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2018年国际期刊发布复合材料硬壳式太阳能客车底盘设计与分析
工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067完整文章复合材料硬壳式太阳能客车底盘Jason Dennya,Kristy Vealea,Sarp Adalia,Fiona Leveroneb夸祖鲁-纳塔尔大学,1 King Gozalv Avenue,Durban 4041,南非bTU Delft,Kluyverweg 1,2629 HS Delft,Netherlands阿提奇莱因福奥文章历史记录:2018年1月10日收到2018年7月17日修订2018年7月19日接受在线发售2018年保留字:有限元分析碳纤维增强聚合物硬壳式底盘设计复合材料结构A B S T R A C T复合材料硬壳式底盘的概念已经在许多车辆设计中实现;然而,限定模拟复合材料硬壳式底盘的过程的公开文献有限。本研究的目的是开发一种复合材料单体底盘,通过迭代有限元分析过程分析其结构完整性,旨在开发一种轻型太阳能动力车辆。影响该方法的因素包括:车辆载荷条件的定义、失效标准和重要的设计参数,其中主要是扭转刚度。考虑的主要设计标准是根据应用要求和文献中的可用数据确定的扭转刚度。然后,设计方法遵循迭代过程,其中考虑各种几何形状和铺层变化。在相同的载荷条件下,以提高扭转刚度为目的,达到所要求的参数。在整个模拟过程中也考虑了材料的极限强度,但是,在大多数情况下,模型在材料失效或分层之前未能满足扭转刚度参数。其次,对安装点进行了分析,以确保底盘能够承受在悬架处的集中载荷。该分析与主应力有关,主应力可帮助了解最合适的铺层方向。本文提出的方法是支持在设计一个全复合材料的硬壳式底盘轻型赛车的应用。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍硬壳式底盘是一个单件式结构,其主体用作承载构件。它支持悬挂系统,转向系统,驱动系统和其他部件。有效的底盘性能取决于在弯曲和扭转时保持刚性,提供有效的载荷吸收并减少底盘的总重量[1]。本文的目的是发展一种在工作条件下分析复合材料硬壳式底盘的方法,并通过有限元分析确定结构合理的硬壳式底盘。因此,主要目的是确定四轮、轻质、高效的太阳能乘用车的全复合硬壳式底盘的可行性这种特定类型的分析涉及的复杂性包括确定复合材料铺层方向,结构*通讯作者。电子邮件地址:dendog8117@gmail.com(J. Denny)。由Karabuk大学负责进行同行审查增强和一般机动车安全要求。由于其单体式设计,复合材料是制造太阳能汽车的首选材料[2]。在底盘设计、刚性阻力和低重量方面,对于操纵性能,是最重要的设计参数[3]。由于该车辆旨在用于太阳能应用,它必须能够容纳适当的太阳能电池板阵列。底盘设计规范(如几何约束)是根据2017年世界太阳能挑战赛巡洋舰级规则和规定制定的[4]。在设计底盘时,必须考虑悬架安装位置。在底盘设计完成后再为应用设计一个完美的悬架系统可能会导致设计复杂化。悬架系统的考虑有助于描述底盘几何形状和车轮间隙和安装点的空间要求[5]。双横臂系统被选为前悬架,由于其高处理性能和紧凑的设计[6,7]。这种设计也被广泛用于其他太阳能汽车设计。拖臂系统被选为后悬架,因为它的设计并不复杂,而且很好地融入了https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.07.0142215-0986/©2018 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestch×××1068J. Denny等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067气动整流罩[6]。太阳能团队Nuon凭借Nuna 80s双叉臂前悬架和拖臂后悬架获得了显著的成功,赢得了2015年世界太阳能挑战者级[8]。硬壳式结构提供了低重量和高刚度特性[2],这有利于太阳能汽车底盘设计,但是制造起来可能更加复杂。在硬壳式底盘中,车辆在运动过程中产生的应力分布在整个结构中,从而减轻局部应力[3]。因此,与其他底盘类型相比,硬壳式结构具有更高的抗扭刚度和抗扭能力[9]。扭转刚度参数对于底盘设计至关重要,因为它使前后悬架系统能够正确地相互作用。