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

Författarna vill tacka alla medlemmar av den Onda Solare Sport Association (www.ondasolare.com) för deras väsentliga stöd och Marko Lukovic som var estetiska designer av kryssaren. Denna forskning realiserades med ekonomiskt stöd av Europeiska unionen och regionen Emilia-Romagna inne i POR-FESR 2014-2020, axel 1, forskning och 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>

Författarna har något att avslöja.

Från tabell 1är det möjligt att märka att de enda laminas inte är symmetriska, medan hela smörgåsen är. Detta beror på nödvändigheten av att ha båda minst antal plies, tekniska minimum och önskad mekaniska egenskaper.
På ena sidan, avsnittet markeras som 1/1b, 2, 3 i figur 7 är ansvarig för de övergripande mekaniska egenskaper, är inriktningen av de höghållfasta förstärkning enkelriktad ply den största skillnaden mellan dem. På andra sidan markerade avsnitten A, B, C och D är ändrade för att beakta de koncentrerade lasterna av fjädringssystem och passagerarnas säten, på grund av bladfjädrarna.
Den finita element-modell som används för analys av sammansatta chassit är baserad på en shell-topologi. Shell element är ett lämpligt alternativ för återge kompositstrukturer, eftersom de tenderar att fånga böjstyvheten för tunna organ med väsentligen enklare maskor än solid element. Däremot, bör tillgripa kontinuum shell eller solid element övervägas vid modellering tjock sandwichkonstruktioner eller regioner med branta stress övertoningar; en jämförande diskussion om shell och continuum skal element ges24,25.
Huvudsyftet med den statisk analysen är att verifiera att styvhet och styrka av strukturen uppfyller kraven. Stelhet krav verkställs direkt genom att säkerställa att deformationen av fordonet under varje belastning fall inom ramen för förordningarna (dvs.ingen del av fordonet tränger de boendes rum). Bedömningen av strukturens styrka bygger på att utvärdera Hashins skada26 i sammansatta skikten; Hashins parametrar måste nämligen vara strängt mindre än 1. Eftersom olika skadliga lägen bidrar till globala bristande sammansatt laminat, användningen av kumulativa skador kriterier (t.ex., Hashin's) rekommenderas; Maximum spänning kriterier kan vara lämplig för metalliska komponenter.
Litteraturen har föreslagit olika lösningar för design optimering av lätta sammansatta bladfjädrar, men de flesta av dem ansluter bara en enda hjul27,28 (inga antiroll kapacitet) eller lämpar sig endast för infusion mögel teknik (dubbel-avsmalnande)29. Utformningen av den bladfjäder som här presenteras är begränsad förhand av den natriumvätesulfit laminering process som tillåter inte en dubbel-avsmalnande designlösning men garanterar hög materiell styrka och tillförlitlighet.
Den innovativa aspekten av bladfjäder är funktionell integrering av två komponenter i en (våren och baren antiroll) och den största fördelen är att massa minska. Tack vare den föreslagna analytiska modellen är det dessutom möjligt att ytterligare minska massan och få optimala geometrin snabbt för att ange maximal belastning och förskjutning.
Den lokala spänningar och out-av-plan som inte uppskattas av den analytiska modellen, utvärderas av finita elementmetoden och bladfjäder sammansatta inre lager är modellerade med tegel element. Denna lösning är beräkningsmässigt tyngre än att använda skal men tillåter, i kombination med Hashin, 3D-fel kriterier att förutsäga delaminering orsakas av ute-av-plane laster, som är en kritisk aspekt av bladfjäder design. Slutligen, de analytiska och numeriska modellerna för utformningen av bladfjäder har validerats av en experimentell test på en skalad bladfjäder.
Angående krocktest, relativt förhöjda förskjutningen av störtbåge, även om den inte utgör en källa till oro, främst tillskrivs layouten för dess front bar. Dess noncurved form och akut vägen där den är placerad, med inga kurvor och på en skarp vinkel med slagets riktning, är ansvarig för att överföra de flesta av energin som ska absorberas av chassit till rulle buren, som har en distinkt strukturella mål . Därför skjuts störtbåge baktill på fordonet, orsakar en förhöjd stress på dess fastsättning regioner på säten. Det är viktigt att notera att trots alla säkerhet funktioner som potentiellt skulle kunna förbättras, minimal deformation av monocoque och det faktum att inga komponenter penetrerad/perforerade andra klargöra att utformningen av fordonet anses säker om dess krocksäkerhet.
Därför anses den strukturella utformningen av fordonet som helhet har optimerats vad gäller materialanvändningen, där omfattande beräkningen visade i prövningsprotokollet är avgörande för utformningen av en monocoque och de bladfjädrar som var anpassade för att vara ljus och presentera en bättre mekanisk prestanda. Dessutom genom en numerisk krasch testa simulering, fordonskonstruktionen visade att det är framgångsrikt tåla den drivkraft som härledas av en full-frontal påverkan med tanke på den genomsnittliga hastigheten av bilen på dess optimal energieffektivisering.

