Name: structural design and manufacturing of a cruiser class solar vehicle
Uploaded: 2019-01-30T13:00:00
Duration: 14 min 57 s
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Les auteurs veulent remercier tous les membres de l’Association de Sport de Solare Onda (www.ondasolare.com) pour leur aide précieuse et Marko Lukovic qui fut le concepteur esthétique du croiseur. Cette activité de recherche a été réalisée avec le soutien financier de l’Union européenne et de la région Émilie-Romagne, à l’intérieur de la POR-FESR 2014-2020, l’axe 1, le recherche et l’innovation.

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	<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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Du tableau 1, il est possible de remarquer que les seule laminas ne sont pas symétriques, tandis que le sandwich entier est. Cela est dû à la nécessité d’avoir les deux le moins nombre de plis, le minimum technologique et les propriétés mécaniques désirées.
D’un côté, la section marquée comme 1/1 b, 2, 3 dans la Figure 7 est responsable des propriétés mécaniques dans l’ensemble, étant l’orientation du pli unidirectionnel renforcement de haute résistance, la différence principale entre eux. De l’autre côté, les sections marquées A, B, C et D sont modifiées pour prendre en compte les charges concentrées, des systèmes de suspension et des sièges des passagers, en raison de la présence des ressorts à lames.
Le modèle éléments finis utilisé pour l’analyse du châssis composite est basé sur une topologie à coquille. Éléments de coque sont une option appropriée pour la reproduction des structures composites, car ils ont tendance à capter la rigidité en flexion du corps à parois minces avec des maillages considérablement plus simples que des éléments solides. En revanche, recourir à la coquille de continuum ou éléments solides sont à considérer lors de modélisation de structures sandwich épais ou régions avec des pentes raides stress ; vous trouverez une analyse comparative sur les éléments de coque coque et continuum24,25.
L’objectif principal de l’analyse statique vérifie que la rigidité et la solidité de la structure répondent aux exigences. Exigences de rigidité sont appliquées directement en faisant en sorte que la déformation du véhicule dans chaque cas de charge dans les limites du règlement d’exécution (c.-à-d., aucune partie du véhicule pénètre en salle les occupants). Évaluation de la résistance de la structure repose sur l’évaluation de dommages de Hashin26 des plis composites ; c'est-à-dire les paramètres de Hashin doivent être strictement inférieur à 1. Comme différents modes néfastes contribuent à l’échec global du composite stratifié, l’utilisation de critères de dommages cumulatifs (p. ex., de Hashin) est recommandée ; contrainte maximale critères pourraient être adaptés aux pièces métalliques.
La littérature a proposé diverses solutions pour l’optimisation de la conception de ressorts composites légers, mais la plupart d'entre eux connecter seulement une seule roue27,28 (aucune capacité anti-roulis) ou conviennent uniquement pour moule d’injection technologie (double coniques)29. La conception de la lame de ressort ici présenté est contrainte a priori par le préimprégné laminage des processus, qui ne permet pas une solution de conception conique double mais garantit fiabilité et haute résistance matérielle.
L’aspect novateur de la lame de ressort est l’intégration fonctionnelle des deux composantes dans l’un (le ressort et la barre anti-roulis) et le principal avantage est la réduction de la masse. En outre, grâce au modèle analytique proposé, il est possible de réduire la masse et obtenir la géométrie optimale rapide pour la charge maximale réglée et le déplacement.
Les contraintes locales et celles, qui ne peut être apprécié par le modèle analytique, hors-plan sont évalués par la méthode des éléments finis, et les ressort à lames composite couches sont modélisés avec des éléments de la brique. Cette solution est mathématiquement plus lourde qu’à l’aide de coquilles mais permet, en combinaison avec Hashin, critères d’échec 3D pour prédire la délamination causées par des charges hors du plan, qui est un aspect crucial de la conception de ressort à lames. Enfin, les modèles analytiques et numériques pour la conception de la lame de ressort ont été validés par un test expérimental sur un ressort à lames à l’échelle.