这在很大程度上影响了车辆如果车辆的抗扭刚度不足,则在相应加载时会发生扭曲,从而抬高车辆的一端并导致一个车轮失去牵引力[10]。用于生产硬壳式底盘的最常见材料是复合材料[11],特别是碳纤维增强聚合物(CFRP)和凯夫拉,因为它们具有高刚度和强度重量比特性,并且可以形成几乎任何几何形状[12]。然而,存在一些缺点,例如复杂的设计程序、高成本和复杂的制造工艺[13]。与任何材料和底盘类型组合相比,CFRP单体提供最高的刚度重量比[2]。这是碳纤维复合材料广泛用于太阳能汽车底盘设计的主要原因[14]。对现有单体式太阳能汽车底盘设计进行了研究,以了解有效设计的形状和几何特征。这方面的知识被用来开发初步的底盘几何形状,详细内容见第7节. Solar Team Eindhoven在他们的2015年世界太阳能挑战赛车辆StellaLux中实施了全CFRP单体[15]。底盘由双体、双体船式护罩组成,底盘中心下方有一个隧道,减少了正面面积,改善了空气动力学性能。工学院大学在2015年世界太阳能挑战赛中以太阳能汽车OWL获得第二名。OWL使用帝人CFRP预浸料制成完整的单体结构,导致底盘重量仅为55 kg[16]。与Stella Lux一致,OWL在底盘下方的中间有一个大隧道,以减少其正面面积。由新南威尔士大学制造的名为Sunswift的车辆也展示了这种隧道,以减少正面面积[14]。2. 材料编织碳纤维复合增强材料是太阳能汽车硬壳式底盘设计的首选材料[17]。它们很容易形成复杂的形状,坚固耐用,具有更大的抗损坏性,并减少铺层时间[18]。交替纤维方向的编织结构由经向纤维和炜向纤维组成,这意味着该结构在多个方向上表现出根据编织的类型,编织结构表现出不同的机械性能。最常见的织法有平纹、斜纹和缎纹。在平纹组织中,每根经向纤维交替地在每根纬向纤维的下方和上方通过;这是防止股线滑动和扭曲的最稳定的组织,但是与其他组织类型相比,高水平的纤维卷曲赋予缎纹组织中的长纤维截面导致更好的能量分散和低的纤维卷曲,但降低了稳定性并增加了纤维变形的可能性。在斜纹组织中,一根或多根经向纤维Fig. 1. 典型的夹层结构[19]。或者在两个或多个纬纱纤维的上方和下方一个22或4 4英寸在决定编织选择的各种冲突因素之间提供了最佳折衷。在工业中,最常用的编织是2 2英寸[18]。编织纤维和基质材料通常与另一种材料结合形成所谓的夹层结构-见图1。 1 [19],它提供了类似的结构特性的I-梁,但与悬垂和腹板延伸到所有方向[20]。这种额外的材料被称为夹层结构的芯,其目的是增加结构的刚度,芯材料通常是低强度材料,但其较高的厚度d为结构提供了增加的弯曲刚度和整体低密度。核心增加了结构的惯性矩和截面模量,从而更好地抵抗屈曲和弯曲载荷[21]。表面或蒙皮材料在芯的上侧和下侧围绕芯,并用作I形梁的悬伸部分。当在弯曲中加载时,其中一个蒙皮材料经历拉伸,另一个经历压缩,并且芯部在剪切中加载,这为整个结构提供了刚度和强度表面材料的厚度t与芯部的厚度相比是小的硬壳式底盘结构中使用的常见核心材料包括聚氨酯泡沫、铝和Nomex蜂窝[2]。复合材料夹层结构已成为一种最有前途的材料选择,许多重量减轻的应用,这是关键的太阳能汽车设计。与用于构建夹层的单个材料相比,它可以改善疲劳性能、卓越的能量吸收、耐腐蚀性和重量减轻[21]。3. 破坏准则当结构不能再执行其预期功能时发生故障,并且在模拟设计时需要定义故障标准。复合材料失效准则可分为两大类,即与失效模式无关的失效准则和与失效模式相关的失效准则[22]。第一种方法使用解析表达式来描述作为材料力学性能函数的破坏面,这些力学性能是通过将表达式拟合到通过实验方法获得的标准化曲线来确定的。由Tsai和Wu[23]提出的张量多项式准则是用于复合材料的通用多项式失效准则,并表示为:Fi·riFij·ri·rjFijk·ri·rj·rk611其中,对于三维情况,i,j,k= 1,2,3,4,5,6。主方向上的层强度由参数F给出,主方向上的层应力用r表示。2 22B=2B=2DpJ. Denny等人 /工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067-10771069一般来说,三阶参数由于其复杂性而被忽略[23]。这产生Eq. (二):Fi·riFij·ri·rj612此外,由于剪应力方向的改变不影响材料破坏,所有一阶剪应力变得可忽略,即,F4 = F5 = F6 =0。