Karbon kompozit szerkezet tervezése és optimalizációja az eCon Engineering-nél.
A QUIET PROJEKT
A QUIET (QUalifying and Implementing a user-centric designed and EfficienT electric vehicle) nemzetközi projekt elektromos jármű hatótávnövelését célozta meg, fejlesztve annak energiahatékonyságát az autó teljesítménycsökkenése nélkül. A fő célkitűzés egy olyan hatékony továbbfejlesztési módszer kidolgozása volt egy elektromos járművön, ami valós vezetési körülmények között (téli hidegben, vagy nyári kánikulában) is megállja a helyét. A megvalósítás során az alábbi technológiai portfólió tagjainak szinergikus hatása került kiaknázásra (1. ábra):
- Felhasználóközpontú utastér továbbfejlesztett utas komforttal és biztonsággal,
- Növelt termikus szigetelőképességű, könnyűszerkezetes megoldások,
- Optimalizált jármű energiamenedzsment.
Az eCon Engineering, mint munkacsomag vezető volt felelős a projektben a fokozott hőszigetelő képességgel rendelkező könnyűszerkezetes anyagok alkalmazásáért. A konkrét megoldás során szénszál erősítésű polimer kompozitokat, könnyűfémeket és újdonságnak számító fém-polimer habokat is használtak a továbbfejlesztés során, szoros együttműködésben a konzorciumi tagokkal például az AIT-vel (Austrian Institut of Technology) és a Fraunhofer IFAM-mal.
A CÉL
A QUIET-ben az eCon által vezetett munkacsomag során csökkentett tömegű, ugyanakkor jobb hőszigetelő képességű oldalablakok és szélvédők, oldalajtók, valamint csomagtér ajtó és motorháztető került kifejlesztésre. A kezdeti célok között volt a szélvédők esetén 30%, az oldalajtóknál 20%, míg az üléseknél 10% tömegcsökkentés a hagyományos kialakításhoz mérten, mindezt a termikus tulajdonságot számottevő fokozása mellett, amely kisebb energiafelhasználást eredményez nemcsak az autó gyorsítása, vagy haladása közben, hanem az utastér fűtése, vagy hűtése során is.
AZ ELJÁRÁS
A fejlesztési eljárás (2. ábra) az adatgyűjtéssel kezdődött, amely az eredeti, továbbfejleszteni kívánt megoldások teljeskörű elemzését, analízisét jelentette, amely során lehetőség nyílt a potenciális tömegcsökkentés és a hőszigetelő képességek fokozásának feltérképezésére. Az eredeti kialakítás elemzéséből nyert adatok szolgáltak a továbbfejlesztett struktúrák fejlesztéséhez kiindulási alapként. Ezután kerültek kialakításra az újratervezett alkatrészek, bevonva az anyagtudomány, számítógéppel segített tervezés (CAD, Computer Aided Deisign) és a végeselemes szimuláció (FEM, Finite Element Method) kínálta lehetőségeket. Minden alkatrész esetén többlépcsős iteráció során alakult ki a végleges felépítés, mind geometria, mind anyaghasználat terén a lehető legkedvezőbb végeredmény elérésének érdekében.
A könnyűszerkezetes oldalajtó újratervezése karbon kompozit alapanyagok felhasználásával történt, amely folyamat magába foglalt egy tömeg-költség arányt, illetve hőszigetelő képességet figyelembe vevő optimalizációt is. Ennek megvalósításához kísérlettervezés (DoE, Design of Experiments) eszközei kerültek alkalmazásra annak érdekében, hogy a kompozit anyagokkal való újratervezés azokon a területeken legyen elvégezve, ahol az a leghatékonyabban hozzájárul a célok eléréséhez. Ennek alapján kijelölésre kerültek átalakítandó és eredeti formában megőrzendő részegységek az oldalajtókon belül. Ebben a munkafázisban a kompozit szimulációk ANSYS ACP (Composite PrepPost) segítségével kerültek előkészítésre és kiértékelésre a statikus, míg LS-DYNA segítségével az előre definiált oldal ütközés (2/b ábra) terhelések során. A fejlesztési folyamat végén meghatározásra kerültek a tömeg, a költségek, a termikus tulajdonságok és a merevség közötti kompromisszumok és kiválasztásra került az egyes komponenseknek lehető legjobb kompozit rétegfelépítés.
AZ EREDMÉNYEK
A projekt végén mind a tömegcsökkentésre vonatkozó, mind a hőszigetelő képesség javítására vonatkozó célok megvalósításra kerültek.
A munka során nem csak a fejlesztés és virtuális tesztelés ment végbe, hanem a megtervezett alkatrészek legyártásra is kerültek prototípusként (3. ábra). Ezek az alkatrészek beépítése után a demonstrátor járművön különböző energiahatékonysági teszteket végeznek 2020 harmadik negyedévében. Mindezeket összegezve az említett munkacsomag eredménye nemcsak új tervezési koncepció és gyártási terv volt, hanem valódi alkatrészek is, amelyek jelentős tömegcsökkentéssel és jobb hőszigeteléssel, valamint alacsonyabb hőkapacitással rendelkeznek.
A projekt során a különböző alkatrészekhez kapcsolódóan a kísérleti gyártáson túl az esetleges nagyobb volumenű, vagy sorozatgyártás költségei is meghatározásra kerültek.
Köszönetnyilvánítás:
Ezt a projektet az Európai Unió Horizont 2020 kutatási és innovációs program támogatta a 769826 sz. megállapodás alapján. Ezen publikáció tartalma kizárólag az itt felsorolt konzorcium partnerek felelőssége, és nem feltétlenül jelenti az Európai Bizottság nézetét.
Szerző: Turcsán Tamás, Szerkezetelemző mérnök és a QUIET H2020 Projekt menedzsere