Au sujet de l’essai de collision, le déplacement relativement élevé de la cage de sécurité, même si elle ne représente pas un sujet de préoccupation, est principalement attribuable à la disposition de sa barre frontale. Sa forme noncurved et la manière aiguë dans lequel il est placé, avec pas de courbes et sur un angle aigu avec la direction de l’impact, est responsable de transférer la plupart de l’énergie qui devrait être absorbé par le châssis de la cage de sécurité, qui a un objectif structurel distincte . Pour cette raison, la cage de sécurité est poussée vers l’arrière du véhicule, causant un stress élevé sur ses régions d’attachement aux sièges. Il est important de noter que, en dépit de toute sécurité caractéristiques qui pourraient potentiellement être améliorées, la déformation minime de la monocoque et le fait qu’aucun composant ne pénétré perforée d’autres il ressort que la conception du véhicule est considéré comme sûr au sujet de sa résistance à l’écrasement.
Par conséquent, la conception du véhicule dans son ensemble est considérée ont été optimisés en termes d’utilisation de matériel, où le calcul approfondie a montré dans le protocole est essentiel pour la conception d’une monocoque et les ressorts à lames qui ont été adaptées pour être lumière et de présenter une meilleure performance mécanique. En outre, grâce à un crash numérique test simulation, la structure du véhicule a démontré qu’il était capable de résister avec succès à la dynamique induite par une incidence frontale, compte tenu de la vitesse moyenne de la voiture sur son rendement énergétique optimal.

Une voiture solaire est un véhicule solaire utilisé pour le transport terrestre. La première voiture solaire a été présentée en 1955 : C’était un petit modèle 15 pouces, composé de 12 cellules photovoltaïques de sélénium et un petit moteur électrique1. Depuis cette démonstration réussie, grand s’est efforcé dans le monde entier pour prouver la faisabilité de la mobilité durable-solaire.
La conception d’un véhicule solaire2 est strictement limitée par le montant de l’apport d’énergie dans la voiture, qui est assez limitée dans des conditions normales. Quelques prototypes ont été conçus pour un usage public, bien qu’aucune voiture alimentée principalement par le soleil n’est disponibles dans le commerce. En fait, voitures solaires semblent loin d’une utilisation courante dans la vie quotidienne étant donnée leurs limites actuelles, notamment en termes de coût, la gamme et la fonctionnalité. Dans le même temps, ils représentent un banc d’essai valide pour le développement de nouvelles méthodes, au niveau de la conception et de fabrication, combinant la technologie couramment utilisée dans les secteurs industriels avancés, tels que l’aérospatiale, alternatives énergétiques, et automobile. En outre, la plupart des voitures solaires ont été construites dans le but de courses de voitures solaires, blasonnés événements partout dans le monde, dont les participants sont principalement des universités et centres de recherche qui sont vantent la recherche de solutions optimales pour chaque problème technique. En particulier, les organisateurs des compétitions plus importantes (p. ex., le World Solar Challenge) ont adopté une stratégie de développement du règlement course visant à mettre ces véhicules extrêmes aussi près que possible à la plus traditionnelle moyens de transport. Plus précisément, après de nombreuses années où les véhicules étaient des monoplaces et conçu l’itinéraire comme dès que possible la catégorie émergente des véhicules de type cruiser a été récemment introduit et conçu pour le transport efficace des passagers supplémentaires.
Pour ces véhicules, les prescriptions techniques sont devenus encore plus rigoureuses. En effet, non seulement ont-ils garantir l’efficacité énergétique maximale, mais ils doivent aussi respecter des conditions ingénieries plus complexes liées à des fonctionnalités différentes. Par exemple, la possibilité de transporter un plus grand nombre d’occupants rend plus difficile à garantir les conditions de sécurité et de maniabilité. L’effort est rendu plus compliqué en raison de l’augmentation globale de poids et de la nécessité d’insérer un beaucoup plus grand pack batterie, tandis que les espaces internes doivent être réduites, rendant le positionnement de la mécanique difficile.
Une nouvelle philosophie de conception doit être abordée, y compris une vision différente de l’utilisation de matériel et de fabrication. Tout d’abord, les matériaux doivent être sélectionnés à l’issu de la résistance-poids le plus élevé et, en conséquence directe, plastiques renforcés carbone fibres représentent une solution optimale. En outre, les stratagèmes spécifiques dans la conception doivent être implémentées.
Dans le présent article, sont représentés les procédures employées pour la conception de certains des plus importants éléments structurels du véhicule solaire, comme son châssis monocoque, la suspension et même un essai de collision computationnelle. La portée finale est d’obtenir rapidement un véhicule solaire avec un poids le moins possible, dans un compromis avec les règles d’aérodynamique et de la course.
