一种新的碳纤维制造设计方法，以优化取向和厚度，实现了纤维增强塑料的减重。碳纤维由于其优越的强度和重量，在航空航天工程中得到广泛应用。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)，以其抗拉强度、刚度和高强度重量比而闻名。由于对碳纤维布的要求很高，研究人员开展了多项研究来提高碳纤维布的强度，其中大多数研究都集中在一种被称为“纤维导向设计”的特殊技术上，该技术通过优化纤维取向来提高强度。
现在，东京科学大学的研究人员采用了一种新的设计方法，优化了纤维的厚度和方向，实现了增强塑料的减重，并为更轻的飞机和汽车打开了大门。“纤维导向设计只能优化取向，并保持纤维的厚度固定，阻止了CFRP的机械性能的充分利用。日本东京科学大学(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博士和他在TUS的同事Yuto Mori和Naoya kumekawa提出了一种新的设计方法，可以根据复合材料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碳纤维布强度的情况下，降低碳纤维布的重量，而不是与恒定厚度的线性叠层模型相比。他们的发现可以在《复合结构》杂志上发表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，使用有限元方法(FEM)进行了初步分析，确定了层数，通过线性层合模型和厚度变化模型的纤维导向设计进行了定性的重量评估。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。
同时优化的方法导致重量减少超过5%，同时使负载传输效率比单独光纤定向实现的更高。
研究人员对这些结果感到兴奋，并期待着他们的方法在未来进一步减轻传统碳纤维复合材料零件的重量。
资料来源:东京科学大学
原论文题目:复合材料曲线纤维路径的变厚度设计
日报:组合结构
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