一种制造碳纤维的新设计方法，优化了碳纤维的取向和厚度，实现了碳纤维增强塑料的减重。碳纤维因其高强度和轻量化的优点，在航空航天工程中得到了广泛的应用。碳纤维比钢更强，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、刚性和高强度重量比而闻名。由于其高要求，研究人员已经开展了几项研究，以提高cfrp的强度，其中大多数集中在一种称为“纤维导向设计”的特殊技术上，该技术优化纤维取向，以提高强度。
现在，东京科学大学的研究人员采用了一种新的设计方法，优化了纤维厚度和方向，实现了增强塑料的减重，并为更轻的飞机和汽车打开了门。“纤维导向设计只是优化方向，保持纤维厚度固定，不能充分利用CFRP的力学性能。减轻重量的方法，也允许优化纤维厚度，很少被考虑，”日本东京科学大学(TUS)的松崎亮介博士解释说，他的研究重点是复合材料。
在这种背景下，matsuzaki博士和他在TUS的同事Yuto Mori和Naoya kumekawa提出了一种新的设计方法，根据复合材料结构中的位置，同时优化纤维的方向和厚度，这使得他们能够在不影响其强度的情况下，减少CFRP的重量，而不是与恒定厚度的线性层压模型相比。他们的发现可以在发表在《复合结构》杂志上的一项新研究中看到。
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，使用有限元方法(FEM)进行了初步分析，以确定层数，通过线性层合模型和带有厚度变化模型的纤维导向设计实现了定性的权重评估。采用迭代法根据主应力方向确定纤维取向，并利用“最大应力理论”迭代计算纤维厚度。最后,修改流程修改会计用于可制造性,首先创建一个引用“基纤维丛”地区要求强度提高,然后确定最终的方向和厚度等安排纤维束,他们传播包两边的参考。
同时优化的方法重量减少了5%以上，同时比单独使用纤维定向实现了更高的负载转移效率。
研究人员对这些结果感到兴奋，并期待未来将他们的方法用于进一步减轻传统CFRP部件的重量。
资料来源:东京理学院
原论文题目:利用曲线纤维路径的复合材料变厚度设计
日报:组合结构
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