对于具有三个对称平面的正交各向异性材料,这些对称平面与坐标方向(即对应于三维轴的i、j和k方向)定向,并且假设Fij=Fji,并且法向应力项和剪应力项之间没有耦合,则产生组件[10]。另一个假设是,这些横截面在其平面内保持不变形,因为不确定车辆几何形状在扭转载荷下的反应。这是一个很好的近似,但它确实会导致一些不准确[28]。这些假设适用于有限元分析模型。为了确定底盘的扭转刚度,后悬架安装件被约束为在所有方向上固定,并且相等且相反的载荷被施加到前悬架臂[29]。这在底盘上引起扭矩。分析中的关键参数是前悬架臂的挠度。扭转刚度(KT)由[29]给出:当量(3):F1·r1F2·r2F3·r32F12·r1·r2 2F13·r1·r3TFBT¼u¼u u0 5ð4Þ氟23·r2·r3氟11·r12氟22·r22氟33·r32.pdω:44·r4 100F55·r5 2016年12月26日第二个复合材料失效准则采用经验层复合材料失效准则,与各向同性材料设计中使用的准则相似。用这些标准来解释设计中的失效模式是比较困难的。纤维断裂是由材料的极限抗拉强度定义的失效模式,如果最大主应力不得超过材料4. 扭转刚度底盘的抗扭刚度被定义为其抵抗扭转的能力。它被认为是底盘设计中最重要的参数之一,因为它在很大程度上负责车辆的操纵[24]。然而,当底盘变得足够硬时,存在这样的点,并且扭转刚度的任何进一步增加将对底盘性能产生很小(如果有的话)的改进现代高性能汽车由于质量大、行驶速度快,其抗扭刚度非常大大质量和高速的这种组合导致巨大的力施加在底盘上,这需要适当的扭转刚度值,使得底盘在应力下不会变形。对于轻型赛车,需要较低的扭转刚度值小型赛车通常具有大约4000 Nm/deg的扭转刚度值[25],而一级方程式赛车的扭转刚度值为20,000 Nm/deg或更高[26]。小型赛车,如太阳能车,不需要达到一级方程式赛车的高速,导致车辆受到较低的应力。太阳能汽车在耐力赛中竞争,其中效率是关键。车辆只允许在高速公路上行驶,不需要快速转弯只有平缓的公路曲线和弯道对悬架的作用力较小,才需要考虑。这意味着太阳能车辆不需要特别高的扭转刚度值,但是,底盘必须承受由于遇到路面上的不规则性(例如坑洼)而施加的增加的应力太阳能汽车可视为小型赛车,其扭转刚度范围为1000至4000 Nm/deg就足够了[27]。底盘的抗扭刚度很难从底盘的复杂几何形状,无需物理实验。然而,通过对固体力学原理的某些简化和扩展,可以发展出一种假设底盘可以模拟为一系列固定在一起的不同横截面,并且叠加方法适用于它们,则可以通过叠加以下各项的刚度值来建立总扭转刚度的表达式:其中:u¼ta n-1。vd5u¼ta n-1。vp6力(F)施加到前悬架上,并由于轮距(B)产生的垂直距离而产生扭矩(T)。等式(5)和(6)用于确定驾驶员侧和乘客侧的角偏转(ud)和(up通过测量车辆的垂直偏转ns(vd)和(vp),相应的悬架臂端部。由于底盘是弹性的,驾驶员和乘客侧的偏转是相等的。5. 重量底盘的重量对车辆的滚动阻力有显著影响[12]。必须在不损害车辆结构完整性的情况下使重量最小化。悬架施加在底盘上的力与底盘的重量成比例[5]。由于转弯时的惯性,较重的车辆更倾向于保持在预定的路径上,从而导致当轮胎与底盘对抗时传递到底盘的力更大,从而改变车辆更轻的重量还导致车辆的加速和制动能力的改善6. 有限元分析由于结构的复杂性,硬壳式底盘固有地难以使用分析方法准确地分析。它需要一个复杂的数学模型来描述它,简化会降低结果的准确性[30]。计算方法的解决方案,这是基本上基于分析方法,提供了一个强大的工具,以获得准确的结果,在分析的硬壳式底盘。在建立物理模型之前,计算模拟通常用于获得设计如何对操作载荷做出反应的近似概念,并产生确定最适合应用的材料和几何设计的方法[31]。有限元分析可以在比适当的数值解更短的时间内准确地模拟底盘所承受的载荷。然而,模拟仍然只是设计性能的一种表示,并不一定能揭示问题变量对载荷的影响,如材料特性和几何特征,小的几何特征会影响有限元分析中的网格播种。用户输入数据错误也可能导致可疑模拟结果的错误置信度。K1070J. Denny等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067关于底盘设计的最重要的关键性能指标之一是扭转刚度参数[32]。扭转刚度在很大程度上决定了车辆的转弯能力。开发了静态转弯/扭转刚度模型,以验证底盘在转弯时的行为,并能够量化产生扭转 刚 度 要 求 的 设 计 参 数 [2] 。 