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新的优化方法有助于设计更轻的碳纤维复合材料

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新的优化方法有助于设计更轻的碳纤维复合材料

发布日期:2021-06-08 作者:网络 点击:

碳对所有生物的生存都至关重要,因为它构成了所有有机分子的基础,而有机分子又构成了所有生物的基础。虽然这本身就相当令人印象深刻,但随着碳纤维的发展,它最近在航空航天和土木工程等学科中发现了令人惊讶的新应用,碳纤维比钢更强、更硬、更轻。因此,碳纤维在高性能产品如飞机、赛车和运动设备中取代了钢铁。

碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料。其中一种复合材料就是碳纤维增强塑料(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。

东京理科大学的研究人员采用了一种碳纤维设计方法,该方法可以优化纤维的取向和厚度,从而增强纤维增强塑料的强度,并在制造过程中生产出更轻的塑料,从而有助于制造更轻的飞机和汽车。

然而,光纤导向的设计方法并非没有缺点。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。Matsuzaki博士说,我们的设计方法超越了传统的复合材料设计,制造更轻的飞机和汽车,这有助于节能和减少二氧化碳排放。

原文链接:https://www.xianjichina.com/special/detail_484760.html
来源:贤集网
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