蓋世汽車訊 在航空航天工程和電動(dòng)汽車等應(yīng)用中，碳纖維因強(qiáng)度高、重量輕而備受歡迎。以往，人們大多關(guān)注如何提高碳纖維復(fù)合材料（如纖維增強(qiáng)塑料）的強(qiáng)度，只考慮優(yōu)化纖維方向。據(jù)外媒報(bào)道，最近，東京理科大學(xué)（Tokyo University of Science）的研究人員采用新的設(shè)計(jì)方法，可以同時(shí)優(yōu)化纖維的厚度和方向，從而減輕增強(qiáng)塑料的重量，有助于開(kāi)發(fā)更輕的飛機(jī)和汽車。

（圖片來(lái)源：東京理科大學(xué)）

碳纖維通常與其他材料結(jié)合形成復(fù)合材料，其中碳纖維增強(qiáng)塑料 (CFRP)因其抗拉強(qiáng)度、剛度和高強(qiáng)度重量比而聞名。為了提高 CFRP的強(qiáng)度，大部分研究都集中在一種名為“纖維導(dǎo)向設(shè)計(jì)”的技術(shù)上，通過(guò)優(yōu)化纖維方向以提高強(qiáng)度。東京理科大學(xué)的Dr.Ryosuke Matsuzaki表示：“通過(guò)纖維導(dǎo)向方法，只能優(yōu)化方向，無(wú)法改變纖維厚度，不利于充分發(fā)揮CFRP的機(jī)械性能?！?/p>

在這種情況下，Dr.Matsuzaki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,可在不影響其強(qiáng)度的情況下減輕CFRP重量。

該方法共分三步，包括預(yù)備、迭代和調(diào)整過(guò)程。在預(yù)備階段，通過(guò)有限元素法（FEM）進(jìn)行初始分析，以確定層數(shù)，通過(guò)線性層壓模型和具有厚度變化模型的纖維導(dǎo)向設(shè)計(jì)，進(jìn)行定性重量評(píng)估；迭代過(guò)程（iterative）是根據(jù)主應(yīng)力方向確定纖維方向，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(guò)程，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，以調(diào)整可制造性。

比起僅采用纖維導(dǎo)向方法，通過(guò)這種同步優(yōu)化方法，可以使材料減重超過(guò)5%，同時(shí)提供更高的負(fù)荷傳遞效率。研究人員希望，未來(lái)通過(guò)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，這將有助于節(jié)能并減少CO2排放。”

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