Milliken 和 Mil- liken 的 Race CarVehicle Dynamics [1995]的先前静态模型X通常在3和5之间[26]。底盘的扭转刚度决定了转弯时前后悬架的侧倾角有多一个刚性底盘将迫使后悬挂辊是类似的前面。不同的侧倾角会导致横向载荷转移,影响车辆的操纵性必须注意的是,增加底盘抗扭刚度可能会增加重量,特别是随着芯部厚度和表面材料层数量的增加必须做出折衷,以确保开发出具有足够抗扭刚度和低重量特性的底盘硬壳式底盘结构的复杂性使得其扭转刚度参数的精确仿真变得通常采用几何简化的方法来简化模型,从而降低了分析的复杂性在Hagan 、 Rappolt 和 Waldrop 的 Formula SAE Hybrid CarbonFibre Monoco-que/Steel Tube Frame Chassis [2014]中用于确定抗扭刚度的先前方法管的一端被约束为径向位移,而另一端受到某个预定大小的剪切载荷。这个模型的问题在于它过于简化,不能产生准确的结果。本研究旨在发展一种在不过度简化模型的情况下,建立硬壳式底盘模型的方法采用迭代有限元分析方法优化了硬壳式底盘的结构完整性。使用Siemens NX Nastran[33]进行线性静态有限元分析,以获得模拟结果。根据审查现有太阳能汽车设计[14从现有的太阳能汽车设计中采用了各种有利的底盘设计技术,例如减少前面积,并应用于模型几何形状。目标参数(包括扭转刚度)是通过研究底盘载荷条件而开发的,详见第6.2小节。采用扭转载荷工况建立了底盘扭转刚度模型。第3节中详述的复合材料失效标准用于确定基准扭转刚度值。为了确定扭转刚度,通过分层壳建模技术,将初步底盘模型建模为具有CQUAD 4元素的2-D壳,详细信息见第7节。图2a所示的二维层合板一维网格收集器用于代表前悬架-见图。 2b. RBE 2元件的质量可以忽略不计,代表前悬架臂,并将车轮载荷传递到底盘,而不吸收任何应力。有限元分析遵循迭代过程,其中分析了扭转刚度参数。根据型号说明书,固定后悬架支座,并在前悬架臂端部沿相反方向施加相等的力(详见第6.2小节)。该模型在车辆中心周围产生一个力矩,产生一种确定底盘几何形状和铺层修改-图2a. 后悬架约束。图2b.前悬架载荷表示。对该模型施加多个条件,直到获得合适的扭转刚度值。修改的目的是改变底盘关键区域的几何形状和铺层,目的是增加面积力矩,从而增加扭转载荷旋转轴周围的6.1. 建模技术有两种主要的方法时,建模的复合单体。第一种是这种方法可以很好地表示可能的堆芯失效模式,但计算成本相当高。第二种是在单壳单元内,可以在J. Denny等人 /工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067-10771071厚度方向,代表芯层和面层压层[34,35]。该方法不能很好地评估可能的堆芯失效模式,但在模拟底盘设计参数(如抗扭刚度和主NR应力)时被认为足够准确。另一种用于对复合材料单体壳体进行建模的方法是这种方法类似于两者之间的主要区别在于所显示的主要失效模式。在由于在这项工作中没有评估分层失效模式,6.2. 负载条件车辆的底盘在运行时承受各种载荷,其中大部分载荷来自悬架。在本研究中,仅验证了正常运行负载,因为热负载将可忽略不计;底盘预期用于太阳能应用,这意味着不存在来自内燃机的热量。底盘上的载荷条件可分为全局载荷条件和局部载荷条件。全局载荷条件与底盘作为一个整体所承受的载荷有关。这些可以分为四种主要情况,即扭转载荷、垂直弯曲、侧向弯曲和水平菱形。扭转载荷使底盘的一端相对于另一端扭转,并且可以由各种来源产生,最常见的情况是当车轮接触凸起时,使该车轮相对于其他车轮升高底盘的扭转刚度参数是其抵抗这种扭转运动的能力。没有足够扭转刚度的底盘将不能抵抗该扭矩,从而导致车辆失去牵引力。垂直弯曲是指加速或减速时底盘的“下蹲”或“俯冲”。当加速时,底盘当减速时,底盘“俯冲”。因为垂直弯曲不影响车辆的牵引力,所以它被认为是比扭转刚度重要性小的设计参数。此外,具有足够扭转刚度的底盘也将具有足够的弯曲刚度[26]。侧向弯曲-车辆这种情况在很大程度上取决于车辆的重量和高度。底盘侧倾应该受到限制,因为它在很大程度上影响车辆的稳定性,但不会像扭转刚度那样严重地影响稳定性。图三. 扭转载荷对底盘的影响[36]。水平菱形-不相等的水平力使底盘变形成平行四边形。这种情况被认为是少见图4。 由于加速度引起的下蹲效应[36]。图五. 横向弯曲对底盘的影响[36]。见图6。 水平菱形对底盘的影响[36]。