Los cruceros son vehículos solares multi-ocupantes concebidos para competir en carreras solares de largo alcance que se basan en el mejor compromiso entre el consumo de energía y la carga útil. Deben cumplir con las reglas de carrera con respecto a la dimensión general, la seguridad y los requisitos mecánicos, mientras que el otro aspecto como forma, materiales, tren motriz, y la mecánica puede ser determinado por los diseñadores. En este trabajo, detallamos algunos de los aspectos más relevantes del proceso de diseño estructural de un vehículo solar de plástico reforzado con fibra de carbono.
Se muestra el protocolo utilizado para el diseño de la secuencia de laminación del chasis, del análisis estructural de los muelles de la hoja y para la simulación de prueba de choque del vehículo. La complejidad de la metodología de diseño de las estructuras compuestas reforzadas con fibra se compensa con la posibilidad de adaptar sus características mecánicas y optimizar el peso total del coche. Después de desarrollar un diseño de chasis candidato, cree un modelo de shell de elementos finitos.
Importe el diseño del chasis en un software de modelado de elementos finitos. En Materiales, seleccione el tipo de fibra para definir las propiedades de un polímero reforzado con fibra de carbono único. Elija el comportamiento elástico.
A partir de ahí, compruebe que las constantes de ingeniería son apropiadas. A continuación, vea los parámetros de daño hashin. Asegúrese de que tienen los valores deseados.
Cierre la configuración de las propiedades del material. Vaya a crear una sección de layups compuestas. Aquí, cada pliegue de polímero reforzado con fibra de carbono se define por orden en la secuencia, el material, el espesor y el ángulo de rotación.
El siguiente paso es seleccionar Malla para asignar la distribución de elementos discretos. Compruebe los parámetros de la semilla de malla global. De nuevo, en Malla, seleccione Tipo de elemento.
A continuación, seleccione un elemento del modelo. Utilice el tipo de elemento shell. Elija la forma del elemento de cuatro dominadas.
Si los efectos de reloj de arena son insignificantes, seleccione Integración reducida. Continúe asignando elementos de malla. Cuando esté listo para generar la malla, vuelva a Malla y seleccione la confirmación de la pieza, es decir, Aceptar, para mallar la pieza.
Una vez completada la malla, en Ensamblaje, cree una instancia del chasis a la que se aplicarán cargas y condiciones de contorno. Vaya a la carpeta Pasos. Allí, seleccione el procedimiento de análisis.
Asegúrese de que el procedimiento se define como estático. Además, compruebe que el comportamiento de la geometría no lineal está desactivado. Ahora, vaya a Cargas para comenzar a aplicar las cargas prescritas.
En Fuerza del cuerpo, introduzca los componentes y la distribución para la gravedad o la aceleración constante. La dirección de fuerza se muestra en la ventana con el modelo. A continuación, identifique las fuerzas concentradas, como las debidas a los ocupantes.
Compruebe que se aplican en las posiciones correctas en el marco. Siga los mismos pasos para las fuerzas concentradas debido a las baterías del coche. Una vez establecidas las cargas, aplique las condiciones de contorno.
Considere el chasis como un cuerpo soportado actuado por las cargas externas, e identifique las ubicaciones de restricción. Utilice condiciones de contorno ancladas. Para definir la salida, vaya a Solicitudes de salida de campo.
Realice la selección deseada. Compruebe que el dominio es la configuración compuesta. A continuación, en Tensiones, compruebe que las variables de salida son componentes de tensión e invariables.
Además, compruebe en Fallo/Fractura. Allí, se deben seleccionar los datos de salida de Hashin. Haga clic en Aceptar cuando esté satisfecho.
En Análisis, comience a configurar un trabajo. Asigne un nombre al trabajo y defina el origen del modelo. Después de hacer clic en Continuar, personalice la configuración del entorno del equipo si es necesario.
Elija realizar un análisis completo. Cuando se complete, ok los cambios en la ventana. Haga clic con el botón derecho en el trabajo creado y elija Submit para ejecutarlo.
Utilice la salida para producir un libro de pliegues para un fabricante. El diseño incorpora un muelle de hoja transversal de fibra de carbono para un sistema de suspensión simple y ligero con un peso reducido y no suspendido. El diseño del resorte de hoja debe evaluarse como parte del proceso general.
Simule un diseño de resorte de hoja optimizado en el simulador de elementos finitos de ANSYS Workbench. Dentro de ACP Pre, haga clic en Datos de ingeniería. A continuación, seleccione la pestaña Orígenes de datos de ingeniería.
