东京理科大学开发的优化方法可使纤维增强材料的减量 5% 以上

东京理科大学(TUS,日本)的研究人员采用了一种新的设计方法,该方法优化了碳纤维的厚度和取向,实现了纤维增强复合材料的减重,并为更轻的飞机和汽车打开了大门。

东京理科大学开发的优化方法可使纤维增强材料的减量 5% 以上-复合材料网

TUS 指出碳纤维增强聚合物 (CFRP) 已被不断研究以提高强度。TUS 表示,这些研究中的大部分都集中在一种称为“纤维导向设计”的特定技术上,该技术优化纤维取向以提高强度。

然而,光纤导向设计方法并非没有缺点。“纤维导向设计仅优化定向并保持纤维的厚度固定,无法充分利用 CFRP 的机械性能。还很少考虑减轻重量的方法,同时优化纤维厚度,”来自 TUS 的 Ryosuke Matsuzaki 博士解释说,他的研究重点是复合材料。

在此背景下,Matsuzaki 博士与他在 TUS 的同事 Yuto Mori 和 Naoya Kumekawa 提出了一种新的设计方法,可根据复合结构中的位置同时优化纤维取向和厚度,从而减轻重量在不影响其强度的情况下,CFRP 与恒定厚度线性层压模型相比。他们的发现可以在发表在《复合结构》上的一项新研究中 阅读 。

东京理科大学开发的优化方法可使纤维增强材料的减量 5% 以上-复合材料网

纤维取向和厚度同时设计的总体方案。图片来源:东京理科大学 (TUS)。

他们的方法包括三个步骤:准备、迭代和修改过程。在准备过程中,使用有限元法 (FEM) 进行初始分析以确定层数,从而通过线性层压模型和具有厚度变化模型的纤维导向设计进行定性重量评估。迭代过程用于通过主应力方向确定纤维取向,并使用“最大应力理论”迭代计算厚度。最后,

同时优化的方法使重量减轻了 5% 以上,同时实现了比单独使用纤维取向所达到的更高的负载转移效率。

研究人员指出,他们对这些结果感到兴奋,并期待他们的方法在未来实施,以进一步减轻传统 CFRP 部件的重量。“我们的设计方法超越了复合材料设计的传统智慧,使飞机和汽车更轻,有助于节能和减少 CO 2排放,”松崎博士说。

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