×1072J. Denny等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067与底盘设计的抗扭刚度、垂直弯曲和横向弯曲参数相比,这是一个值得关注的问题,因为它比底盘更依赖于轮胎的牵引力[37]。在模拟设计时,将扭转刚度模型指定为主要荷载工况,并将横向和竖向弯曲荷载工况作为次要荷载工况进行验证。这将验证具有足够扭转刚度的底盘表现出足够的弯曲刚度。每个荷载工况所用的约束和荷载条件的总结见附录A. 对于垂直弯曲分析,挠度比至关重要[38]。对于此分析,底盘被建模为一个简单的支持梁,支持在悬架安装和负载施加到底盘中心。梁理论表明,挠度比定义为底盘中心的挠度与其长度的比值[38],应限制为底盘长度的1/360[39]。对于横向弯曲分析,将载荷施加到车辆侧面,以模拟转弯时引起的横向载荷。局部载荷条件与安装位置(如电机悬挂架)处的载荷有关这些区域受到高应力集中,因为它们是应力有效地转移到底盘的点。要求这些安装位置具有足够的刚性并具有足够的强度以承受存在的集中载荷。需要在这些点上进行“硬点”分析。这包括分析安装位置处的主应力,并确保最大主应力不超过应力方向上复合材料的极限拉伸应力。这确保了不会发生纤维断裂的失效模式必须选择用于模拟的载荷情况和施加载荷的大小,以确定底盘的参数。复合材料硬壳式结构的独特之处在于它们能够分散来自悬挂载荷的应力。它们被设计成这样一种方式,即身体本身经历非常轻微的压力。这是由于安装点和内部结构吸收了大部分施加的应力。如前所述,扭转刚度参数对于底盘设计至关重要为了使底盘的扭转刚度最大化,需要模拟最严重的载荷情况,即模拟车辆在高速行驶时撞上隆起或坑洼的隆起情况。这种负载情况下传输的垂直力通过悬架- sion臂的安装点。该载荷的大小很难确定,但保守估计是负载车轮所承受重量的三倍[17]。由于车辆的重量是未知的,因此定义了部件重量的良好近似值根据现有的UKZN太阳能汽车知识[40],假设底盘质量为40 kg,电池箱质量为35 kg,机械系统质量为10kg,电子设备质量为5 kg,因为在类似车辆的设计中将采用类似的太阳能电池阵列和电子悬架系统、车轮、制动器和电机的质量不包括在分析中,因为这些质量是非簧载质量,不会加载安装点,因为它们连接在减震器下方根据普利司通世界太阳能挑战赛的规则和规定,每个乘员的质量必须至少为80公斤。考虑到两个乘员,产生250 kg的总簧上质量。假设车辆重量均匀分布,每个车轮应承受62.5 kg(625N)的重量。当碰撞箱施加约3 g的加速度[17]时,每个安装位置处的悬架力为187.5 kg(1875 N)。为了适应任何其他部件的重量,1875 N的重量可以增加10%,产生约200 kg(2000 N)的力。虽然比每个轮子的假定重量大得多,该力是保守的近似值,以确保避免屈服和疲劳失效。7. 有限元分析结果开发了静态模型,以根据载荷条件章节中提到的扭转载荷情况确定底盘的扭转刚度,因为该情况被视为载荷条件的最差情况该载荷工况用于确定底盘的扭转刚度参数。对于有限元分析,Siemens NXNastran[33]是用于底盘建模的软件一旦开发出合适的几何模型,就生成了用于模拟的合适网格。对于模型CQUAD 4,使用平均单元尺寸为10 mm的二维壳单元来模拟材料元件尺寸被认为是足够的,因为与元件尺寸相比,几何尺寸较大,长度分别约为4500 mm,宽度为1800 mm,这确保了元件准确地表示几何形状所表现出的高曲率进行了一项网格独立性研究,其中平均单元尺寸减小,模拟结果无显著变化,这意味着10 mm单元尺寸证明了足够的网格独立性。西门子一旦运行,不满足网格质量阈值参数的元素被暴露。网格质量检查导致一些元素适度变形,但不足以影响模拟结果。此外,这些元件位于底盘的非关键区域,例如车轮整流罩,因此不会影响结果。层压层之间的结合强度为50 MPa,以模拟基质材料的结合。这是制造商AMT Composites[41]规定的粘合强度。选择22英寸碳纤维编织物作为模拟的蒙皮材料,因为它在平纹和缎纹编织物的有利特性之间提供了良好的折衷。由于泡沫芯的低密度和高成形性,选择其用于初始模拟将驾驶员侧和副驾驶员侧模型的变形结果(5)和(6),以及底盘的磁道宽度,以获得底盘的角然后将该角偏转与施加的力和履带宽度一起代入方程(4),以获得底盘的平均扭转刚度。研究了各种芯和纤维材料组合,直到获得合适的与泡沫芯相比,铝蜂窝具有优异的刚度特性,并且还进行了研究以确定其对扭转刚度的影响分析结构完整性的第一步,通过有限元分析,复合材料单体底盘是开发一个初始模型和铺层程序。