Het gebruik van optimalisatiesoftware bij het ontwerp van de draagstructuur voor een zonnewagen

Brecht Van Hooreweder
 
DE SOLAR CAR: EEN BLIK ACHTER HET ZONNESCHERM
 
In oktober 2007 finishte het Umicore Solar Team van de Leuvense hogeschool GROEP T als tweede in de Panasonic World Solar Challenge, het wereldkampioenschap voor zonnewagens in Australië. Speciaal voor de race ontwierp en bouwde het team een unieke Solar Car. De wedstrijd en het team kwamen al uitgebreid aan bod in de media maar wat schuilt er precies achter de glimmende zonnepanelen?
 
 
De Solar Car van de Leuvense ingenieursstudenten oogt spectaculair maar is bovenal een knap staaltje van technologisch vernuft.

Het gebruik van optimalisatiesoftware bij het ontwerp van de draagstructuur voor een zonnewagen

 

DE SOLAR CAR: EEN BLIK ACHTER HET ZONNESCHERM

 

In oktober 2007 finishte het Umicore Solar Team van de Leuvense hogeschool GROEP T als tweede in de Panasonic World Solar Challenge, het wereldkampioenschap voor zonnewagens in Australië. Speciaal voor de race ontwierp en bouwde het team een unieke Solar Car. De wedstrijd en het team kwamen al uitgebreid aan bod in de media maar wat schuilt er precies achter de glimmende zonnepanelen?

 

 

De Solar Car van de Leuvense ingenieursstudenten oogt spectaculair maar is bovenal een knap staaltje van technologisch vernuft. Een paar cijfers kunnen dit illustreren. Op een doorsnee zomerse dag haalt de wagen topsnelheden tot 130 km per uur. Met een CdA van minder dan 0.095 ligt zijn luchtweerstand 6,25 keer lager dan die van een Porsche Carrera. Zijn elektrische motor heeft een rendement van 95 %, hiermee scoort hij dubbel zo goed als een benzinemotor. Daarenboven bedraagt zijn gewicht slechts 195 kg, terwijl de auto toch 5 m lang, 2 m breed en 1 m hoog is. Ter vergelijking: een kleine Peugeot 206 weegt 5 keer zoveel.

 

 

Superlicht en ijzersterk

Een van de uitdagingen van het Solar Project was het ontwerp van het lichtgewicht chassis of de draagstructuur van de wagen. Deze kan je zowat vergelijken met het skelet van de mens. Het chassis zorgt voor de stijfheid en de sterkte van het geheel. Alle onderdelen worden eraan bevestigd. De draagstructuur van de wagen moet in staat zijn om alle krachten op te vangen die optreden bij het remmen, versnellen of het nemen van een bocht. Ook de veiligheid van de piloot moet door de draagstructuur worden gegarandeerd. Maar hoe ontwerp je een structuur die superlicht maar toch ijzersterk is?

 

 

In de eerste ontwerpfase hebben we geopteerd voor het gebruik van dunwandige aluminiumprofielen. Deze combineren een hoge sterkte en stijfheid met een licht gewicht. Bijgevolg zij ze zeer geschikt voor de draagstructuur van de zonnewagen. We gingen ook op zoek naar een speciaal soort aluminium dat heel goed lasbaar is. Zo kunnen de profielen bij de assemblage van het chassis gemakkelijk met elkaar worden verbonden tot een solide structuur.

 

 

Supersnel maar niet perfect

Eenmaal de profielen gekozen, was het zoeken naar de optimale ligging ervan in het aerodynamische koetswerk. Deze fase van het ontwerpproces was de meest complexe maar ook de beslissende stap in de ontwikkeling van de draagstructuur. Daarvoor maakten we gebruik van gespecialiseerde software, in vaktermen ‘optimalisatiesoftware’ genoemd. Aan de hand daarvan kun je de plaatsing van de verschillende profielen binnen het aerodynamisch koetswerk berekenen. We zochten immers naar de optimale verdeling van het materiaal om tot een lichtgewicht structuur te komen die net stijf en sterk genoeg is om alle inwerkende krachten het hoofd te bieden.

 

Maar hier stelde zich een probleem. De software rekent weliswaar supersnel maar mirakeloplossingen kun je er niet van verwachten. In feite past het programma precies dezelfde formules toe die de ingenieur ook zou gebruiken, alleen veel sneller. Het komt erop neer dat de gebruiker eerst alle gegevens en randvoorwaarden moet invoeren zoals een driedimensionale tekening van het koetswerk, de krachten die op de structuur inwerken, de materiaaleigenschappen, enz. Op basis hiervan stelt de software dan de optimale ligging van de profielen voor.

