Parallelsessie W109 Sustainable Solutions Gewichtsvermindering van voertuigen door slim materiaalgebruik
Erik de Lange
Even voorstellen
• Ir. H.P. de Lange (1965) • TU Delft Wtb • getrouwd, vijf kinderen • docent Industrieel Product Ontwerpen • 0,4 FTE onderzoeksdocent Kenniscentrum
Kenniscentrum Sustainable Solutions RDM • studie duurzaamheidsvraagstukken (mobiliteit, wonen, energie) • aanwending bestaande kennis innovatief combineren en integreren • kennisuitwisseling industrie-hogescholen
Samenwerking met:
Hoe veilig is 2050 kg auto?
1 2 Ek = mv 2
De negatieve gewichtspiraal
v kreukelzone
kooi
kreukelzone
De negatieve gewichtspiraal hele auto zwaarder
kooi zwaarder wielophanging zwaarder
voorste kreukelzone zwaarder
carrosserie zwaarder
zwaardere motor
Hoe benaderen ontwerpers lichtgewicht?
Lichtgewicht = Lichte materialen • (Carbon)-composieten • Laminaten • Supervezels • Aluminium, magnesium
Scheelt veel gewicht, maar: • Exotische materialen duur in de verwerking • Composieten en laminaten lastig te scheiden in componenten • Een slecht ontwerp in carbon blijft een slecht ontwerp!
Doel onderzoek • Testen effectiviteit methodes • Hoe kan lichtgewicht gecombineerd worden met andere eisen, bijvoorbeeld modulariteit? • Komen tot een innovatief busontwerp • Uitdagende studenten-opdrachten
De aanpak Het driefasenmodel voor lichtgewicht ontwerpen
Nu vaak: uitstel gewichtsbesparing tot laatste fase
1. productdefinitie start
2. conceptontwerp
3. engineering
Lichtgewicht ontwerp i.p.v. lichtgewicht engineering 1. productdefinitie start
2. conceptontwerp
3. engineering
integraal lichtgewicht ontwerpen
1. productdefinitie start
2. conceptontwerp
3. engineering
Case study: de elektrische lagevloer-stadsbus • Lage vloer van voor tot achter • Drie deuren • Door elektrische aandrijving van nature zwaar!
(plaatje toont conventioneel aangedreven bus)
• Bestaand: hybride versie conventionele bus • In studie: elektrische bus from scratch: plug-in + range extender
Fase 3 Engineeringfase
1. productdefinitie
2. conceptontwerp
3. engineering
tensegrity topologie-optimalisatie materiaalkeuze optimalisatie doorsnedeverloop optimale dimensionering
Verminderen van laagbelast volume staal, uitsteeklengte 150 mm, breedte 10 mm, kracht 200 N
recht
parabolisch, beste vorm?
σ max = 28,8 MPa
σ max = 28,7 MPa
Vr = 37,8 cm3
Vp = 25,2 cm3 = 0,67 Vr
Verminderen van laagbelast volume “fully stressed design” ideale situatie
parabolisch
σ max = 28,7 MPa Vp = 25,2 cm3
“optimale vorm”
σ max = 9,20 MPa Vr = 28,0 cm3
Buiging: zeer slechte benuttingsgraad De elastische energie opgeslagen in een onderdeel is een maat voor de stijfheid.
1 V 2 U= η σ 2 E
F
F
η =1 1 η= 9 M
η=
1 3
Buiging vermijden: Tensegrity in vakwerken
mogelijk toepassing in bus: • inwendige “kooi” • wielophanging
Vakwerkconstructies benaderen Tensegrity-ideaal
Buckminster Fuller
Klassieke optimalisatie • Optimalisatie van onderdelen – vorm van doorsnede (H, koker, etc.) – afmetingen van doorsnede
• Lay-out (basisvorm) blijft buiten schot • Grootste winst gemist!