这是通过使用现有的UKZN太阳能汽车知识[40]并回顾有关几何建模技术和层压板铺层方向的底盘设计的相关文献[30,31,42]来确定的。下一阶段是开发概念设计,利用从相关文献[15,16]中获得的知识,遵循设计规范,并选择最合适的概念来实施作为最终设计。复合材料硬壳式底盘的设计是一个迭代的设计过程。研究了不同的几何形状改变和层压板铺层方向,直到扭转试验结束。×-J. Denny等人 /工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067-10771073刚度参数。对于图7所示的初步设计,底盘被设计为可容纳两名乘员的全硬壳式。车辆是纵向对称的,由光滑,渐进的轮廓,以尽量减少气动阻力和应力集中。车辆的车顶和发动机罩仅向一个方向弯曲,以确保太阳能电池板可以有效地安装。为了减少车辆的前部面积,在车辆下方运行的凹部具有恒定的面积和渐进的形状变化,以用于空气动力学目的。前、后护罩的几何形状分别设计为适应双横臂和拖臂悬架系统。根据文献,特别是2015年UKZN Solar VehicleHulamin[43]确定初始层压板铺层,并应用于底盘的部分,如下所示:● 顶部和侧面● 悬挂支架● 内部结构● 前和后选择22微米碳织物作为层压面材料,以及聚氨酯泡沫芯。附录B[41]总结了材料的机械性能。由于使用了斜纹编织,因此仅使用0°和45°的纤维取向,因为0°取向与90°取向相同,45°和45°取向也是如此。经向纤维方向对应于材料取向坐标系,纬向纤维方向垂直于经向纤维取向。本文将铝蜂窝芯与泡沫芯进行比较,以确定其对扭转刚度的影响。创建线性静态模拟以记录底盘对负载条件的反应图中所示的偏转。 8,用于确定底盘的扭转刚度。由于底盘是纵向对称的前左和右悬架端部的偏转是相同的。 图图8示出了在前悬架端部处的大约5.373 mm的偏转,并且当代入相关方程时,连同2000 N的力和1.3 m的履带宽度,通过上述计算过程,产生满足4000 Nm/deg的失效标准的5489.8 Nm/deg的扭转刚度。通过对每个层压件部分的各个固体特性质量求和来计算底盘的估计质量,其产生43.41 kg的质量,并验证底盘质量40 kg的初始假设。虽然达到了所需的扭转刚度值的几何形状和铺层修改的扭转刚度的影响进行了研究。见图7。 初步设计模型。见图8。 初步模型前悬架偏转。7.1.设计修改为了减少底盘的质量,底盘的部分被改变的基础上的有限元结果的初步模型。有限元分析表明,底盘的挠度向后方减小这是因为底盘的前部和中心吸收了施加载荷产生的大部分应力并相应地偏转这意味着后部区域的几何形状变化对扭转刚度的影响可以忽略不计部分被删除后支撑板和后悬架安装,如图所示。 9、减少底盘的重量。后悬架进入舱口被削减到后方的底盘,如图所示。 9、创造进入后悬架部件和减轻重量。据观察,大的车门凹口对扭转刚度有显著影响。这些大孔降低了底盘抵抗扭曲的能力。为了验证这一理论,门的凹处被修补起来,并模拟成固体表面。虽然这是一个不切实际的模型表示,它是一个有效的手段,以确定影响的门凹处的扭转刚度。为了保持一致,将与初始模型相同的扭转刚度模型、载荷条件、层压板铺层和约束条件应用于该模型。图10示出了大约100 °的悬架前端偏转。2.5 mm,抗扭刚度为11798.4 Nm/deg,更多见图9。改变了后方的几何形状。1074J. Denny等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067比原始模型的抗扭刚度高一倍。这表明车门凹口对扭转刚度有显著影响。通过从初步模型减小底盘门凹槽的尺寸,开发了更真实的模型较小的凹槽应改善扭转刚度值。在本分析中,由于门的预期安装方法,门不被视为结构元件同样,有限元模型设置保持不变,如在以前的模型中实现的。图12所示为前悬架端部的约4.159 mm偏转,产生7092.2 Nm/deg的扭转刚度值。这是相对于初步扭转刚度结果的扭转刚度的显著增加。值得注意的是,较小的几何形状变化导致初始模型的扭转刚度显著增加,因为这种较小的几何形状变化不会显著影响底盘的质量,增加2.1%导致扭转刚度显著增加,即增加29.2%。几何形状的改变导致估计质量为42.45公斤。接下来研究铺叠修改的效果。为了增加抗扭刚度,蜂窝芯具有见图10。 带封闭门的底盘的挠度结果。远大于泡沫的刚度性能。铝蜂窝因其优越的物理性能而被选中。然而,铝蜂窝在多于一个方向上不能很好地弯曲,并且不能在高曲率区域处实现因此,采用泡沫和蜂窝芯相结合的方法来解决这一问题.