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塑料技术论文
设计更轻碳纤维增强塑料的新方法

设计更轻碳纤维增强塑料的新方法

一种新的设计方法制造碳纤维优化取向和厚度,以实现重量减轻纤维增强塑料。碳纤维,由于其优越的强度和轻,在航空航天工程应用广泛。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、刚度和高强度重量比而闻名。由于对碳纤维复合材料的高要求,研究人员开展了几项研究来提高碳纤维复合材料的强度,其中大部分研究都集中在一种叫做“纤维导向设计”的特殊技术上,该技术通过优化纤维的取向来提高强度。
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,并为轻型飞机和汽车打开了车门。“纤维导向设计只优化了方向,保持了纤维的厚度固定,阻碍了CFRP力学性能的充分利用。来自日本东京科学大学(TUS)的ryyosuke Matsuzaki博士解释说,他的研究重点是复合材料。
在这种背景下,matsuzaki博士和他的同事Yuto Mori和Naoya kumekawa提出了一种新的设计方法,根据纤维在复合材料结构中的位置同时优化纤维的取向和厚度,这使得他们可以在不影响强度的情况下,减少CFRP的重量。他们的研究结果发表在《复合材料结构》杂志上。
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)进行了初始分析,以确定层数,通过线性层压模型和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,利用“最大应力理论”迭代计算厚度。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大于5%,同时使负载转移效率比单独使用纤维定向实现更高。
研究人员对这些结果感到兴奋,并期待着未来将他们的方法用于进一步减轻传统CFRP零件的重量。
资料来源:东京理科大学
原稿题目: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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