Solar bil är en soldriven fordon som används för landtransporter. Den första solar bil presenterades 1955: det var en liten 15-tums modell, består av 12 selen solceller och en liten elmotor1. Sedan att lyckad demonstration, har stora ansträngningar gjorts i hela världen att bevisa genomförbarheten av solar-hållbar rörlighet.
Utformningen av en solar fordon2 begränsas kraftigt av mängden energitillförseln in i bilen, som är ganska begränsat under vanliga förhållanden. Några prototyper har utformats för allmänheten, även om inga bilar som primärt drivs av solen finns kommersiellt. Som en sakfråga, verkar solar bilar långt ifrån en vanlig användning i vardagen med tanke på deras nuvarande gränser, särskilt när det gäller kostnad, utbud och funktionalitet. Samtidigt, de företräder en giltig provbänk för utveckling av nya metoder, på nivåer i både design och tillverkning, kombinera teknik som normalt används i avancerade industriella sektorer, såsom aerospace, alternativa energi, och Automotive. Dessutom har de flesta solar bilar byggts i syfte att solar biltävlingar, ädla händelser runt om i världen, vars deltagare är främst universitet och forskningscentra som skryter forskningen av optimala lösningar för varje tekniskt problem. I synnerhet har arrangörerna av de viktigaste konkurrensarna (t.ex., i World Solar Challenge) antagit en strategi för utvecklingen av de race förordningar som syftar till att föra dessa extrema fordon så nära som möjligt till den mer traditionella transportmedel. Särskilt efter många år där fordonen var singel-seaters och utformade att resa rutten som snabbt som möjligt, den framväxande kategorin cruiser fordon har nyligen introducerat och utvecklats för effektiv transport av fler passagerare.
För dessa fordon, har de tekniska kraven blivit ännu hårdare. I själva verket inte bara har de att garantera maximal energieffektivitet, men de måste också följa mer komplexa tekniska villkor som är kopplade till olika funktioner. Exempelvis gör möjligheten att transportera ett större antal passagerare det svårare att garantera säkerhet och körbarhet. Strävan görs mer komplicerat på grund av den totala viktökning och behovet av att infoga ett mycket större batteri, medan inre utrymmen måste minskas, att göra placeringen av mekanikerna svårt.
En ny designfilosofi måste hanteras, inklusive en annan vision av materialanvändningen och tillverkning. Första materialen måste väljas utifrån den högsta styrka-to-viktförhållandet, och som en direkt följd, kol-förstärkt fiberplast representerar en optimal lösning. Dessutom måste särskilda knep i designen genomföras.
I denna artikel skall är de förfaranden som används för att utforma några av de viktigaste strukturella delarna av solar fordonet, såsom dess monocoque chassi, fjädringen och även en computational krocktest avbildade. Den slutliga omfattningen är att snabbt få solar fordon med minsta möjliga vikt, i en avvägning med aerodynamik och ras regler.
Uppenbarligen, sökandet efter det optimala materialet när det gäller förhållandet mellan motstånd och vikt begränsas av den teknik som används, vilket är autoklav gjutning av CFRP debutaniserade. Syftet med de valda metoderna är snabba fastställande av den optimala materialval när det gäller ply typologi inom ett begränsat utbud av möjligheter och uppställningsspår. I själva verket gestaltning med kompositmaterial innebär samtidig valet av avsnitten geometriska egenskaper, det specifika materialet och av lämplig teknik (att, i fall presenteras här, var beslutsamt en priori, som ofta händer).
Flera kända långdistans prestanda tävlingar för solar elfordon har hållits i hela världen under de senaste decennierna, som inbegriper top-ranking universitet och forskningscentra, som är de huvudsakliga främja agenterna för utvecklingen av sådan rörlighet teknik. Konkurrenskraft som körs i detta forskningsområde i allians med immateriella gränser är dock ett allvarligt begränsande faktor för spridningen av kunskap i frågan. För därför litteraturstudien på solar bil design konton för några (och ibland kan inaktuella) referenser, även när hela undersökningar bygger på denna undersökning3, vilket är varför uppmuntras förverkligandet av verk som förevarande.
