東京理科大學優化碳纖維復合材料的重量 有助于制造更輕的汽車
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在航空航天工程和電動汽車等應用中，碳纖維因強度高、重量輕而備受歡迎。以往，人們大多關注如何提高碳纖維復合材料（如纖維增強塑料）的強度，只考慮優化纖維方向。據外媒報道，最近，東京理科大學（Tokyo University of Science）的研究人員采用新的設計方法，可以同時優化纖維的厚度和方向，從而減輕增強塑料的重量，有助于開發更輕的飛機和汽車。
（圖片來源：東京理科大學）
碳纖維通常與其他材料結合形成復合材料，其中碳纖維增強塑料 (CFRP)因其抗拉強度、剛度和高強度重量比而聞名。為了提高 CFRP的強度，大部分研究都集中在一種名為“纖維導向設計”的技術上，通過優化纖維方向以提高強度。東京理科大學的Dr.Ryosuke Matsuzaki表示：“通過纖維導向方法，只能優化方向，無法改變纖維厚度，不利于充分發揮CFRP的機械性能。”
在這種情況下，Dr.Matsuzaki及其同事提出新的設計方法，可根據復合結構中的位置，同時優化纖維方向和厚度。與恒定厚度線性層壓模型相比,可在不影響其強度的情況下減輕CFRP重量。
該方法共分三步，包括預備、迭代和調整過程。在預備階段，通過有限元素法（FEM）進行初始分析，以確定層數，通過線性層壓模型和具有厚度變化模型的纖維導向設計，進行定性重量評估；迭代過程（iterative）是根據主應力方向確定纖維方向，并根據“最大應力理論”迭代計算厚度；最后，在調整過程，首先在需要提升強度的區域創建參考“基礎纖維束”，接著將各纖維束排列分布在參考束的兩側，確定最終的方向和厚度，以調整可制造性。
比起僅采用纖維導向方法，通過這種同步優化方法，可以使材料減重超過5%，同時提供更高的負荷傳遞效率。研究人員希望，未來通過這種方法，進一步減輕傳統 CFRP部件的重量，以“制造出更輕的飛機和汽車，這將有助于節能并減少CO2排放。”
