Name: structural design and manufacturing of a cruiser class solar vehicle
Uploaded: 2019-01-30T13:00:00
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Gli autori vogliono ringraziare tutti i membri dell'associazione Onda Solare Sport (www.ondasolare.com) per il loro supporto essenziale e Marko Lukovic che fu il progettista estetico dell'incrociatore. Questa attività di ricerca è stata realizzata con il sostegno finanziario dell'Unione europea e della regione Emilia-Romagna all'interno del POR-FESR 2014-2020, asse 1, ricerca e innovazione.

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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>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Dalla tabella 1, è possibile notare che le singole lamine non sono simmetriche, mentre è il panino intero. Questo è dovuto alla necessità di avere sia il minor numero di strati, il minimo tecnologico e le caratteristiche meccaniche desiderate.
Da un lato, la sezione contrassegnata come 1/1b, 2, 3 nella Figura 7 è responsabile per le proprietà meccaniche globali, come l'orientamento dello strato unidirezionale ad alta resistenza di rinforzo la differenza principale tra di loro. Da altro lato, la sezioni contrassegnate come A, B, C e D sono modificati per tenere conto i carichi concentrati dei sistemi di sospensione e di sedili dei passeggeri, a causa della presenza di molle a balestra.
Modello ad elementi finiti utilizzato per l'analisi del telaio composito si basa su una topologia di shell. Gli elementi shell sono un'opzione adatta per la riproduzione di strutture composite, come essi tendono a catturare la rigidità alla flessione dei corpi sottili con sostanzialmente più semplice mesh di elementi solidi. D'altra parte, ricorrere a continuum shell o elementi solidi dovrebbe essere considerata quando modellazione strutture sandwich spessore o regioni con pendenze ripide stress; una discussione comparativa su elementi shell shell e continuum è fornita24,25.
L'obiettivo principale dell'analisi statica sta verificando che la rigidità e la robustezza della struttura soddisfa i requisiti. Requisiti di rigidità vengono applicati direttamente, garantendo che la deformazione del veicolo in ogni caso di carico è entro i limiti dei regolamenti (vale a dire, nessuna parte del veicolo penetra camera degli occupanti). Valutazione della resistenza della struttura si basa sulla valutazione danno26 strati di composito; di Hashin vale a dire, i parametri di Hashin devono essere strettamente minore di 1. Come diversi modi dannosi contribuiscono al fallimento globale del composito laminato, l'uso di criteri di danno cumulativo (ad es., di Paola) è consigliato; criteri di massima sollecitazione potrebbero essere adatti per componenti metallici.
La letteratura ha proposto varie soluzioni per l'ottimizzazione della progettazione di molle a balestra composite leggere, ma la maggior parte di loro collegare solo una singola ruota27,28 (nessuna capacità antirollio) o sono adatta solo per stampo di infusione tecnologia (doppio-conico)29. Il design della foglia molla qui presentato è vincolata aprioristicamente di preimpregnati processo, che non consente una soluzione di design double-conico ma garantisce affidabilità e ad alta resistenza del materiale di laminazione.
L'aspetto innovativo della molla a balestra è l'integrazione funzionale di due componenti in uno (la molla e la barra antirollio) e il vantaggio principale è la riduzione della massa. Inoltre, grazie al modello analitico proposto, è possibile ulteriormente ridurre la massa e ottenere la geometria ottima veloce per il carico massimo impostato e lo spostamento.
Le sollecitazioni locali e fuori-di-piano quelli, che non può essere apprezzata dal modello analitico, vengono valutate con il metodo degli elementi finiti, e il molla a balestra composito singoli strati sono modellati con elementi in laterizio. Questa soluzione è computazionalmente più pesante rispetto all'utilizzo di conchiglie, ma permette, in combinazione con Hashin, criteri di cedimento 3D per predire la delaminazione causati da carichi fuori del piano, che è un aspetto critico del design balestra. Infine, i modelli analitici e numerici per la progettazione della molla a balestra sono stati convalidati da una prova sperimentale su una molla a balestra in scala.
Per quanto riguarda il crash test, la cilindrata relativamente elevata della gabbia del rullo, anche se non rappresenta un motivo di preoccupazione, è principalmente attribuita al layout della sua barra anteriore. La sua forma noncurved e il modo acuto in cui è collocato, con senza curve e su un angolo acuto con la direzione dell'impatto, è responsabile del trasferimento la maggior parte dell'energia che deve essere assorbita dal telaio per la gabbia del rullo, che ha un obiettivo strutturale distinto . Per questo motivo, la gabbia del rullo è spinto verso la parte posteriore del veicolo, causando un elevato stress su sue regioni di fissaggio ai sedili. È importante notare che, nonostante di qualsiasi sicurezza caratteristiche che potrebbero potenzialmente essere migliorate, la minima deformazione della monoscocca e il fatto che nessun componente penetrarono/perforato gli altri mettono in chiaro che il design del veicolo è considerato Cassetta di sicurezza per quanto riguarda la sua resistenza agli urti.
Di conseguenza, il disegno strutturale del veicolo nel suo complesso è considerato sono state ottimizzate in termini di utilizzo dei materiali, dove il vasto calcolo ha mostrato nel protocollo è essenziale per la progettazione di un monoscocca e per le balestre che sono state ideate per essere luce e presentare una prestazioni meccaniche migliorate. Inoltre, attraverso un numerico crash test simulazione, della struttura del veicolo ha dimostrato che è in grado di resistere con successo lo slancio dedotto da un impatto frontale considerando la velocità media della vettura sulla sua efficienza energetica ottima.