Évidemment, la recherche pour le matériel optimal en ce qui concerne le rapport entre la résistance et le poids est limitée par la technologie employée, qui est le moulage autoclave de CFRP préimprégnés. Les méthodes sélectionnées vise la détermination rapide du choix du matériau optimal en termes de typologie de plis dans un nombre fini de possibilités et de lay-up. En fait, la conception en matériaux composites implique le choix simultané des propriétés géométriques de la section du matériel spécifique et de la technologie appropriée (que, dans le cas présenté ici, est déterminé a priori, comme cela arrive souvent).
Plusieurs compétitions de renom performance sur de longues distances pour les véhicules électriques solaires ont eu lieu dans le monde entier au cours des dernières décennies, impliquant les meilleurs universités et centres de recherche, qui sont les principaux agents de promotion pour le développement de cette mobilité technologie. Cependant, la compétitivité qui s’exécute dans ce domaine de recherche en collaboration avec les limites de la propriété intellectuelle est un facteur limitant sérieusement pour la diffusion des connaissances en la matière. Pour cette raison, la revue de la littérature sur les comptes de conception solaire voiture des références peu (et parfois dépassées), même lorsque toute recherches reposent sur ce sondage3, qui est pourquoi la réalisation de œuvres comme celui en l’espèce sont encouragés.
Indépendamment de quel aspect de la conception du véhicule est en cours d’amélioration, un objectif commun vise toujours à : la réalisation de la plus grande efficacité énergétique. Les changements productifs dans la conception ne reposent pas toujours sur des technologies de pointe, puisqu’elles peuvent être simplement basées sur la mécanique tels que l’abaissement du centre de gravité du véhicule afin d’augmenter sa stabilité (ce qui est particulièrement importante pour les compétitions organisées dans le désert régions4 en raison du vent de côté des rafales5) ou en réduisant le poids du véhicule pièces6-de qui un 10 % de réduction de poids globale en véhicules électriques peut déduire jusqu'à 13,7 % à7d’économie d’énergie. Stratégies de gestion énergétique approfondie sont aussi couramment utilisées dans les épreuves de course pour assurer les meilleures performances possibles, excitant une vitesse maximale de 130 km/h et frais unique qui durent pendant plus de 800 km où l'on peut obtenir en catégorie cruiser voitures8.
L’étude du véhicule aérodynamique5,9,10 est importante pour assurer le peu de résistance de l’air et de douceur lors de la conduite, où les principaux aspects à contrôler sont une diminution du coefficient de traînée à laisser la voiture pour se déplacer tout en dépensant moins d’énergie et le coefficient de portance qui doit rester négatif pour garantir que la voiture est sans risque et solidement fixée au sol, même à des vitesses plus élevées.
Un autre paramètre important à être conçu est le système de suspension, qui est généralement appliqué dans les véhicules réguliers avec le seul but de fournir le confort, la stabilité et la sécurité, mais dans les voitures solaires, il faut aussi lumière. Cet aspect important a été exploré depuis 199911 dans les études impliquant des ressorts à lames en fibre de verre et, plus récemment, avec la fibre de carbone12 qui, lorsqu’il est utilisé pour constituer le wishbone liens13, s’est avéré non seulement le poids réduction, mais aussi un facteur d’amélioration de la sécurité. Bien que le double triangle suspensions sont sans aucun doute plus souvent utilisées dans la voitures solaires14, la présente étude considère un ressort à lames transversal construit avec fibre de carbone, car il est un système de suspension plus simple et plus léger avec un poids non suspendu réduit.
En ce qui concerne la fabrication du châssis, la construction d’une structure monocoque en fibre de carbone s’est avéré d’accorder un avantage de performance significative, étant une contrainte de conception indispensable pour les plus importants existant4,8 ,15 équipes de la voiture solaire. L’utilisation de fibre de carbone est indispensable à l’exécution du véhicule, ce qui permet aux équipes de construire des véhicules où chacune des composantes structurelles (ou différentes parties de la structure même, comme dans le châssis) possède une quantité optimale de fibres en couches dans calculé orientations. Pour cela, dans cet ouvrage, le matériau propriétés ont été évaluées par le biais normalisé les tests expérimentaux, tels que l’essai de flexion trois points et l’essai de résistance (se) de résistance au cisaillement interlaminaire.