 

 

Maar precies hier situeren zich de beperkingen. De computer houdt namelijk enkel rekening met de data die door de gebruiker zijn ingevoerd. En die data beschrijft de echte situatie natuurlijk nooit voor 100 %. Een nauwgezette controle van de oplossingen die door het programma waren voorgesteld was dus noodzakelijk. Dit gebeurde via klassieke handmatige berekeningen. We testten eveneens enkele gelaste aluminium proefstaven om de materiaalparameters en de sterkte van de lasnaad te verifiëren. Verder bestudeerden we de praktische haalbaarheid van de materiaalverdeling. Zo kan de software in theorie vijf profielen in één punt laten samenkomen terwijl er in de praktijk hoogstens drie met elkaar verbonden kunnen worden. Om die reden bouwden we een houten prototype van de draagstructuur op ware schaal. Zo konden we eventuele problemen bij de productie van de structuur in een vroeg stadium van de ontwerpcyclus op het spoor komen, nog voor ze zich op de lastafel zouden voordoen.

 

 

Bewijs van kwaliteit

Het ontwerp van de draagstructuur nam twee volle maanden in beslag. Dankzij de goede voorbereidingen duurde de productie slechts drie weken. Het chassis van de zonnewagen heeft inmiddels al meer dan 10.000 km doorstaan – waarvan 3.000 km door de ruige Australische woestijn – en voldoet nog altijd aan alle kwaliteitseisen. Enerzijds kunnen we besluiten dat de gespecialiseerde optimalisatiesoftware zijn nut heeft bewezen. De zonnewagen van het Belgische Solar Team was een van de lichtste wagens uit het deelnemersveld. Anderzijds kunnen we stellen dat supplementaire controleberekeningen en tests noodzakelijk waren om een chassis te ontwerpen dat zowel licht, betrouwbaar, als produceerbaar was.

 

 

Dat ons ontwerpwerk ook internationaal op belangstelling kan rekenen, bleek uit de grote opkomst voor de voorstelling van onze wetenschappelijke publicatie tijdens het FISITA World Automotive Congress 2008 in München. Dit is zowat de belangrijkste vakbeurs in de automobielsector.

 

 

In juli 2008 is een nieuw Solar Team bij GROEP T van start gegaan. De teamleden gaan voor niet minder dan de eerste plaats volgend jaar in Australië. Onze ontwerpresultaten zullen hen goed van pas komen.

 

Bibliografie

[1] Chris Selwood. Technical regulations of the Panasonic World Solar Challenge 2007. Australië, 2007.

[2] Douglas R. Carroll. The Winning Solar Car: A Design Guide for Solar Race Car Teams. SAE International, 2003.

[3] Joppe Leysen, Philippe Bernaer. Het driewielerconcept van de ‘Umicar’ zonnewagen, Leuven, 2007.

[4] Daan Hofman, Gert Janssens. CFD studie en optimalisatie van de aërodynamische vorm van een zonnewagen. Leuven, 2006.

[5] Tim Clukers. Aërodynamische studie van de Umicar Infinity. Leuven, 2008.

[6] Hervé Billiet, Kristof Gaukema. Het ontwerp en bouw van het frame en composietonderdelen van een zonnewagen, Leuven, 2007.

[7] P.D. Marchal. Aluminium in dunne plaat en buis. Tech-info-blad nr. TI.04.21. Nederland, juli 2004.

[8] Totten, George E. Handbook of aluminium. Dekker, New York, 2003.

[9] Aluminium centrum, www.aluminiumcentrum.nl. Aluminium toegepast in dynamisch belaste constructies. Aluminium centrum, Nederland 2002.

[10] Kaufman J. Gilbert. Properties of Aluminium alloys: tensile creep and fatigue data at high and low temperatures. ASM International, Berlin, 1999.

[11] Gunter Drossel, S Friedrich, W. Huppatz, W. Lehnert. Aluminium Taschenbuch. Aluminium-Zentrale e.v., Dusseldorf, 1983.

[12] M.P. Bensoe, O. Sigmund. Topology optimization, Theory, Methods and Applications. Springer, Berlin Heidelberg, 2003.

[13] Prof. S. Vanlanduit, Ontwerpmethodologie. Vrije Universiteit Brussel, 2004.

[14] Russel C. Hibbler. Sterkteleer voor Technici, Academic Service, Den Haag, juni 2004.

Universiteit of Hogeschool
Industrieel Ingenieur Elektromechanica
Publicatiejaar
2008
Kernwoorden
Share this on: