蓋世汽車訊 在航空航天工程和電動汽車等應(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)計方法,可以同時優(yōu)化纖維的厚度和方向,從而減輕增強(qiáng)塑料的重量,有助于開發(fā)更輕的飛機(jī)和汽車。
(圖片來源: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”的技術(shù)上,通過優(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:“通過纖維導(dǎo)向方法,只能優(yōu)化方向,無法改變纖維厚度,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)計方法,可根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)中的位置,同時優(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)整過程。在預(yù)備階段,通過有限元素法(FEM)進(jìn)行初始分析,以確定層數(shù),通過線性層壓模型和具有厚度變化模型的纖維導(dǎo)向設(shè)計,進(jìn)行定性重量評估;迭代過程(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”迭代計算厚度;最后,在調(diào)整過程,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,通過這種同步優(yōu)化方法,可以使材料減重超過5%,同時提供更高的負(fù)荷傳遞效率。研究人員希望,未來通過這種方法,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?!?/p>
來源:蓋世汽車
作者:Elisha
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