Pour assurer la stabilité dimensionnelle pendant le cycle de traitement, la construction est généralement faite avec les sacs rétractables sous vide et autoclave4 dans des moules en fibre de carbone qui, à leur tour, sont revêtus sur mousse haute densité usiné avec précision ou de profils d’aluminium de moulage. La majorité des pièces est constituée par une structure "sandwich" (c'est-à-dire, avec des fibres de la peau et les matériaux de base extrêmement léger qui servent à attribuer la résistance flexion pour le composite portant un poids extrêmement faible). En outre, fibre de carbone est également avantageuse pour offrir des niveaux plus élevés de vibration de sécurité contre les phénomènes de résonance12.
Visant à certifier la sécurité des passagers dans les événements de crash, crash-tests impliquent généralement des tests fastidieux et peu rentables, expérimentales et destructrices avec des échantillons. Une tendance récente qui gagne en popularité immense est simulés par ordinateur crash tests, où ces simulations enquêter sur la sécurité des occupants de la voiture au cours de différents types d’impacts (p. ex., frontale, décalage impact frontal, latéral et au renversement du) . Compte tenu de l’importance d’effectuer une analyse de panne sur un véhicule routier et la possibilité de le faire par le biais de la modélisation numérique, la présente enquête vise à identifier les domaines les plus critiques du véhicule solaire, en ce qui concerne les deux contrainte maximale et déformation, afin de permettre une hypothèse d’amélioration de la structure.
L’essai de collision numérique sur véhicules solaires effectués par les présentes est sans précédent. Compte tenu de l’absence de bibliographie de la recherche et les règlements spécifiques à cette approche innovante voiture solaire, une adaptation qui tient compte de l’impact du véhicule sur un obstacle rigide à sa vitesse moyenne a été estimée. Pour cela, la modélisation de la géométrie du véhicule et la simulation (maille constitution et simulation montage y compris) ont été menées sur différents logiciels appropriés. L’utilisation de fibre de carbone pour la structure du véhicule est également justifiée par son comportement de résistance à l’écrasement, qui a déjà été démontré d’être supérieur à celui des autres matériaux, tels que les composites de fibre de verre, sur des essais de collision de véhicules électriques16.

<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

Croiseurs sont occupants plusieurs véhicules solaires qui sont conçues pour participer à longue distance (plus de 3 000 km) courses solaires basée sur le meilleur compromis entre la consommation d’énergie et la charge utile. Ils doivent se conformer aux règles de la course de l’encombrement, la taille de panneau solaire, fonctionnalité et sécurité et exigences structurales, tandis que la forme, les matériaux, le groupe motopropulseur, et la mécanique est considérée à la discrétion du concepteur. Dans ce travail, les aspects les plus importants du processus de conception structurelle d’un carbone fiber reinforced plastic véhicule solaire sont détaillées. En particulier, les protocoles utilisés pour la conception de la séquence de la stratification de la simulation numérique de crash test du véhicule, y compris la cage de sécurité, le châssis et l’analyse structurelle des ressorts à lames sont décrites. La complexité de la méthodologie de conception de structures composites renforcés de fibres est compensée par la possibilité d’adapter leurs caractéristiques mécaniques et d’optimiser le poids de la voiture.

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Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

Dans cet ouvrage, plusieurs aspects liés au processus de conception structurelle d’un carbone fiber reinforced véhicule solaire en plastique sont détaillés, en se concentrant sur le châssis monocoque, les ressorts à lame, et de tester le véhicule dans son ensemble lors d’une collision.

Conception et fabrication d’un croiseur de la classe véhicule solaire

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 ...