Un'auto solare è un veicolo solare usato per trasporto via terra. Il primo automobile solare è stata presentata nel 1955: era un modello da 15 pollici piccolo, composto da 12 celle fotovoltaiche di selenio e un piccolo motore elettrico1. Poiché tale dimostrazione riuscita, grandi sforzi sono stati fatti in tutto il mondo per dimostrare la fattibilità della mobilità solare sostenibile.
La progettazione di un veicolo solare2 è severamente limitata dalla quantità di input di energia dentro l'auto, che è abbastanza limitata in condizioni ordinarie. Alcuni prototipi sono stati progettati per uso pubblico, anche se nessuna auto alimentata principalmente dal sole è disponibile in commercio. Infatti, automobili solari sembrano lontano da un uso comune nella vita quotidiana dato loro limiti attuali, soprattutto in termini di costo, gamma e funzionalità. Allo stesso tempo, essi rappresentano un banco di prova valido per lo sviluppo di nuove metodologie, ai livelli di progettazione e di fabbricazione, che unisce la tecnologia utilizzata in genere in settori industriali avanzati, quali alternativa, aerospaziale, energia, e automobilistico. Inoltre, la maggior parte delle automobili solari sono state costruite allo scopo di corse di auto solare, blasonati eventi in tutto il mondo, i cui partecipanti sono principalmente università e centri di ricerca che stanno vantando la ricerca di soluzioni ottimali per ogni problema tecnico. In particolare, gli organizzatori delle competizioni più importanti (ad esempio, il World Solar Challenge) sono stati l'adozione di una strategia di sviluppo dei regolamenti di gara che mirano a portare questi veicoli estremi più vicino possibile al più classico mezzi di trasporto. In particolare, dopo molti anni in cui i veicoli erano monoposto e progettato per percorrere il percorso come velocemente possibile, la categoria emergente di cruiser veicoli recentemente introdotto e sviluppato per il trasporto efficiente di più passeggeri.
Per questi veicoli, i requisiti tecnici sono diventati ancora più severi. Infatti, non solo devono garantire la massima efficienza energetica, ma devono anche rispettare condizioni più complesse di ingegneria collegate a diverse funzionalità. Ad esempio, la possibilità di trasportare un maggior numero di occupanti rende più difficile garantire le condizioni di sicurezza e manovrabilità. Lo sforzo è reso più complicato a causa del generale aumento di peso e la necessità di inserire un pacco di batterie molto più grande, mentre gli spazi interni devono essere ridotto, rendendo il posizionamento della meccanica difficile.
Una nuova filosofia di progettazione deve essere affrontata, tra cui una visione diversa dell'uso di materiali e fabbricazione. In primo luogo, i materiali devono essere scelti sulla base del rapporto resistenza-peso più alto e, come diretta conseguenza, plastica della fibra di carbonio rinforzata rappresenta una soluzione ottimale. Inoltre, è necessario implementare specifici accorgimenti nella progettazione.
Nel presente articolo, le procedure utilizzate per la progettazione di alcune delle più importanti parti strutturali del veicolo solare, come il suo telaio monoscocca, le sospensioni e anche un calcolo crash test sono raffigurate. Lo scopo finale è quello di ottenere rapidamente un veicolo solare con il minor peso, in un compromesso con le regole di gara e aerodinamica.
Ovviamente, la ricerca del materiale ottima in termini di rapporto tra resistenza e peso è vincolata dalla tecnologia impiegata, che è lo stampaggio di autoclave di CFRP preimpregnati. Lo scopo dei metodi selezionati è la determinazione rapida della scelta del materiale ottima in termini di tipologia di strati in un intervallo finito di possibilità e di lay-up. In realtà, progettazione con materiali compositi implica la scelta simultanea delle proprietà geometriche delle sezioni del materiale specifico e della tecnologia adatta (che, nel caso presentato qui, era determinato a priori, come spesso accade).
Diversi concorsi di rinomata performance a lunga percorrenza per i veicoli elettrici solari sono tenute in tutto il mondo negli ultimi decenni, che coinvolge top-rank Università e centri di ricerca, che sono i principali agenti di promozione per lo sviluppo di tale mobilità tecnologia. Tuttavia, la competitività che corre in questo campo di ricerca in alleanza con i confini di proprietà intellettuale è un fattore limitante seriamente per la diffusione della conoscenza della materia. Per questo motivo, la revisione della letteratura sui conti di progettazione solare auto per pochi (e a volte obsoleti) i riferimenti, anche quando tutto ricerche si basano su questo sondaggio3, che è perché la realizzazione di opere come il presente sono incoraggiati.