Oberoende av vilken aspekt av fordonets design förbättras, ett gemensamt mål är alltid att: att uppnå mer energieffektivitet. Produktiva förändringar i design baseras inte alltid på spjutspetsteknik, som de bara kan baseras på mekanik såsom sänka tyngdpunkten av fordonet att öka dess stabilitet (vilket är särskilt viktigt för tävlingar hölls i öknen regioner4 på grund av sidvind vindbyarna5) eller minska vikten på fordonet delar6-av som en 10% av total viktminskning av elektriska fordon kan sluta upp till 13,7% i energibesparing7. Noggrann energistrategier används också ofta i tävlingar för att säkerställa bästa möjliga prestanda, där spännande maximat rusar av 130 km/h och enda avgifter som varade i över 800 km kan erhållas i cruiser-klass bilar8.
Studien av bilens aerodynamik5,9,10 är viktigt att försäkra lite motstånd från luft och jämnhet under körning, där de viktigaste aspekterna som skall kontrolleras är en minskning av koefficienten som drar till Låt bilen att flytta medan spendera mindre energi, och hiss koefficienten som måste hållas negativa att garantera att bilen sitter säkert och stabilt på marken, även vid högre hastigheter.
En annan viktig parameter utformas är suspensionssystemet, som allmänt tillämpas i vanliga fordon med enbart att tillhandahålla komfort, stabilitet och säkerhet, men i solar bilar måste det också vara ljus. Denna viktiga aspekt har undersökts sedan 199911 i studier med glasfiber bladfjädrar och, mer nyligen, med kolfiber12 som, när den används att utgöra wishbone länkar13, har visat sig ge inte bara vikt minskning men också en ökad säkerhetsfaktor. Trots dubbla triangellänkar suspension används utan tvekan mer ofta i solar bilar14, anser den aktuella studien en tvärgående bladfjäder som byggs med kolfiber, för det är en enklare och lättare bärsystem med minskad ofjädrad vikt.
När det gäller tillverkning av chassit, har byggandet av en monocoque struktur gjord av kolfiber visat sig ge en betydande prestandafördel, att vara en oumbärlig design begränsning för mest framstående befintliga4,8 ,15 solar bil lag. Användningen av kolfiber är avgörande för körning av fordonet, vilket gör att lagen att bygga fordon där var och en av de strukturella komponenter (eller olika delar av samma struktur, som i chassit) har en optimal mängd fibrer lager i beräknas riktlinjer. För att i detta arbete, materialet egenskaper har bedömts genom standardiserade experimentella tester, såsom trepunkts böjande testet och interlaminär skjuvning hållfasthetsprovningen (servers).
För att säkerställa dimensionell stabilitet under cure cykel, görs allmänt byggande med vakuum uppsamlare och autoklavera molding4 på kolfiber formar, som i sin tur är laminerat på just slipat Högdensitetsskum eller aluminium mönster. Majoriteten av delarna utgörs av sandwichkonstruktioner (dvs.med fibrer på huden och extremt lätta kärnan material som tjänar till att tillskriva böjmotstånd till sammansatt bär en extremt låg vikt). Kolfiber är dessutom också fördelaktiga för att erbjuda högre vibrationella säkerhetsnivåer mot resonans fenomen12.
Syftar till att intyga säkerheten för passagerarna i krasch händelser, innebära krocktester brukar tidsödande och oekonomiskt, experimentell och destruktiva tester med prov fordon. En senaste trend som vinner enorma popularitet är datorsimulerad crash test, där dessa simuleringar undersöka säkerheten för bil åkande under olika typer av effekter (t.ex., full frontal, offset frontal, sida effekt och rulla över) . Med tanke på vikten av att göra en krasch analyser på ett vägfordon och möjligheten att därigenom genom numerisk modellering, denna undersökning syftar till att identifiera de mest kritiska områdena av solar fordonet, när det gäller både maximal stress och deformation, för att möjliggöra en hypotes av förbättring av strukturen.
Den numeriska krocktest på solar fordon härmed utförs är utan motstycke. Med tanke på avsaknaden av bibliografi över forskning och specifika regler för detta innovativa solar bil tillvägagångssätt antogs en anpassning som behandlar följderna av fordonet på en styv hinder vid dess genomsnittliga hastighet. För att geometri modellering av fordonet och simulering (inklusive mesh konstitutionen och simulering set-up) har utförts på olika lämplig programvara. Användningen av kolfiber för fordonets struktur motiveras också av dess krocksäkerhet beteende, vilket redan har visat sig vara högre än för andra material, såsom glas fiberkompositer, på krocktester av elfordon16.

