近日，東京理科大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用新的設(shè)計(jì)方法，能夠同時(shí)優(yōu)化纖維的厚度和取向，進(jìn)一步減輕復(fù)合材料的重量，有助于開發(fā)更輕的飛機(jī)和汽車。

    CFRP因其抗拉強(qiáng)度、剛度和比強(qiáng)度而聞名。為了提高其強(qiáng)度，研究方向主要集中在一種名為“纖維取向設(shè)計(jì)”的技術(shù)上，通過優(yōu)化纖維的取向來提高其強(qiáng)度。

 

    東京理科大學(xué)的Ryosuke Matsuzaki博士表示：“此法只能優(yōu)化纖維取向，無法改變纖維厚度，不利于充分發(fā)揮CFRP的機(jī)械性能。”

 

    有鑒于此，Matsuzaki博士及其同事提出新的設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)中的受力位置，同時(shí)優(yōu)化纖維方向和厚度。與恒定厚度線性層壓模型相比，可在不影響強(qiáng)度的情況下減輕CFRP的重量。

 

    該方法共分三步，包括預(yù)備、迭代和調(diào)整過程。

 

    在預(yù)備階段，通過有限元法（FEM）進(jìn)行初始分析，確定層數(shù)，通過線性層壓模型和具有厚度變化模型的纖維取向設(shè)計(jì)進(jìn)行定性重量評估；在迭代過程（iterative）中，根據(jù)主應(yīng)力方向確定纖維取向，并根據(jù)“最大應(yīng)力理論”迭代計(jì)算厚度；最后，在調(diào)整過程中，首先在需要提升強(qiáng)度的區(qū)域創(chuàng)建參考“基礎(chǔ)纖維束”，接著將各纖維束排列分布在參考束的兩側(cè)，確定最終的方向和厚度。

 

    比起纖維導(dǎo)向方法，通過這種同步優(yōu)化法，可以使材料減重超過5%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的載荷傳遞效率。研究人員希望通過這種方法進(jìn)一步減輕傳統(tǒng) CFRP部件的重量，以“制造出更輕的飛機(jī)和汽車，幫助實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。”