东京理科大学创新复材设计方法 可同时优化纤维铺放取向与厚度

 

    近日，东京理科大学的研究团队采用新的设计方法，能够同时优化纤维的厚度和取向，进一步减轻复合材料的重量，有助于开发更轻的飞机和汽车。

    CFRP因其抗拉强度、刚度和比强度而闻名。为了提高其强度，研究方向主要集中在一种名为“纤维取向设计”的技术上，通过优化纤维的取向来提高其强度。

 

    东京理科大学的Ryosuke Matsuzaki博士表示：“此法只能优化纤维取向，无法改变纤维厚度，不利于充分发挥CFRP的机械性能。”

 

    有鉴于此，Matsuzaki博士及其同事提出新的设计方法，可根据复合结构中的受力位置，同时优化纤维方向和厚度。与恒定厚度线性层压模型相比，可在不影响强度的情况下减轻CFRP的重量。

 

    该方法共分三步，包括预备、迭代和调整过程。

 

    在预备阶段，通过有限元法（FEM）进行初始分析，确定层数，通过线性层压模型和具有厚度变化模型的纤维取向设计进行定性重量评估；在迭代过程（iterative）中，根据主应力方向确定纤维取向，并根据“最大应力理论”迭代计算厚度；最后，在调整过程中，首先在需要提升强度的区域创建参考“基础纤维束”，接着将各纤维束排列分布在参考束的两侧，确定最终的方向和厚度。

 

    比起纤维导向方法，通过这种同步优化法，可以使材料减重超过5%，同时实现更高的载荷传递效率。研究人员希望通过这种方法进一步减轻传统 CFRP部件的重量，以“制造出更轻的飞机和汽车，帮助实现节能减排的目标。”