<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

Kryssare är flera åkande solar fordon som är utformade för att tävla i långväga (över 3 000 km) solar raser baserat på den bästa kompromissen mellan energiförbrukning och nyttolasten. De måste följa loppets regler angående totalmått, solpanel storlek, funktioner och säkerhet och strukturella krav, medan formen, materialet, drivlina, och mekanikerna anses designern eget gottfinnande. I detta arbete, är de mest relevanta aspekterna av strukturella designprocessen av en full-kol fiber-förstärkt plast solar fordon detaljerade. I synnerhet beskrivs de protokoll som används för konstruktion av sekvensen laminering av chassit, bladfjädrar strukturella analysen och crash test numerisk simulering av fordonet, inklusive skyddskorgen. Komplexiteten i design methodologyen av fiberarmerad kompositstrukturer kompenseras av möjligheten att skräddarsy deras mekaniska egenskaper och optimera den totala vikten på bilen.

Uppställningsspår huvudsakliga chassit: Det slutliga resultatet av protokollet är sekvensen laminering, även kallad ply boken. Men medan den belastning distributioner och diagrammen i Böjande ögonblick och shear kraft kan bestämmas genom enkel Hållfasthetslära överväganden, är en viktig punkt i protokollet utvärderingen av faktiska materialets egenskaper. I själva verket, även om många av de kvantiteter som behövs av den strukturella designern kan hittas i bladet materialdata, kan fasen tillverkning och samspelet med andra material ändra mekaniska svaret av råvaror. I det här avsnittet visas de experimentella set-up för trepunkts böjning och servers tester (se figur 5). Från dessa tester är det möjligt att utvärdera smörgås laminas Böjande styrka och att hitta en lägre gräns för skjuvning styrkan av Nomex kärna; representativa stress-deplacement kurvor visas i figur 6 för två olika inriktningar av en vävd laminat. SERVERS är dessutom avgörande för att bestämma motståndet mot delaminering i chassi kanterna, där smörgås blir ett laminat.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig5.jpg"> Figur 5: mekaniska tester. Dessa paneler Visa mekaniska tester av (A) tre-punkt bockning och (B) servers. Preparatets form samt lastningsförhållandena visas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig6.jpg"> Figur 6: typiskt resultat av trepunkts böjande tester. Dessa paneler visar typiska resultat av en tre-punkt böjande test för (A) [0/90]n skikten och (B) [± 45]n skikten. Betonar beräknas från belastningen mäts av lastcell och förskjutningen mäts genom givaren inbäddade i provningsmaskinen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
I figur 7visas laminering sekvenser, definierade sektor över chassi mögel. Detaljerad specifikation av laminering sekvenser är listade i tabell 1. Tabellen är uppdelad i de tre faserna av autoklaven bota process som görs i turordning, från den yttersta lamina, sedan Nomex kärna och lim, och slutligen den inre lamina.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig7.jpg"> Figur 7: resultat av designprocessen. Varje område kännetecknas av ett olika uppställningsspår. Nummer och färger definiera de olika regionerna där chassit strukturen är uppdelat, se tabellen 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig7large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">Fas 1</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C</td>
		</tr>
<tr>
<td>Följande punkter</td>
			<td>Sektorn</td>
			<td>Vinkel</td>
			<td>n °</td>
			<td>Material</td>
		</tr>
<tr>
<td>P 1.1</td>
			<td>Globala</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>A, D, C</td>
			<td>90°</td>
			<td>1</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>A, 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>Globala</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">Fas 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>Globala</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>Självhäftande 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>Globala</td>
			<td>/</td>
			<td>1</td>
			<td>Självhäftande film</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="5">Fas 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>Globala</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>A, D</td>
			<td>90°</td>
			<td>2</td>
			<td>UNI M46J</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>A, 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>Globala</td>
			<td>+ 45 °</td>
			<td>1</td>
			<td>satin T800</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 1: laminering sekvens av chassit. Den här tabellen visar specifikationen av uppställningsspår för de olika områdena i chassit, definieras i figur 7. Den är uppdelad i tre olika laminering faser som utförs i sekvens.
När strukturen i chassit har en Titan störtbåge läggs enligt loppets regler20och särskilda numeriska tester körs för att kontrollera motståndet av fordonet som helhet och, mestadels, frånvaro av intrång i ekonomiskverksamhetoch delar mot åkande. Riktningarna av de effekt-motsvarande statiska lasterna visas i figur 8, och i figur 9 motsvarande förskjutning kartor kan utvärderas. I denna fas används endast en schematisk geometri för beräkningen, medan komplett geometri används för slutlig kontroll av krocktest.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig8.jpg"> Figur 8: krasch-motsvarande statiska lastriktningar. Enligt reglementet laddas fordonets uppbyggnad av en statisk kraft lika med 6 g gånger den totala massan i de riktningar som visas i bilden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig8large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig9.jpg"> Figur 9: karta över de beräknade förskjutningarna. Denna figur visar ett exempel på de förskjutningar som beräknas i de fall som definieras i figur 8. Förskjutningen måste vara lägre än 25 mm i vilken region som helst i närheten av åkande. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig9large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Bladfjäder: Resultatet av protokollet är optimering av en sammansatt transverse leafen fjädrar med antirullningsske nan anlagen. Dess design har att möta olika specifika krav: en stress nedan de material-tillåtna för maximal belastning, en viss stelhet och en minsta vikt. För att uppfylla alla dessa krav, presenteras en optimering analytiska modellen. Tack vare modellen är det möjligt att snabbt få optimal geometri och konceptuella uppställningsspår. Riktigheten av modellen har verifierats av finita elementmetoden och en experimentell test på en 1/5-skalas bladfjäder. Den skalade bladfjäder är dubbel-stöttat vid center (som sträcker sig över 100 mm) och lastade i ändarna som motsvarande hålen (som spänner över 190 mm) med 1 000 N för varje sida. Optimerad geometri och ply-bok av bladfjäder redovisas i figur 10 och tabell 2, respektive.