Indipendentemente da quale aspetto della progettazione del veicolo è in fase di miglioramento, è sempre puntato un obiettivo comune: il raggiungimento della maggiore efficienza energetica. Cambiamenti produttivi nel design non sono sempre basate su tecnologie d'avanguardia, come possono essere semplicemente basati sulla meccanica quali l'abbassamento del baricentro del veicolo per aumentare la stabilità (che è particolarmente importante per le gare nel deserto regioni,4 a causa di vento laterale raffiche5) o riducendo il peso del veicolo parti6-di cui un 10% di riduzione complessiva del peso di veicoli elettrici in grado di dedurre fino a 13,7% in7di risparmio energetico. Strategie di gestione energia approfondita sono inoltre comunemente usate in eventi di gara per assicurare le migliori prestazioni possibili, dove emozionante una velocità massima di 130 km/h e singole spese che durano per oltre 800 km possono essere ottenuti in incrociatore classe auto8.
Lo studio del veicolo aerodinamica5,9,10 è importante assicurare una poca resistenza da aria e scorrevolezza durante la guida, dove i principali aspetti da controllare sono una riduzione del coefficiente di resistenza al lasciare l'auto per muoversi mentre la spesa meno energia e il coefficiente di portanza che dovrà essere mantenuto negativo per garantire che l'auto sia fissata in modo sicuro e stabile al suolo, anche a velocità più elevate.
Un altro parametro importante da progettare è il sistema di sospensione, che è generalmente applicato in veicoli regolari con il solo scopo di fornirvi comfort, stabilità e sicurezza, ma in auto solari deve anche essere luce. Questo importante aspetto è stato esplorato dal 199911 in studi condotti su molle a lamelle in fibra di vetro e, più recentemente, con fibra di carbonio12 che, quando utilizzati per costituire wishbone link13, ha dimostrato di fornire non solo peso riduzione, ma anche un fattore di miglioramento della sicurezza. Doppio braccio oscillante sospensioni senza dubbio sono più spesso utilizzati nelle automobili solari14, lo studio corrente considera una molla a balestra trasversale costruita con fibra di carbonio, per esso è un sistema di sospensione più semplice e leggero con riduzione di peso delle masse non sospese.
Per quanto riguarda la fabbricazione del telaio, la costruzione di una struttura monoscocca in fibra di carbonio ha dimostrato di concedere un vantaggio significativo delle prestazioni, essendo un vincolo di progettazione indispensabile per i più importanti esistenti4,8 ,15 squadre di auto ad energia solare. L'utilizzo della fibra di carbonio è di vitale importanza per l'esecuzione del veicolo, permettendo alle squadre di costruire veicoli dove ognuno dei componenti strutturali (o parti diverse della stessa struttura, come il telaio) ha una quantità ottimale di fibre sovrapposte in calcolato orientamenti. Per che, in quest'opera, il materiale sono stati valutati attraverso standardizzato prove sperimentali, come la prova di flessione di tre punti e la prova di resistenza (ULS) taglio interlaminare.
Per garantire la stabilità dimensionale durante il ciclo di cura, la costruzione è realizzata generalmente con sacchi a vuoto e autoclave4 su stampi in fibra di carbonio che, a loro volta, sono laminati su precisamente fresato schiuma ad alta densità o modelli di alluminio di stampaggio. La maggior parte delle parti è costituita da strutture sandwich (cioè, con fibre sulla pelle e materiali estremamente leggero nucleo che servono ad attribuire la resistenza alla flessione per il composito che trasportano un peso estremamente ridotto). Inoltre, la fibra di carbonio è anche vantaggiosa per che offre livelli superiori di sicurezza vibrazionale contro fenomeni di risonanza12.
Al fine di certificare la sicurezza dei passeggeri in eventi crash, crash test coinvolgono di solito test che richiede tempo e antieconomico, sperimentale e distruttivo con veicoli di campione. Una tendenza recente che sta guadagnando grande popolarità è simulato computer crash test, dove queste simulazioni investigare la sicurezza degli occupanti auto durante diversi tipi di impatti (ad es., impatto frontale, lato frontale completa, offset e rotolare) . Data l'importanza di eseguire un'analisi di crash su un veicolo stradale e la fattibilità di farlo attraverso la modellazione numerica, la presente inchiesta mira a individuare le aree più critiche del veicolo solare, in termini sia lo sforzo massimo e deformazione, al fine di consentire un'ipotesi di miglioramento della struttura.
Il numerico crash test su veicoli solari dichiara effettuato è senza precedenti. Considerando la mancanza di bibliografia su ricerca e delle norme specifiche per questo approccio innovativo auto solare, un adattamento che considera l'impatto del veicolo su un ostacolo rigido alla sua velocità media è stata assunta. Per questo, la modellazione della geometria del veicolo e la simulazione (compresi maglia costituzione e simulazione set-up) sono stati condotti su diversi software appropriato. L'utilizzo della fibra di carbonio per la struttura del veicolo è giustificato anche dal suo comportamento di resistenza all'urto, che ha già dimostrato di essere superiore a quello di altri materiali, quali compositi di fibra di vetro, il crash test di veicoli elettrici16.

