巡洋舰是多乘员太阳能飞行器，旨在参加基于能耗和有效载荷之间最佳折衷的远程太阳能比赛。它们必须遵守有关整体尺寸、安全性和机械要求的比赛规则，而其他方面如形状、材料、动力总成和机械装置则由设计人员确定。在这项工作中，我们详细介绍了全碳纤维增强塑料太阳能车辆结构设计过程的一些最相关的方面。
显示了用于设计底盘层压序列、叶弹簧结构分析以及车辆碰撞测试模拟的协议。纤维增强复合结构的设计方法的复杂性通过定制其机械特性和优化汽车的整体重量的可能性得到补偿。开发候选机箱设计后，创建有限元外壳模型。
将机箱设计导入有限元建模软件。在"材料"下，选择纤维类型以定义单碳纤维增强聚合物的特性。选择弹性行为。
从那里，检查工程常数是否合适。接下来，查看"Hashin 伤害"参数。确保它们具有所需的值。
关闭设置材质属性。继续创建"复合布局"部分。在这里，每个碳纤维增强聚合物层按顺序、材料、厚度和旋转角度的顺序定义。
下一步是选择网格来分配离散元素的分布。检查全局网格种子的参数。同样，在"网格"下，选择"元素类型"。
然后，选择模型的元素。使用 shell 元素类型。选择四位主导的元素形状。
如果沙漏效果可以忽略不计，请选择"减少集成"。继续分配网格元素。准备好生成网格时，返回到网格并选择零件确认，即"确定"以网格化零件。
网格完成后，在"装配体"下，创建将应用负载和边界条件的机箱实例。转到"步骤"文件夹。在那里，选择分析过程。
确保过程定义为静态。此外，检查非线性几何行为是否关闭。现在，转到"负载"开始应用规定的负载。
在"车身力"下，输入重力或恒定加速度的部件和分布。力方向在窗口中与模型一起显示。接下来，确定集中力，例如由于居住者造成的集中力。
检查它们是否应用于框架上的正确位置。对于由于汽车电池而导致的集中力，请按照相同的步骤操作。设置负载后，应用边界条件。
将机箱视为受支持的主体，由外部负载操作，并确定约束位置。使用固定边界条件。要定义输出，请转到"字段输出请求"。
做出所需的选择。检查域是否为复合布局。然后，在应力下，验证输出变量是应力分量和不变变量。
此外，在"故障/断开"下检查。在那里，应选择 Hashin 输出数据。满足时单击"确定"。
在"分析"下，开始设置作业。命名作业，并定义模型的源。单击"继续"后，根据需要自定义计算机环境的设置。
选择执行完整分析。完成操作后，确定窗口中的更改。右键单击创建的作业，然后选择"提交"以运行它。
使用输出为制造商制作一个书籍。该设计采用碳纤维横叶弹簧，采用简单轻的悬架系统，减轻无弹簧重量。叶弹簧设计必须作为整个流程的一部分进行评估。
在ANSYS工作台有限元模拟器中模拟优化的叶弹簧设计。在 ACP 预处理中，单击工程数据。然后，选择"工程数据源"选项卡。
转到"复合材料"文件夹，导入碳、单向和编织预处理项默认材质属性。完成后，关闭工程数据源选项卡。接下来，右键单击几何。
然后，右键单击"导入几何"。选择"浏览"以查找并选择表示叶弹簧四分之一的 CAD 文件。现在，双击模型。
当新窗口出现时，它将显示叶弹簧段。选择"模型"下的文件。在"图形属性"下，分配任意曲面厚度。
右键单击"模型"以选择"插入"和"从那里命名选择"。使用此函数可以通过单击突出显示的几何字段、在模型中选择区域并应用它来定义铺垫区域。对模型所需的每个区域重复此操作。
完成后，右键单击网格。然后，单击"生成网格"以生成默认网格。关闭机械窗口以继续。
在 ACP 预屏幕，打开"设置"窗口。要定义 ply 的属性，请转到"材质数据"文件夹。在它中，右键单击结构，然后通过选择"创建结构"继续。
在打开的窗口中，定义材质。然后，分配预层厚度。接下来，右键单击"堆叠"，然后选择"创建堆栈"。
在新窗口中，通过进入"结构"下拉菜单并做出项目的必要选择来定义子层堆叠顺序。转到"玫瑰花环"文件夹选项，右键单击该选项以创建玫瑰花环。在窗口中，单击"原点"并移动到弹簧模型。
在那里，沿叶弹簧轴单击以定义元素局部坐标。关闭窗口以完成任务。转到右键单击"定向选择集"文件夹，然后选择创建选择集。