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig10.jpg"> Figur 10: optimerad prov av bladfjäder geometrin. Denna figur visar geometri av den skalade bladfjäder som testas för att fraktur för att validera den numeriska modellen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig10large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td colspan="6">Autoklav härdning</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="6">p = 6 bar; t = 2 h; T = 135 ° C</td>
		</tr>
<tr>
<td>Följande punkter</td>
			<td>Sektorn</td>
			<td>Vinkel</td>
			<td>n °</td>
			<td>Tjocklek</td>
			<td>Material</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>mm</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td>Slutar 10</td>
			<td>Slutar 10</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Alla 200</td>
			<td>Alla 200</td>
			<td>0°</td>
			<td>#</td>
			<td>1</td>
			<td>UD T1000 100gm/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrala 125</td>
			<td>Centrala 125</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrala 175</td>
			<td>Centrala 175</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Alla 200</td>
			<td>Alla 200</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrala 175</td>
			<td>Centrala 175</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Centrala 125</td>
			<td>Centrala 125</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Alla 200</td>
			<td>Alla 200</td>
			<td>0°</td>
			<td>#</td>
			<td>1</td>
			<td>UD T1000 100gm/m ^ 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Slutar 10</td>
			<td>Slutar 10</td>
			<td>0°</td>
			<td>1</td>
			<td>0,23</td>
			<td>TW T300 200g/m ^ 2</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 2: laminering sekvens av bladfjäder. Den här tabellen visar specifikationen av uppställningsspår för de olika områdena i bladfjäder.
Enligt den analytiska modellen, bör bladfjäder har en maximal förskjutning av 12,2 mm och utveckla en maximal böjning stress av 970 MPa, konstant mellan de två centrala stöd.
Finita elementanalys som beskrivs i steg 2,7 av protokollet utfördes och resultaten redovisas i figur 11. Stress i huvudsakliga riktning <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/58525/58525eq50.jpg"> på den yttre ytan av blad våren längs den huvudsakliga axeln ritas i diagrammet. Det är nästan konstant mellan spannet och lika med 922 MPa och sedan minskar linjärt mot Belastningspunkten. Trots <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/58525/58525eq50.jpg"> ligger betydligt under maximal kompression spänningen i materialet (1 450 MPa), kriteriet misslyckande 3-D Hashin ritade i figur 10 visar en zon med ett misslyckande index överstiger 1, som orsakas av fiber fel (markerade i rött) och är samband med en plötslig förändring av geometri för den externa UD ply plies, orsakas av avbrott i kärnan. Samtidigt är förskjutningen beräknas av FEM vid Belastningspunkten 12,8 mm.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig11.jpg"> Figur 11: böjning numerisk simulering bladfjäder finita element modellen. Denna figur visar resultaten av de FEM-simuleringen på de skalade bladfjäder i fråga om Hashin misslyckande index och maximal huvudsakliga stress. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig11large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
För att kontrollera tillförlitligheten i de analytiska och numeriska modellerna, som föreslagits av förfarandet, har den skalade bladfjäder testas experimentellt. Resultaten redovisas i diagrammet i figur 12visar en maximal belastning innan brott på 1 980 N (990 N för varje sida), med en maximal förskjutning av 15,1 mm. Därför, när det gäller maximala förskjutningen, analytiska och numeriska modellen underskatta det av -19% och -15%, respektive. Intressant nog fel läge och skada platsen observerats på det testa exemplaret (figur 11) håller med numerisk modell resultaten.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig12.jpg"> Figur 12: fyra-peka bockning experimentell test på en förminskad modell av bladfjäder. Denna figur visar test set-up och Last-deplacement kurvan för den skalade bladfjäder. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig12large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Crash Test: Finita elementanalys kan producera realistiska resultat för att stödja ingenjörer förstå fordonets beteende under olika krasch scenarier. Istället för att köra verkliga förhållanden, är det mer tidseffektivt och kostnadseffektivt att simulera bilolyckor med kommersiell programvara såsom ANSYS. Nuvarande resultaten är ett exempel på hur dessa simuleringar kan bidra till gemenskapens automotive engineering.
Discretized finita element modellen av bilen presenterade ett antal element och noder 79950 och 79822, respektive. Som en inledande villkor, det antog ett 60 km/h islagshastighet, där den kinetic energin av fordonet minskade i cirka 0,3 s (figur 13), omvandlas till kontakt och inre energimarknad inom bil struktur.
<img alt="Figure 13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig13.jpg"> Figur 13: Crash test energi diagram. Dessa paneler visar krocktest energi kontoplaner rörelseenergi (A) och (B) inre energi. Diagrammen visar typiska energi flöden under en krasch händelse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig13large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Från provet stress kartan i figur 14A, kan status för fordonet integriteten bedömas. Detta är av största vikt att fastställa skada till säkerheten för passagerarna, som det skulle vara när det gäller en potentiellt lossade störtbåge bur, avlossning av säten eller ens ett deplacement på baren styrning mot föraren. De mest framträdande förskjutningarna i det fall som visas i figur 14B består inom intervallet 95 mm, och förekommer både framsidan av bilen, på grund av chocken och rulla bur barer som är kopplade till sätena.
<img alt="Figure 14" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58525/58525fig14.jpg"> Figur 14: typiska konturerna av maximalt motsvarande stress och maximal förskjutning under en frontalkrock test. Dessa paneler visar (A), motsvarande stress och (B) förskjutningen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58525/58525fig14large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</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 detta arbete relaterade flera aspekter till strukturella designprocessen av en full-carbon fiber-förstärkt plast solar fordon är detaljerade, med fokus på monocoque chassi, bladfjädrar, och fordonet som helhet under en krasch testa.

