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