对于元素集，首先选择条目和点。在几何体中，单击任意点以定义原点。此外，在玫瑰花环下，分配适当的玫瑰花塔。
对每个元素集都这样做。此时，打开"建模组"文件夹。将显示定义的建模组。
要创建建模组，请右键单击文件夹并选择"创建建模组"。在"新"窗口中，单击"确定"。右键单击新组，然后选择"创建 Ply"。定义定向选择集、层材质和每个层图层数。
对每组层重复此步骤以定义完整的堆叠序列。关闭 ACP 窗口。从工具箱中，将静态结构分析拖动到工作区。
然后，将 ACP 预设置拖动到静态结构中的模型上，然后选择传输实体复合数据。双击静态结构下的"模型"。现在，应用对称和约束边界条件。
右键单击"静态结构"，然后选择"插入"，然后选择"置换"。接下来，选择几何体的受约束曲面。通过将适当的组件设置为零来约束它们。
对力遵循相同的过程。检查所需的对称性是否得到遵守。单击"求解"将模型求解为线性弹性。
在项目架构上，转到工具箱，将 ACP 帖子拖动到 ACP Pre 下的模型中。将静态结构解决方案拖动到 ACP 柱下的结果上。然后，双击 ACP 帖子下的结果。
要创建失败条件，请右键单击"定义"菜单并选择"创建失败条件"。在打开的窗口中，选择 Hashin 作为故障条件。选择"配置"，将故障模式的尺寸设置为 3D。
确定更改以返回到初始屏幕。现在，右键单击"解决方案"菜单以选择"创建失败"。在新窗口中，选择所需的故障条件。
此外，选中"在实体上显示"框。确定更改之前单击闪电符号以评估失败条件结果。对于碰撞的模拟，开发车辆的完整 CAD 模型。
该型号应包括所有主要部件、转向和悬挂系统、电池、座椅、滚笼和单体。通过此 CAD 模型，创建一个半车模型以利用双边对称性以优化计算。在ANSYS有限元仿真软件中启动新项目。
在"工具箱""分析系统"下，转到"显式动态"。将其拖入项目架构。在新元素中，双击工程数据。
在新的标签上，在"材料"下，添加新材料并相应地命名碳纤维。从工具箱树中拖动材质所需的属性。在"值"下，插入以前获得的值，包括其相应的单位。
返回到"项目架构"选项卡。然后，在"显式动态"下，右键单击几何图形以选择"导入几何体"。单击"浏览"，将 STP 文件与半车型号一起加载到模型环境中。
该文件还包括崩溃测试的障碍。在项目树中，选择"网格"。在"网格详细信息"下，转到"物理首选项"。
将值设置为"显式"。然后，转到元素中端节点。将其值设置为"已删除"。
下面，在"大小"下，转到"大小函数"，然后从那里选择"曲线"。转到参考中心，然后选择"中等"。将最小元素大小设置为 6 毫米。
选择最大元素大小为 30 毫米。现在，在 Project 下，通过右键单击显式动态来设置约束边界条件。选择"插入"，然后"固定支持"定义碰撞的刚性屏障。
选择如何修复障碍。然后，选择障碍，然后应用选择。返回右键单击"显式动态"，然后选择"插入"，然后选择置换。
应用更改。将 Z 轴从自由更改为零的常量值。在窗口顶部，单击"求解"。
下面是显示 5G 向后加速导致机箱位移的示例地图。此地图可用于在早期设计阶段评估结构刚度。这是叶弹簧的优化几何体。
几何体的有限元分析允许根据 Hashin 故障标准计算故障指数。它还可以确定叶片外表面的一个方向的应力，沿其主要方向。使用测试断裂的刻度模型验证数值模型。
此视频可以欣赏车辆压力的演变，在模拟的每小时 60 公里的冲击。应力图示例提供了一种评估车辆完整性的方法，帮助识别可能伤害乘客的故障点。从有限元分析的位移图显示，最大变化发生在车辆前部和连接到座椅的滚笼杆中。
它们是复制复合结构的合适选择，因为它们可以模拟比固体元素更简单的网格的薄壁实体的弯曲刚度。另一方面，在分析模型无法欣赏局部应力的叶弹簧中，用有限元法计算，叶复合层由砖元素建模。重要的是要注意，在碰撞事件期间，单体变形最小，没有组件穿透其他部件。
因此，可以说车辆上的设计是安全的。不同型号的太阳能汽车结构优化已经展示出来。该车被证明是有效的，并赢得了美国太阳能挑战赛2018在其类别。