Konstruktion och tillverkning av en kryssare klass Solar fordon

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 ...

Kryssare är flera åkande sol fordon tänkt att konkurrera i långväga sol tävlingar som bygger på den bästa kompromissen mellan energiförbrukning och nyttolast. De måste följa rasreglerna angående den övergripande dimensionen, säkerheten, och de mekaniska kraven, medan den andra aspekten som form, material, drivlina, och mekaniken kan bestämmas av konstruktörerna. I detta arbete, vi detalj några av de mest relevanta aspekterna av den strukturella designprocessen av en full-kolfiber-förstärkt plast sol fordon.Det protokoll som används för utformningen av lamineringssekvensen för chassit, av bladfjädrarnas strukturanalys, och för krocktestsimuleringen av fordonet visas. Komplexiteten i konstruktionsmetodiken hos fiberförstärkade kompositstrukturer kompenseras av möjligheten att skräddarsy sina mekaniska egenskaper och optimera bilens totala vikt. Efter att ha utvecklat en kandidat chassi design, skapa en finit element skal modell.Importera chassidesignen till mjukvara för finita elementmodellering. Välj fibertypen under Material för att definiera egenskaperna för en enda kolfiberförstärkad polymer. Välj beteendet Elastic.Därifrån, kontrollera att de tekniska konstanterna är lämpliga. Därefter visa Parametrarna För Hashin Damage. Se till att de har de önskade värdena.Stäng ut från inställning av materialegenskaperna. Gå vidare för att skapa ett sammansatt Layups-avsnitt. Här definieras varje kolfiberförstärkad polymerskikt efter ordning i sekvens-, material-, tjockleks- och rotationsvinkeln.Nästa steg är att välja Mesh för att tilldela distributionen av diskreta element. Kontrollera parametrarna för Global Mesh Seed. Återigen, under Nät, väljer elementtyp.Välj sedan ett element i modellen. Använd skalelementtypen. Välj den quad-dominerade elementformen.Om timglaseffekter är försumbara väljer du Minskad integrering. Fortsätt tilldela nätelement. När redo att generera nätet, återgå till Mesh och välj del bekräfta, det vill säga OK, att maska den del.När maskan är klar, under Montering, skapa en instans av chassit som laster och villkor gränsen kommer att tillämpas. Gå till mappen Steps. Där väljer du analysproceduren.Se till att proceduren definieras som statisk. Kontrollera också att beteendet för ickelinjär geometri är av. Nu, gå till Laddar för att börja att tillämpa de föreskrivna lasterna.Under Kroppskraft anger du komponenterna och fördelningen för gravitation eller konstant acceleration. Kraftriktningen visas i fönstret med modellen. Identifiera därefter koncentrerade krafter, till exempel de som beror på passagerare.Kontrollera att de appliceras i rätt positioner på ramen. Följ samma steg för de koncentrerade krafterna på grund av bilbatterierna. När lasterna har ställts in, tillämpa gränsvillkoren.Betrakta chassit som en kropp som stöds som har agerat på av externa belastningar, och identifiera begränsningsplatserna. Använd fästa gränsvillkor. Om du vill definiera utdata går du till Fältutdatabegäranden.Gör önskad markering. Kontrollera att domänen är Composite layup. Sedan, under Betonar, verifiera utdatavariabler är stresskomponenter och invarianter.Kontrollera också under Failure/Fracture. Där ska Data för Hashin-utdata väljas. Klicka på OK när du är nöjd.Under Analys börjar du att konfigurera ett jobb. Namnge jobbet, och definiera modellens källa. När du har klickat på Fortsätt anpassar du inställningarna för datormiljön om det behövs.Välj att göra en fullständig analys. När det är klart, OK ändringarna i fönstret. Högerklicka på det skapade jobbet, och välj Skicka för att köra det.Använd utmatningen för att producera en ply-bok för en tillverkare. Designen innehåller en kolfiber transversal blad våren för en enkel och lätt fjädring system med minskad ofjädrad vikt. Bladfjäderdesignen måste utvärderas som en del av den övergripande processen.Simulera en optimerad bladfjäderdesign i ANSYS Workbench finita elementsimulator. Klicka inom AVS Pre på Engineering Data. Välj sedan fliken Engineering Data Sources.Gå till mappen Kompositmaterial och importera de förvalda materialegenskaperna kol, enkelriktad och vävd prepregs. När du är klar stänger du fliken Engineering Data Sources. Därefter högerklickar du på Geometri.Sedan högerklickar du på Importera geometri. Välj