Vaya a la carpeta Materiales compuestos e importe las propiedades de material predeterminadas de los prepregs de carbono, unidireccionales y tejidos. Cuando haya terminado, cierre la pestaña Orígenes de datos de ingeniería. A continuación, haga clic con el botón derecho en Geometría.
A continuación, haga clic con el botón derecho en Importar geometría. Seleccione Examinar para buscar y elegir el archivo CAD que representa una cuarta parte del muelle hoja. Ahora, haga doble clic en Modelo.
Cuando aparezca la nueva ventana, mostrará el segmento de resorte de hoja. Seleccione el archivo en Modelo. En Propiedades de gráficos, asigne un grosor de superficie arbitrario.
Haga clic con el botón derecho en Modelo para seleccionar Insertar y desde allí Selección con nombre. Utilice esta función para definir una zona de ubicación haciendo clic en el campo Geometría resaltado, seleccionando una región en el modelo y aplicándola. Repita esto para cada zona necesaria para el modelo.
Cuando haya terminado, haga clic con el botón derecho en Malla. A continuación, haga clic en Generar malla para generar la malla predeterminada. Cierre la ventana Mecánica para continuar.
En la pantalla ACP Pre, abra la ventana Configuración. Para definir las propiedades del pliegue, vaya a la carpeta Datos de material. Dentro de él, haga clic con el botón derecho en Tejidos y continúe seleccionando Crear tejido.
En la ventana que se abre, defina el material. A continuación, asigne el grosor del prepreg. A continuación, haga clic con el botón derecho en Stackups y siga esto seleccionando Crear apilamiento.
En la nueva ventana, defina la secuencia de apilamiento sublaminado yendo al menú desplegable Tejidos y realizando las selecciones necesarias para el proyecto. Vaya a la opción de carpeta Rosettes y haga clic con el botón derecho en ella para crear una roseta. En la ventana, haga clic en Origen y pase al modelo de resorte.
Allí, haga clic a lo largo del eje del muelle hoja para definir las coordenadas locales del elemento. Cierre la ventana para completar la tarea. Vaya a hacer clic con el botón derecho en la carpeta Conjunto de selección orientada y elija crear un conjunto de selección.
Para un conjunto de elementos, seleccione primero las entradas y el punto. En la geometría, haga clic en un punto arbitrario para definir el origen. Además, en Rosettes, asigne la roseta apropiada.
Haga esto para cada uno de los conjuntos de elementos. En este momento, abra la carpeta Grupos de modelado. Aparece el grupo de modelado definido.
Para crear un grupo de modelado, haga clic con el botón derecho en la carpeta y elija Crear grupo de modelado. En la nueva ventana, haga clic en Aceptar. Haga clic con el botón derecho en el nuevo grupo y seleccione Crear pliegue. Defina un conjunto de selección orientado, material de pliegue y el número de capas para cada pliegue.
Repita este paso para cada grupo de pliegues para definir la secuencia de apilamiento completa. Cierre la ventana ACP. En el cuadro de herramientas, arrastre Análisis estructural estático al espacio de trabajo.
A continuación, arrastre ACP Pre Setup al modelo en Static Structural y seleccione Transfer Solid Composite Data( Transferir datos compuestos sólidos). Haga doble clic en Modelo en Estructural estático. Ahora, aplique condiciones de simetría y contorno de restricción.
Haga clic con el botón derecho en Estructural estático y seleccione Insertar, seguido de Desplazamiento. A continuación, seleccione la superficie restringida de la geometría. Restringir los componentes adecuados estableciéndolos en cero.
Siga el mismo procedimiento para la fuerza. Compruebe que se respetan las simetrías deseadas. Haga clic en Resolver para resolver el modelo como elástico lineal.
En project Schematic, vaya a la caja de herramientas y arrastre ACP Post a Modelo en ACP Pre. Arrastre la solución estructural estática a los resultados en ACP Post. A continuación, haga doble clic en Resultados en ACP Post.
Para crear criterios de error, haga clic con el botón derecho en el menú Definición y elija Crear criterios de error. En la ventana que se abre, seleccione Hashin como criterio de error. Seleccione Configurar y establezca la dimensión del modo de error en 3D.
Ok los cambios para volver a la pantalla inicial. Ahora, haga clic con el botón derecho en el menú Solución para seleccionar Crear error. En la nueva ventana, seleccione los criterios de error deseados.
