraften. Kontroller, at de ønskede symmetrier overholdes. Klik på Løs for at løse modellen som lineær elastisk.På projektskemaet skal du gå til værktøjskassen og trække AVS-indlægget til Model under AVS Pre. Træk den statiske strukturelle løsning til Resultater under AVS-indlæg. Dobbeltklik derefter på Resultater under ACP Post.Hvis du vil oprette fejlkriterier, skal du højreklikke på menuen Definition og vælge Opret kriterier for fejl. I det vindue, der åbnes, skal du vælge Hashin som fejlkriterier. Vælg Konfigurer, og angiv dimensionen af fejltilstanden til 3D.OK ændringerne for at vende tilbage til den oprindelige skærm. Højreklik nu på menuen Løsning for at vælge Opret fejl. Vælg de ønskede fejlkriterier i det nye vindue.Markér også afkrydsningsfeltet Vis på faste stoffer. OK ændringerne, før du klikker på lynsymbolet for at evaluere resultaterne af fejlkriterierne. Til simulering af et uheld skal du udvikle en komplet CAD-model af køretøjet.Modellen bør omfatte alle de vigtigste komponenter, styre- og affjedringssystemer, batteri, sæder, rullebure og monocoque. Fra denne CAD-model skal du oprette en halvbilsmodel for at udnytte bilateral symmetri for at optimere beregninger. Start et nyt projekt i ANSYS finite element simulation software.Gå til Eksplicit dynamik under Værktøjskasse, Analysesystemer. Træk den ind i projektskemaet. Dobbeltklik på Tekniske data i det nye element.På den nye fane, under Materialer, tilføje nye materialer og navngive det i overensstemmelse hermed, Kulfiber i dette tilfælde. Træk materialets nødvendige egenskaber fra værktøjskassetræet. Indsæt værdier, der er opnået tidligere, herunder de relevante enheder under Værdier.Gå tilbage til fanen Projektskema. Højreklik derefter på Geometrien under Eksplicit dynamik for at vælge Importer geometri. Klik på Gennemse, og indlæs STP-filen med halvvognsmodellen i modelmiljøet.Filen indeholder også barrieren for crashtesten. Vælg Maske i projekttræet. Under Detaljer om Mesh, gå til Fysik Præference.Angiv værdien til Eksplicit. Gå derefter til Element Midside Nodes. Indstil dens værdi til Faldet.Nedenfor, under Dimensionering, gå til Størrelse Funktion, og derfra vælge Krumning. Gå videre til Referencecenter, og vælg Mellem. Indstil minimumelementstørrelsen til seks millimeter.Vælg den maksimale elementstørrelse til at være 30 millimeter. Angiv nu begrænsningsgrænsebetingelserne under Project ved at højreklikke på eksplicitte dynamikker. Vælg Indsæt og derefter Fast støtte for at definere den stive barriere for en kollision.Vælg, hvordan barrieren skal fastgøres. Vælg derefter barrieren, og anvend derefter valget. Gå tilbage for at højreklikke på Eksplicit dynamik, og vælg Indsæt efterfulgt af Forskydning.Anvend ændringerne. Skift Z-aksen fra fri til den konstante værdi på nul. Øverst i vinduet skal du klikke på Løs.Her er et eksempel kort, der viser forskydninger af chassiset som følge af en 5G tilbage acceleration. Dette kort kan bruges til at vurdere den strukturelle stivhed på et tidligt designstadiet. Dette er den optimerede geometri af bladet foråret.Finite element analyse af geometrien tillader beregning af fejlindekset i henhold til Hashin fejl kriterier. Det kan også bestemme stress i stigmatisering en retning på den ydre overflade af bladet, langs dens vigtigste retning. Den numeriske model valideres ved hjælp af en skalamodel, der er testet til fraktur.Denne video gør det muligt at sætte pris på udviklingen af stress i køretøjet under en modelleret 60-kilometer-per-time indvirkning. Et stresskort til stikprøver giver mulighed for at vurdere køretøjets integritet ved at hjælpe med at identificere mulige fejlpunkter, der kan skade passagererne. Et kort over forskydninger fra finite element analyse for samme indvirkning hastighed afslører den største forekomme på forsiden af køretøjet og i roll bur barer, der er fastgjort til sæderne.De er en passende mulighed for at gengive kompositstrukturer, da de kan simulere bøjningsstivhed af de tynde vægge med enklere mesh end de faste elementer. På den anden side, i bladfjederen, hvor de lokale belastninger ikke kan værdsættes af analysemodellen, evalueres efter den finite elementmetode, og bladkompositlagene modelleres af murstenselementerne. Det er vigtigt at bemærke, at under nedbruddene er deformationen af monocoque minimal, og ingen komponenter trænger ind i den anden.Derfor er det muligt at sige, at konstruktionen på køretøjet er sikkert. Forskellige amerikanske modeller tjener til den strukturelle optimering af en sol-drevne køretøj er blevet vist. Køretøjet viste sig at være effektiv og vandt den amerikanske Solar Challenge 2018 i sin kategori.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Energy Methods

SCIENTISTS IN ACTION

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Gør Record-effektivitet SnS Solceller ved Termisk fordampning og Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Forsøg med Ultrasonic Smøring Ved hjælp af en piezoelektrisk-assisteret Friktionsmåler og optisk profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Digital udskrivning af titandioxid for Dye sensibiliserede solceller

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Monovalent kation doping af CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Til Effektive Perovskite solceller

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

In Situ Overvågning af accelereret ydeevne nedbrydning af solceller og moduler: en Case Study for Cu (i, Ga) Se2 solceller

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass ADG Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

Indendørs eksperimentelle vurdering af effektiviteten og irradians Spot af den akromatisk Doublet på glas (ADG) Fresnel Lens for koncentration af solceller

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is ...

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

En 100 KW klasse anvendes feltet Magnetoplasmadynamic bovpropel

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in CuIn,GaSe2 Thin-film Solar Cells

Fabrikation af robust nanoskala kontakt mellem en sølv Nanowire elektrode og CdS buffer lag i Cu (in, GA) Se2 tynde film solceller

Silver nanowire transparent electrodes have been employed as window layers for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Bare silver nanowire electrodes ...

Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Fabrikation og design af træbaserede højtydende kompositter

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber ...

Crack Monitoring in Resonance Fatigue Testing of Welded Specimens Using Digital Image Correlation

Crack overvågning i resonans træthed afprøvning af svejsede prøver ved hjælp af digital billed korrelation

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It ...