Bläddra för att hitta och välj den CAD-fil som representerar en fjärdedel av lövfjädern. Nu, dubbelklicka på Modell.När det nya fönstret visas kommer det att visa bladfjädersegmentet. Markera filen under Modell. Tilldela en godtycklig yttjocklek under Grafikegenskaper.Högerklicka på Modell för att välja Infoga och därifrån Namngivet val. Använd den här funktionen för att definiera en layup-zon genom att klicka på fältet Markerad Geometri, välja en region i modellen och tillämpa den. Upprepa detta för varje zon som krävs för modellen.När det är klart, högerklicka på Mesh. Klicka sedan på Generera nät för att generera standardnätet. Stäng fönstret Mekaniskt för att fortsätta.Öppna fönstret Setup på AVS Pre-skärmen. Om du vill definiera egenskaperna för PLY går du till mappen Materialdata. Inom den högerklickar du på Fabrics, och fortsätter genom att välja Skapa tyg.I fönstret som öppnas definierar du materialet. Sedan tilldelar du prepreg tjockleken. Högerklicka sedan på Stackups, och följ detta genom att välja Skapa stackup.I det nya fönstret definierar du staplingssekvensen för sub-laminat genom att gå till menyn Fabrics dropdown och göra nödvändiga val för projektet. Gå vidare till Rosettes mappalternativet, och högerklicka på den för att skapa en rosett. I fönstret klickar du på Origin och flyttar till fjädermodellen.Där klickar du längs lövfjäderaxeln för att definiera elementet lokala koordinater. Stänga fönstret för att slutföra uppgiften. Gå till högerklicka på mappen Oriented Selection Set, och välj att skapa en markeringsuppsättning.För en elementuppsättning väljer du först posterna och punkten. I geometrin, klicka på en godtycklig punkt för att definiera ursprunget. Också, under Rosettes, tilldela lämplig rosetta.Gör detta för var och en av elementuppsättningarna. Öppna i det här läget mappen Modelleringsgrupper. Den definierade modelleringsgruppen visas.För att skapa en modelleringsgrupp högerklickar du på mappen och väljer Skapa modelleringsgrupp. Klicka på OK i det nya fönstret. Högerklicka på den nya gruppen, och välj Skapa Ply. Definiera en orienterad markeringsuppsättning, skiktmaterial och antalet lager för varje skikt.Upprepa det här steget för varje grupp av plies för att definiera den fullständiga staplingssekvensen. Stäng AVS-fönstret. Från Verktygslådan drar du Statisk strukturanalys till arbetsytan.Dra sedan ACP Pre Setup till modell i Statiskt strukturellt och välj Överför solida sammansatta data. Dubbelklicka på Modell under Statiskt strukturellt. Nu, tillämpa symmetri och begränsningsgränsvillkor.Högerklicka på Statiskt strukturellt, och välj Infoga, följt av Förskjutning. Därefter väljer du den begränsade ytan för geometrin. Begränsa lämpliga komponenter genom att ange dem till noll.Följ samma procedur för styrkan. Kontrollera att de önskade symmetrierna respekteras. Klicka på Lös för att lösa modellen som linjär resår.Gå till verktygslådan vid Project Schematisk och dra AVS-inlägg till Modell under AVS Pre. Dra den statiska strukturlösningen till Resultat under AVS-post. Dubbelklicka sedan på Resultat under AVS-post.För att skapa felkriterier högerklickar du på Definition-menyn och väljer Skapa felvillkor. I fönstret som öppnas väljer du Hashin som felvillkor. Välj Konfigurera, och ange dimensionen för felläget till 3D.OK ändringarna för att återgå till den inledande skärmen. Nu, högerklicka på Lösning-menyn för att välja Skapa fel. I det nya fönstret väljer du önskade felkriterier.Markera även rutan Visa på fasta ämnen. OK ändringarna innan du klickar på lightning symbolen för att utvärdera resultaten felkriterier. För simulering av en krasch, utveckla en komplett CAD-modell av fordonet.Modellen bör omfatta alla de viktigaste komponenterna, styr- och fjädringssystem, batteri, säten, rullbur, och monocoque. Från denna CAD-modell, skapa en halv-bil modell för att utnyttja bilaterala symmetri i syfte att optimera beräkningar. Starta ett nytt projekt i ANSYS finita elementsimuleringsprogramvara.Gå till Explicit Dynamics under Verktygslåda, Analyssystem. Dra det i Project Schematisk. I det nya elementet dubbelklickar du på Engineering Data.På den nya fliken, under Material, lägga till nya material och namnge den därefter, Kolfiber i detta fall. Dra materialets bekÃ:lãlningsãten från Toolbox-trädet. Under Värden infoga värden som erhållits tidigare, inklusive deras lämpliga enheter.