“东京理科大学优化碳纤维复合材料的重量 有助于制造更轻的汽车”

世界汽车新闻在航空空航天工程和电动汽车等应用方面，碳纤维因其强度高、重量轻而备受欢迎。 过去，人们只关注如何提高纤维增强塑料等碳纤维复合材料的强度，只考虑纤维方向的优化。 据外国媒体报道，近日，东京理科大学( tokyo university of science )的研究人员使用新的设计方法，优化纤维的厚度和方向，减轻强化塑料的重量，有助于开发更轻的飞机和汽车。

(照片来源:东京理科大学)

碳纤维一般与其他材料结合形成复合材料，其中碳纤维增强塑料( cfrp )以拉伸强度、刚性、高强度重量比而闻名。 为了提高cfrp的强度，大部分的研究都集中在“纤维导向设计”这一技术上，通过优化纤维方向来提高强度。 东京理科大学的dr.ryosuke matsuzaki说:“以纤维为导向的做法只能优化方向，不能改变纤维的厚度，不利于cfrp的机械性能一一发挥。”

在这种情况下，dr.matsuzaki及其同事提出了一种新的设计方法，可以根据复合结构中的位置优化纤维方向和厚度。 与一定厚度的线状层叠模型相比，可以在不影响强度的情况下减轻cfrp重量。

这种做法共分为三个步骤，包括预备、迭代、调整过程。 在预备阶段，通过有限元素法( fem )进行初始分解，明确层数，通过具有线性层叠模型和厚度变化模型的纤维导轨设计进行定性重量判断； 迭代过程( iterative )是基于主应力方向明确纤维方向，基于“最大应力理论”迭代计算厚度。 最后，在调整过程中，首先在需要提高强度的区域制作参考“基础纤维束”，然后将各纤维束并排分布在参考束的两侧，明确最终的方向和厚度，调整制造性。

与只使用纤维导向方法相比，通过这种同步优化方法，可以使材料的减量达到5%以上，可以提供更高的负荷传播效率。 研究人员希望，未来通过这种方法，将进一步减轻以前流传下来的cfrp部件的重量，“制造更轻的飞机和汽车，有助于节能和减少co2排放量”。