下面示出了底盘的不同区域及其各自的铺层:● 顶部和侧面● 悬挂支架● 内部结构● 前后● 罩见图12。 带有紧凑车门的底盘的挠度结果。见图11。 改变模式与紧凑的门。图十三. 复合材料蜂窝芯和泡沫芯的变形结果。J. Denny等人 /工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067-10771075将上述层压叠层应用于具有紧凑门的模型。在相同的载荷条件下进行了相同的扭转刚度分析,并实现了约3.6 mm的挠度(见图13)。当代入相关方程时,这产生了8193.4 Nm/deg的扭转结果表明,铝蜂窝芯对底盘的扭转刚度有显著影响。除此之外,底盘的估计质量降低到40.05 kg,降低了5.6%。这表明,与泡沫芯相比,蜂窝芯增加了底盘的刚度,同时降低了底盘的重量。为了验证扭转刚度参数是底盘设计中最重要的关键性能指标,模拟了垂直弯曲和横向弯曲载荷情况。垂直弯曲分析将底盘建模为简支梁,后悬架安装位置建模为销支撑,仅允许绕其自身轴线旋转,前悬架安装位置建模为滚子支撑,仅允许沿底盘长度平移并绕其自身轴线旋转。然后,将垂直荷载(文献中建议的大小为1 g[17])施加到底盘中心,并确定中跨处的最大挠度。模拟结果显示最大挠度为5.275 mm对于满足垂直弯曲失效标准的底盘,底盘的偏转不得超过底盘长度的1/360,即最大允许偏转为12.29 mm。最大偏转比最大允许偏转低57.1%。这验证了满足扭转刚度失效准则导致满足垂直弯曲失效准则。扭转刚度模型导致产生了合适的几何形状和铺层,但没有考虑材料是否如果结构满足纤维断裂失效准则,则验证这一点为了确定这一点,必须计算结构中引起的最大正应力。可以有大量的平面穿过结构的给定区域,每个平面都有自己的法向应力值。有一个平面上的正应力最大,它对应于最大主应力。主应力是应力张量的分量,当基底以剪切分量变为零的方式改变时这可以用莫尔圆来说明[44]。对于应力方向为图14. 垂直弯曲模型最大挠度。图15.最大主应力。这对于确定适当的层压叠层取向是必要的。图15示出了在垂直方向上的81.68MPa的最大主应力。这是预期的,因为施加到悬架安装件的负载是垂直的。最大主应力出现在前悬挂装置上,在那里需要建造“挂载点”来解决应力集中问题。最大主应力集中在前悬置处。然而,最大主应力仍低于面材抗拉强度464.4 MPa的应力[41]。这表明,底盘可以承受由悬架施加给它的应力,并且将满足纤维断裂失效模式标准。根据[45]中发现的理论,基于最大应力标准的底盘安全系数计算为5.69。最大主应力是底盘承受的最大应力状态。该应力来自扭转刚度模型。为了验证扭转刚度参数的重要性,将横向弯曲模型引起的最大弯曲应力与最大主应力进行比较。 横向弯曲模型模拟了底盘转弯时所承受的载荷。为了模拟这种梁理论再次使用,与垂直弯曲模型一样。载荷施加在底盘的侧面,以模拟转弯时底盘惯性产生的力。文献表明,底盘的最大允许横向加速度不应超过1 g[17],以显示足够的弯曲刚度。该载荷沿相同方向均匀分布在底盘的两侧。后悬架支架被建模为销支撑,允许垂直于其自身轴线的垂直旋转,并且前悬架支架被建模为辊支撑,图16.侧向弯曲模型最大应力。1076J. Denny等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067允许沿底盘长度平移和垂直旋转。对弯曲应力结果进行了分析,并与最大主应力进行了比较。图16示出了18.73 MPa的最大弯曲应力;比底盘中存在的最大主应力小77.1%。这表明扭转刚度-扭转刚度值显著增加,即15.5%,并且获得8193.4Nm/deg的扭转刚度。总之,底盘几何形状、层压板铺层和芯材显著影响扭转刚度。表1总结了迭代和相应的扭转刚度值。Ness模型导致更高的应力施加在底盘上进一步表明了扭转刚度参数的重要性。模型扭转刚度(Nm/deg)第5489.8章8. 结论本文报道了一种结构合理的复合材料硬壳式底盘,通过迭代有限元分析过程的发展。在底盘设计方面,一个突出的关键性能指标是扭转刚度。初步改变后的几何形状和紧凑的车门复合铝和泡沫芯7092.28193.4根据扭转刚度模型建立了模型并加载。修改了几何形状和铺层,目的是增加扭转刚度。几何形状的修改包括增加了后悬架通道舱口,改变了后支撑板,并减少了门凹处的尺寸有限元分析表明,底盘扭转刚度显著依赖于底盘的几何形状和层压铺层通过压缩底盘的车门凹槽,扭转刚度增加了29.2%,这一点很明显同样重要的是要注意,铝蜂窝提供对悬架安装位置进行了分析,以确保最大主应力不超过加固材料的最大许用应力。