Además, marca la casilla Mostrar en sólidos. Ok los cambios antes de hacer clic en el símbolo de relámpago para evaluar los resultados de los criterios de error. Para la simulación de un accidente, desarrollar un modelo CAD completo del vehículo.
El modelo debe incluir todos los componentes principales, sistemas de dirección y suspensión, batería, asientos, jaula enrollable y monocasco. A partir de este modelo CAD, cree un modelo de medio coche para aprovechar la simetría bilateral con el fin de optimizar los cálculos. Inicie un nuevo proyecto en el software de simulación de elementos finitos DE ANSYS.
En Cuadro de herramientas, Sistemas de análisis, vaya a Dinámica explícita. Arrástrelo al esquema del proyecto. En el nuevo elemento, haga doble clic en Datos de ingeniería.
En la nueva pestaña, en Materiales, agregue nuevos materiales y asígnelo en consecuencia, Fibra de carbono en este caso. Arrastre las propiedades necesarias del material desde el árbol de Toolbox. En Valores, inserte los valores obtenidos anteriormente, incluidas sus unidades adecuadas.
Vuelva a la pestaña Esquema de proyecto. A continuación, en Dinámica explícita, haga clic con el botón derecho en Geometría para seleccionar Importar geometría. Haga clic en Examinar y cargue el archivo STP con el modelo de medio coche en el entorno del modelo.
El archivo también incluye la barrera para la prueba de bloqueo. Dentro del árbol del proyecto, seleccione Malla. En Detalles de malla, vaya a Preferencia de física.
Establezca el valor en Explícito. A continuación, vaya a Nodos de Element Midside. Establezca su valor en Dropped.
A continuación, en Tamaño, vaya a Función de tamaño y, desde allí, seleccione Curvatura. Vaya al Centro de referencia y seleccione Medio. Establezca el tamaño mínimo del elemento en seis milímetros.
Elija el tamaño máximo del elemento para que sea de 30 milímetros. Ahora, en Proyecto, establezca las condiciones de límite de restricción haciendo clic con el botón derecho en dinámica explícita. Seleccione Insertar y, a continuación, Soporte fijo para definir la barrera rígida para una colisión.
Elija cómo se va a fijar la barrera. A continuación, seleccione la barrera y aplique la opción. Vuelva a hacer clic con el botón derecho en Dinámica explícita y seleccione Insertar, seguido de Desplazamiento.
Aplique los cambios. Cambie el eje Z de libre a un valor constante de cero. En la parte superior de la ventana, haga clic en Resolver.
Aquí está un mapa de muestra que muestra los desplazamientos del chasis resultantes de una aceleración hacia atrás 5G. Este mapa se puede utilizar para evaluar la rigidez estructural en una etapa de diseño temprana. Esta es la geometría optimizada del muelle de la hoja.
El análisis de elementos finitos de la geometría permite el cálculo del índice de fallos según los criterios de error de Hashin. También puede determinar la tensión en el estigma una dirección en la superficie externa de la hoja, a lo largo de su dirección principal. El modelo numérico se valida mediante un modelo a escala probado para fracturarse.
Este vídeo permite apreciar la evolución del estrés en el vehículo durante un impacto modelado de 60 kilómetros por hora. Un mapa de tensión de muestra proporciona un medio para evaluar la integridad del vehículo ayudando a identificar posibles puntos de falla que podrían dañar a los pasajeros. Un mapa de desplazamientos del análisis de elementos finitos para la misma velocidad de impacto revela el mayor se produce en la parte delantera del vehículo y en las barras de la jaula de rodillos que están unidas a los asientos.
Son una opción adecuada para reproducir estructuras compuestas, ya que pueden simular la rigidez de flexión de los cuerpos de pared delgada con una malla más simple que los elementos sólidos. Por otro lado, en el muelle de hoja, donde las tensiones locales no pueden ser apreciadas por el modelo analítico, se evalúan mediante el método de elemento finito, y las capas compuestas de hoja se modelan por los elementos de ladrillo. Es importante notar que, durante los eventos de choque, la deformación del monocasco es mínima, y ningún componente penetra en el otro.
Por lo tanto, es posible decir que el diseño en el vehículo es seguro. Se han demostrado diferentes modelos americanos para la optimización estructural de un vehículo alimentado por energía solar. El vehículo demostró ser eficiente y ganó el American Solar Challenge 2018 en su categoría.
