一种新的设计方法，用于制造具有优化方向和厚度的碳纤维，实现了纤维增强塑料的重量减轻。碳纤维由于其优越的强度和轻质性，在航空航天工程中得到广泛应用。碳纤维比钢更坚固、更硬、更轻。碳纤维通常与塑料结合形成碳纤维增强塑料（CFRP），它以其抗拉强度、刚度和高强度重量比而闻名。由于其高要求，研究人员已经进行了几项研究以提高CFRP的强度，其中大部分研究都集中在一种称为“纤维导向设计”的特殊技术上，该技术优化纤维方向以提高强度。
现在，东京理工大学的研究人员采用了一种新的设计方法，既能优化纤维厚度和方向，又能实现增强塑料的重量减轻和打开更轻的飞机和汽车的门。“纤维导向设计只优化了取向，保持了纤维的厚度固定，防止了CFRP的机械性能的充分利用。一种减轻纤维厚度的优化方法也很少被考虑，”日本东京理工大学（TU）的Ryosuke Matsuzaki博士解释道。他的研究主要集中在复合材料上。
在此背景下，松崎博士与TUS、Yuto Mori和Naoya Kumekawa的同事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，这使得他们能够在不影响其强度的情况下，减少CFRP的重量，而不是恒定厚度线性层压模型的重量。他们的发现可以在发表在《复合材料结构》上的一项新研究中阅读。
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）进行初步分析，以确定层数，从而通过线性层压模型和厚度变化模型的纤维导向设计进行定性重量评估。迭代过程用于根据主应力方向确定纤维方向，并使用“最大应力理论”迭代计算厚度。最后，修改过程用于对可制造性进行修改，首先在需要提高强度的区域创建参考“基本纤维束”，然后通过排列纤维束确定最终方向和厚度，使其分布在参考纤维束的两侧。
同时优化的方法可使重量减轻5%以上，同时比单独使用纤维定向实现更高的负载转移效率。
研究人员对这些结果感到兴奋，并期待着其方法的未来实施，以进一步减轻传统CFRP零件的重量。
来源：东京理科大学
原稿标题：使用曲线纤维路径的复合材料变厚度设计
期刊：复合材料结构
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