对主应力的分析表明,最大主应力,即81.68 MPa,导致安全系数为5.69,没有超过面板材料的极限抗拉强度。分析表明,最大主应力垂直作用于前悬架安装点,表明前悬架施加的载荷将沿加强材料纤维传递。附录A加载条件和约束的汇总。加载条件扭转刚度竖向弯曲侧向弯曲施加载荷3 g1 g1 g后悬架X轴平移固定固定固定后悬架Y轴平移固定固定固定后悬架Z轴平移固定固定固定后悬架X轴旋转固定免费固定后悬架Y轴旋转固定固定固定后悬架Z轴旋转固定固定免费前悬架X轴平移免费固定固定前悬架Y轴平移免费固定固定前悬架Z轴平移免费固定固定前悬架X轴旋转固定免费固定前悬架Y轴旋转免费固定固定前悬架Z轴旋转固定固定免费附录B模拟材料属性表[41]。材料AMT 2× 2斜纹M60细胞泡沫芯PCF铝芯杨氏47000 MPa44 MPa6·9MPa杨氏47000 MPa44 MPa6·9MPa杨氏N/AN/A1241.6 MPa密度1600公斤/立方米65公斤/立方米4919公斤/立方米泊松0.050.30.1泊松N/AN/A0.1泊松N/AN/A0.1剪切模量(G)5100 MPa20 MPa186.2兆帕剪切模量(G13)N/AN/A469 MPaJ. Denny等人 /工程科学与技术,国际期刊21(2018)1067-10771077引用[1] E.贝坦库尔河Mejia-Gutierrez,G. Osorio-Gomez,A. Arbelaez,太阳能赛车的结构部件设计,在:机械,设计工程和先进制造国际联合会议,卡塔尼亚,2016年。[2] C.A. Eurenius,N.Danielsson,A.Khokar,E.Krane,M.Olofsson,J. Wass,复合材料底盘分析,查尔姆斯理工大学,哥德堡,2013年。[3] G.根塔湖Morello,汽车底盘,Springer,都灵,2009年。[4] 普利司通世界太阳能挑战赛,2017年普利司通世界太阳能挑战赛规则,2016年普利司通世界太阳能挑战赛。[5] W.S. 新泽西州赫特Van Rensburg,D.M.Madyira,G.A.Oosthuizen,先进复合材料的静态分析,用于实验性轻型太阳能汽车悬架系统的优化设计,在:ASME 2014国际机械工程大会博览会,蒙特利尔,2014年。[6] M. Mohsan,太阳能汽车的前后悬架设计,马来西亚彭亨大学,北坎,2016年。[7] 卡马戈角Fragassa,A. Pavlovic,M. Martignani,太阳能汽车悬架设计演变分 析 ,FME Trans. 45(3)(2017)394-404。[8] 太 阳 能 团 队 Nuon , Nuon 的 基 础 : 暂 停 , 2017 年 。 [ 联 机 ] 。 网 址 :https://www.nuonsolarteam.nl/nuna/>。(2018年2月28日访问)。[9] A.戈恩湾李瑞,汽车底盘设计、分析与测试,汽车工程师学会技术论文,康乃尔大学,纽约,2002年。[10] A. Crocombe,E. Sampe,A. Somiotti,底盘扭转刚度:对车辆动力学影响的分析,在:SAE 2010世界大会展览,底特律,密歇根州,美国,2010年。[11] G. Davies ,Materials for Automobile Bodies,Elsevier,Oxford,2012。[12] G. 米纳克角弗拉加萨de Camargo,关于节能太阳能汽车设计和制造中决定性因素的简要评论,载于:可持续设计和制造,瑞士Cham,2017年。[13] J. Wanberg,复合材料制造手册,WolfgangPublications,Stillwater MN,2009年。[14] S. Paterson,P. Vijayaratnam,C.佩雷拉湾Doig,设计和开发Sunswift eVe太阳能汽车:破纪录的电动汽车,J. Automobile Eng. 230(14)(2016)1972-1986。[15] D. Mathijsen,Reinf重新定义汽车很厚。 60(2016)154-159。[16] S. 田村,帝人先进的碳纤维技术用于建造太阳能汽车的世界太阳能挑战赛,加强。很厚。60(2016)160-163。[17] D.R.
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