Herbert Rees: Mechanics of Optimal Structural Design Ontwerp van optimale dwarsdoorsneden (vorm en afmetingen)
Klassieke optimalisatie van de dimensionering
x1 x = M xn vector met ontwerpvariabelen
F (x)
te minimaliseren doelfunctie, bijv. gewicht
g j ( x) < 0
j = 1K m
hk ( x) = 0
k = 1Kl
xil ≤ xi ≤ xiu
i = 1K n
beperkingen (constraints)
Voorbeeld: buisvormige kolom op druk (Schoofs, 1990) ontwerpvariabelen t
D x= t
D
F
doel: minimaal gewicht
t <
W = ρπ Dt h F
F
h A
A
F σ= ≤σ π Dt
σ≤
π 2 E(D2 + t 2 ) 2h
2
σ≤
2E t D 3(1 −ν 2 )
Voorbeeld: buisvormige kolom op druk (Schoofs, 1990) minimaliseer: g3=0
2,0
breuk, vloei
g4=0
1,0
optimum
W
globale knik
g 2 ( D, t ) =
=W
W
0
/3 =1
W
W0
=2 /3
σb =
W 0
0,5 W= 1/6 W
W =1 /4 W
g2=0
0
lokale knik
0
g1=0
0
g1 ( D, t ) =
0,5
1,0
1,5
wanddikteverhouding t/t0
σ −1 ≤ 0 σ
P σ= π Dt
1,5 diameterverhouding D/D0
F ( x) = W ( D, t )
2,0
σ −1 ≤ 0 σb
π 2 E(D2 + t 2 ) 2h 2
σ g 2 ( D, t ) = −1 ≤ 0 σs σs =
2E t D 3(1 −ν 2 )
Geometrie op drie niveaus •
1e niveau: Topologie (Lay-out) – configuratie van gaten – connectiviteit
•
Vorm – prismatisch of niet – vlak/ruimtelijk – enkel- of meervoudig gekromd – blended of niet
•
Afmetingen – doorsnedes, radii
Numerieke methodes voor topologie-optimalisatie
Filmpje ESO-methode
Commerciële software
TecoSim / Altair OptiStruct
Tekortkomingen numerieke optimalisatiemethodes • Berekenen optimale monodelen uit één materiaal. • Vorm dikwijls heel organisch, niet praktisch fabriceerbaar. • Niet (of minder) geschikt voor assembly’s • Hoe worden de grenzen tussen de monodelen bepaald? • Verwerkt in de oplossing alleen verplaatsing- en krachtsconstraints, geen technologische of economische randvoorwaarden.
Uit het hoofd!
Fase 2 Conceptfase
1. productdefinitie
2. conceptontwerp
3. engineering
tensegrity topologie-optimalisatie materiaalkeuze dematerialisatie functie-integratie
optimalisatie doorsnedeverloop optimale dimensionering
Dematerialisatie algemeen Phased Array radar; draaiend onderstel vervalt
geprojecteerd toetsenbord of touchscreen typemachine
inkjet
Dematerialisatie conventioneel elektrisch • geen versnellingsbak • geen aandrijfas • elektronisch differentieel • elektrisch remmen (wettelijk nu nog aangevuld met mechanische rem) • andere hulpsystemen
Dematerialisatie conventioneel elektrisch • Door ontbreken mechanische verbindingen vrije keuze asopstelling 4WD / 4WS mogelijk • spelen met de belasting: vrij keuze plaatsing batterijpakket • Flexibele packaging
m aandrijvend
sturend
m sturend en aandrijvend
sturend en aandrijvend
wielbasis vrij te kiezen
functie-integratie algemeen
• gelijmde voorruit: zware massa wordt dragende massa • zelfdragende carosserie i.p.v. ladderchassis
functie-integratie elektrische bus
• Motor en generator in één machine • Motor en rem in één • Niet zwaarder dan conventionele as!
Fase 1 Productdefinitie
1. productdefinitie
2. conceptontwerp
3. engineering
lichtgewicht marketing en publiciteit tensegrity lichtgewicht programma van eisen
topologie-optimalisatie materiaalkeuze dematerialisatie functie-integratie
optimalisatie doorsnedeverloop optimale dimensionering
veranderende conventies door kantelend imago!
Beeldvorming vroeger: “zwaar is degelijk en duur, dus goed”
lichtgewicht: “je kunt zeker geen luxe betalen?”
zwaar en luxueus: “je verdient vast heel goed”
Beeldvorming toekomst: licht is “sportief, strak, snel en slim”
50 pk / 470 kg / 220 km/h
Productdefinitie van de innovatieve bus • conformeren aan wet- en regelgeving maar verder: • uitdaging van de conservatieve OV-wereld door een non-conformistisch ontwerpvoorstel • overtuiging door lage brandstofkosten • overtuiging door innovatieve functionaliteit
Voorbeeld: toekomstige integratie handstangen in dragende structuur
THE
END
dank u wel