Les croiseurs sont des véhicules solaires multi-occupants conçus pour concourir dans des courses solaires à longue portée qui sont basées sur le meilleur compromis entre la consommation d’énergie et la charge utile. Ils doivent se conformer aux règles de course concernant la dimension globale, la sécurité et les exigences mécaniques, tandis que l’autre aspect comme la forme, les matériaux, le groupe motopropulseur et la mécanique peut être déterminé par les concepteurs. Dans ce travail, nous détailler certains des aspects les plus pertinents du processus de conception structurelle d’un véhicule solaire en plastique renforcé de fibre de carbone.Le protocole utilisé pour la conception de la séquence de lamination du châssis, de l’analyse structurale des ressorts foliaire et pour la simulation d’essai de collision du véhicule est montré. La complexité de la méthodologie de conception des structures composites renforcées par la fibre est compensée par la possibilité d’adapter leurs caractéristiques mécaniques et d’optimiser le poids global de la voiture. Après avoir développé une conception de châssis candidat, créez un modèle de coque d’élément fini.Importez la conception du châssis dans un logiciel de modélisation d’éléments finis. Sous Matériaux, sélectionnez le type de fibre pour définir les propriétés d’un polymère renforcé de fibre de carbone unique. Choisissez le comportement Élastique.À partir de là, vérifiez que les constantes d’ingénierie sont appropriées. Ensuite, consultez les paramètres de dégâts Hashin. Assurez-vous qu’ils ont les valeurs souhaitées.Fermez-vous hors de définir les propriétés matérielles. Passez à la création d’une section Composite Layups. Ici, chaque tour de polymère renforcé de fibre de carbone est défini par ordre dans la séquence, le matériau, l’épaisseur et l’angle de rotation.L’étape suivante consiste à sélectionner Mesh pour attribuer la distribution d’éléments distincts. Vérifiez les paramètres de la graine de maille globale. Encore une fois, sous Mesh, sélectionnez Type d’élément.Ensuite, sélectionnez un élément du modèle. Utilisez le type d’élément shell. Choisissez la forme de l’élément quad-dominated.Si les effets de sablier sont négligeables, sélectionnez Intégration réduite. Continuer à assigner des éléments de maille. Lorsque vous êtes prêt à générer le maillage, retournez à Mesh et sélectionnez la partie confirmer, c’est-à-dire, OK, pour mailler la pièce.Une fois le maillage terminé, sous assemblage, créez une instance du châssis à laquelle les charges et les conditions limites seront appliquées. Allez dans le dossier Étapes. Là, sélectionnez la procédure d’analyse.Assurez-vous que la procédure est définie comme statique. Vérifiez également que le comportement de géométrie non lignear est éteint. Maintenant, allez à Loads pour commencer à appliquer les charges prescrites.Sous la force du corps, entrez dans les composants et la distribution pour la gravité ou l’accélération constante. La direction de force est indiquée dans la fenêtre avec le modèle. Ensuite, identifiez les forces concentrées, comme celles dues aux occupants.Vérifiez qu’ils sont appliqués dans les bonnes positions sur le cadre. Suivez les mêmes étapes pour les forces concentrées dues aux batteries de voiture. Une fois les charges réglées, appliquez les conditions limites.Considérez le châssis comme un corps supporté agi par des charges externes, et identifiez les emplacements de contrainte. Utilisez les conditions limites épinglées. Pour définir la sortie, passez aux requêtes de sortie sur le terrain.Faites la sélection désirée. Vérifiez que le domaine est composite layup. Ensuite, sous contraintes, vérifiez que les variables de sortie sont des composants de stress et des invariants.Vérifiez également sous Échec/Fracture. Là, les données de sortie Hashin doivent être sélectionnées. Cliquez sur OK lorsque vous êtes satisfait.En cours d’analyse, commencer à mettre en place un emploi. Nommez le travail et définissez la source du modèle. Après avoir cliqué sur Continuer, personnalisez les paramètres de l’environnement informatique si nécessaire.Choisissez d’effectuer une analyse complète. Lorsque cela est terminé, OK les changements dans la fenêtre. Cliquez à droite sur l’emploi créé, et choisissez Soumettre pour l’exécuter.Utilisez la sortie pour produire un livre de ply pour un fabricant. La conception intègre un ressort de feuille transversal en fibre de carbone pour un système de suspension simple et léger avec un poids non suspendu réduit. La conception de la source des feuilles doit être évaluée dans le cadre du processus global.Simulez une conception optimisée de ressort à feuilles dans le simulateur d’éléments finis ANSYS Workbench. Dans ACP Pre, cliquez sur Données d’ingénierie. Sélectionnez ensuite l’onglet Sources de données d’ingénierie.Allez dans le dossier Matériaux composites et importez les propriétés matérielles par défaut du carbone, de l’unidirectionnelle et du tissé. Lorsque c’est fait, fermez l’onglet Sources de données d’ingénierie. Ensuite, cliquez à droite sur Géométrie.Ensuite, cliquez à droite sur La géométrie d’importation. Sélectionnez Parcourir pour trouver et choisir le fichier CAO représentant un quart du ressort des feuilles. Maintenant, double-cliquez sur le modèle.Lorsque la nouvelle fenêtre apparaît, elle affiche le segment du ressort des feuilles. Sélectionnez le fichier sous Modèle. Sous propriétés graphiques, attribuez une épaisseur de surface arbitraire.Cliquez à droite sur le modèle pour sélectionner Insert et à partir de là Nommé Sélection. Utilisez cette fonction pour définir une zone de layup en cliquant sur le champ géométrie surlignée, en sélectionnant une région dans le modèle et en l’appliquant. Répétez cette demande pour chaque zone requise pour le modèle.Une fois terminé, cliquez à droite sur Mesh. Ensuite, cliquez sur Générer mesh pour générer le maillage par défaut. Fermez la fenêtre mécanique pour continuer.Sur l’écran ACP Pre, ouvrez la fenêtre Configuration. Pour définir les propriétés du ply, rendez-vous dans le dossier Données matérielles. En son sein, cliquez à droite sur les tissus, et procéder en sélectionnant Créer du tissu.Dans la fenêtre qui s’ouvre, définissez le matériau. Ensuite, assignez l’épaisseur de prépreg. Ensuite, cliquez à droite sur Stackups, et suivez ceci en sélectionnant Create Stackup.Dans la nouvelle fenêtre, définissez la séquence d’empilage sous-stratifié en allant au menu d’abandon des tissus et en faisant les sélections nécessaires pour le projet. Passez à l’option dossier Rosettes, et cliquez à droite dessus pour créer une rosette. Dans la fenêtre, cliquez sur Origin et passez au modèle de ressort.Cliquez là, cliquez le long de l’axe de ressort des feuilles pour définir les coordonnées locales de l’élément. Fermez la fenêtre pour terminer la tâche. Cliquez à droite sur le dossier Oriented Selection Set et choisissez de créer un ensemble de sélection.Pour un ensemble d’éléments, sélectionnez d’abord les entrées et le point. Dans la géométrie, cliquez sur un point arbitraire pour définir l’origine. Aussi, sous Rosettes, assigner la rosetta appropriée.Faites ceci pour chacun des ensembles d’éléments. À ce stade, ouvrez le dossier Groupes de modélisation. Le groupe de modélisation défini apparaît.Pour créer un groupe de modélisation, cliquez à droite sur le dossier et choisissez Créer un groupe de modélisation. Dans la nouvelle fenêtre, cliquez sur OK. Cliquez à droite sur le nouveau groupe et sélectionnez Créer Ply. Définissez un ensemble de sélection orienté, un matériau de ply et le nombre de couches pour chaque carpla.Répétez cette étape pour chaque groupe de plis pour définir la séquence d’empilage complète. Fermez la fenêtre ACP. À partir de la boîte à outils, faites glisser l’analyse structurale statique sur l’espace de travail.Ensuite, faites glisser la pré-configuration ACP sur le modèle en structure statique et sélectionnez Transfert de données composites solides. Double clic sur le modèle sous structural statique. Maintenant, appliquez des conditions de symétrie et de limite de contrainte.Cliquez à droite sur Structural statique et sélectionnez Insert, suivi de Displacement. Ensuite, sélectionnez la surface contrainte de la géométrie. Limitez les composants appropriés en les fixant à zéro.Suivez la même procédure pour la force. Vérifiez que les symétries désirées sont respectées. Cliquez sur Résoudre pour résoudre le modèle comme élastique linéaire.Au schéma du projet, allez à la boîte à outils et faites glisser ACP Post sur le modèle sous ACP Pre. Faites glisser la solution structurale statique sur les résultats sous ACP Post. Ensuite, double-cliquez sur résultats sous ACP Post.Pour créer des critères d’échec, cliquez à droite sur le menu Définition et choisissez créer des critères d’échec. Dans la fenêtre qui s’ouvre, sélectionnez Hashin comme critère d’échec. Sélectionnez Configurer et réglez la dimension du mode échec en 3D.OK les modifications pour revenir à l’écran initial. Maintenant, cliquez à droite sur le menu Solution pour sélectionner Créer l’échec. Dans la nouvelle fenêtre, sélectionnez les critères d’échec souhaités.En outre, cochez la case Afficher sur les solides. OK les modifications avant de cliquer sur le symbole de foudre pour évaluer les résultats des critères d’échec. Pour la simulation d’un accident, développez un modèle CAO complet du véhicule.Le modèle devrait inclure tous les principaux composants, les systèmes de direction et de suspension, la batterie, les sièges, la cage à roulis et le monocoque. À partir de ce modèle CAO, créez un modèle de demi-voiture pour exploiter la symétrie bilatérale afin d’optimiser les calculs. Démarrez un nouveau projet dans le logiciel de simulation d’éléments finis ANSYS.Sous Toolbox, Analysis Systems, passez à Explicit Dynamics. Faites-le glisser dans le schéma du projet. Dans le nouvel élément, cliquez deux fois sur les données d’ingénierie.Sur le nouvel onglet, sous matériaux, ajouter de nouveaux matériaux et le nommer en conséquence, fibre de carbone dans ce cas. Faites glisser les propriétés nécessaires du matériau de l’arbre toolbox. Sous Valeurs, insérez les valeurs obtenues précédemment, y compris leurs unités appropriées.Retournez à l’onglet Schéma du projet. Ensuite, sous Explicit Dynamics, cliquez à droite sur la géométrie afin de sélectionner la géométrie d’importation. Cliquez sur Parcourir et chargez le fichier STP avec le modèle demi-voiture dans l’environnement du modèle.Le fichier inclut également la barrière pour le crash test. À l’intérieur de l’arbre du projet, sélectionnez Mesh. Sous détails de Mesh, allez à la préférence physique.Définissez la valeur à Explicit. Ensuite, allez à Element Midside Nœuds. Réglez sa valeur à Dropped.Ci-dessous, sous dimensionnement, aller à la fonction taille, et à partir de là sélectionnez Courbure. Passez au centre de référence et sélectionnez Medium. Réglez la taille minimale de l’élément à six millimètres.Choisissez la taille maximale de l’élément pour être de 30 millimètres. Maintenant, dans le cadre du projet, définissez les conditions limites de contrainte en cliquant à droite sur la dynamique explicite. Sélectionnez Insert puis Support fixe pour définir la barrière rigide pour une collision.Choisissez comment la barrière doit être fixée. Ensuite, sélectionnez la barrière et appliquez le choix. Revenez à droite cliquez sur Dynamique explicite et sélectionnez Insert, suivi de Displacement.Appliquez les modifications. Changez l’axe Z de libre à la valeur constante de zéro. En haut de la fenêtre, cliquez sur Résoudre.Voici une carte d’échantillon montrant les déplacements du châssis résultant d’une accélération arrière 5G. Cette carte peut être utilisée pour évaluer la rigidité structurale à un stade de conception précoce. C’est la géométrie optimisée de la source des feuilles.L’analyse des éléments finis de la géométrie permet le calcul de l’indice de défaillance selon les critères de défaillance hashin. Il peut également déterminer le stress dans la stigmatisation une direction sur la surface extérieure de la feuille, le long de sa direction principale. Le modèle numérique est validé à l’aide d’un modèle à l’échelle testé pour se fracturer.Cette vidéo permet d’apprécier l’évolution du stress dans le véhicule lors d’un impact modélisé de 60 kilomètres à l’heure. Une carte de stress d’échantillon fournit un moyen d’évaluer l’intégrité du véhicule en aidant à identifier les points de défaillance possibles qui pourraient nuire aux passagers. Une carte des déplacements provenant de l’analyse des éléments finis pour la même vitesse d’impact révèle que la plus grande se produit à l’avant du véhicule et dans les barres de cage de roulis qui sont fixées aux sièges.Ils sont une option appropriée pour reproduire des structures composites, car ils peuvent simuler la rigidité de flexion des corps à paroi mince avec un maillage plus simple que les éléments solides. D’autre part, dans la source foliaires, où les contraintes locales ne peuvent pas être appréciées par le modèle analytique, sont évaluées par la méthode des éléments finis, et les couches composites des feuilles sont modélisées par les éléments de briques. Il est important de noter que, pendant les événements de l’écrasement, la déformation du monocoque est minime et qu’aucun élément ne pénètre dans l’autre.Par conséquent, il est possible de dire que la conception du véhicule est sécuritaire. Différents modèles américains servent à l’optimisation structurelle d’un véhicule à énergie solaire ont été montrés. Le véhicule s’est avéré efficace et a remporté l’American Solar Challenge 2018 dans sa catégorie.

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