Återgå till fliken Projektschema. Sedan, under Explicit Dynamics, högerklicka på Geometrin för att kunna välja Importera geometri. Klicka på Bläddra, och ladda STP-filen med halvbilsmodellen i modellmiljön.Filen innehåller också barriären för krocktestet. Inuti projektträdet väljer du Nät. Under Detaljer om Mesh, gå till Fysik Preferens.Ställ in värdet på Explicit. Gå sedan till Element Midside Nodes. Ställ in dess värde på Droppat.Nedan, under Storlek, gå till Storleksfunktion, och därifrån väljer Krökning. Gå vidare till Referenscenter, och välj Medium. Ställ in minsta elementstorleken på sex millimeter.Välj den maximala elementstorleken som ska vara 30 millimeter. Nu, under Projekt, ange villkor för begränsningsgräns genom att högerklicka på explicit dynamik. Välj Infoga och sedan Fast stöd för att definiera den stela barriären för en kollision.Välj hur barriären ska åtgärdas. Välj sedan barriären, och tillämpa valet. Återgå till att högerklicka på Explicit Dynamics, och välj Infoga, följt av Förskjutning.Verkställ ändringarna. Ändra Z-axeln från fri till konstantvärdet noll. Högst upp i fönstret klickar du på Lös.Här är ett prov karta som visar de förskjutningar av chassit som följer av en 5G bakåt acceleration. Denna karta kan användas för att bedöma den strukturella styvheten i ett tidigt designstadium. Detta är bladfjäderns optimerade geometri.Finita elementanalys av geometrin möjliggör beräkning av felindex enligt Hashin-felkriterier. Det kan också bestämma stressen i det stigma en riktningen en på det yttre ytbehandlar av bladet, längs dess främsta riktning. Den numeriska modellen valideras med hjälp av en skalenlig modell testad för att fraktur.Denna video gör det möjligt att uppskatta utvecklingen av stressen i fordonet under en modellerad 60 kilometer per timme inverkan. En provstresskarta ger ett sätt att bedöma fordonets integritet genom att hjälpa till att identifiera möjliga felpunkter som kan skada passagerare. En karta över förskjutningar från finita element analys för samma slaghastighet avslöjar den största inträffar på framsidan av fordonet och i rullen bur barer som är knutna till sätena.De är ett lämpligt alternativ för att reproducera kompositstrukturer, eftersom de kan simulera den böjstyvhet som tunnväggskropparna har med enklare nät än de fasta elementen. Å andra sidan, i bladfjädern, där de lokala påfrestningarna inte kan uppskattas av analysmodellen, utvärderas av finita elementmetoden, och bladkompositskikten modelleras av tegelelementen. Det är viktigt att märka att, under kraschhändelserna, deformationen av monocoque är minimal, och inga komponenter tränger in i den andra.Därför är det möjligt att säga att konstruktionen på fordonet är säker. Olika amerikanska modeller tjäna för strukturell optimering av en soldriven fordon har visats. Fordonet visade sig vara effektivt och vann american 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

Göra Record-effektivitet SNS solceller genom termisk avdunstning och 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

Experiment på Ultraljud Smörjning med hjälp av en piezoelektriskt assisterad tribometer och 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 Printing titandioxid för grätzelsolcell

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 katjon Doping av CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; För effektiv 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 Övervakning av den accelererade prestandaförsämring av solceller och moduler: en fallstudie för 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

Inomhus experimentell utvärdering av effektivitet och irradians plats av den akromatisk Doublet på glas (ADG) Fresnel lins för att koncentrera solenergi

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 klass tillämpas-fältet Magnetoplasmadynamic bogpropeller

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

Tillverkning av robust Nanoscale kontakt mellan en Silvernanowire elektrod och CdS buffertskikt i Cu (i, ga) se2 thin-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

Tillverkning och konstruktion av träbaserade högpresterande kompositer

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

Sprickövervakning i resonans utmattningsprovning av svetsade preparat med digital bild korrelation

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