<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

Gli incrociatori sono veicoli solari multi-occupante che nascono per competere in a lungo raggio (oltre 3.000 km) Gare solare basato sul miglior compromesso tra il consumo di energia e il payload. Essi deve aderire alle regole della gara per quanto riguarda gli ingombri, la dimensione del pannello solare, funzionalità e sicurezza e requisiti strutturali, mentre la forma, i materiali, il propulsore, e la meccanica è considerata a discrezione del progettista. In questo lavoro, gli aspetti più rilevanti del processo di progettazione strutturale di un full carbon fibra rinforzata plastica veicolo solare sono dettagliati. In particolare, i protocolli utilizzati per la progettazione della sequenza di laminazione del telaio, l'analisi strutturale di molle a balestra e la simulazione numerica di prova di incidente del veicolo, tra cui la gabbia di sicurezza, sono descritti. La complessità della metodologia di progettazione di strutture in composito fibrorinforzato è compensata dalla possibilità di sartoria loro caratteristiche meccaniche e ottimizzando il peso complessivo della vettura.

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Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

In questo lavoro, diversi aspetti relativi al processo di progettazione strutturale di un full carbon fibra rinforzata plastica veicolo solare sono dettagliati, concentrandosi sul telaio monoscocca, le balestre, e il veicolo nel suo complesso durante un crash test.

Progettazione strutturale e costruzione di un incrociatore classe veicolo solare

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 ...

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

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