采用新的优化方法设计更轻质的碳纤维复合材料

作者:本刊编译 发布时间:2021-09-07
碳纤维凭借其出色的强度/重量比而在航空工程应用领域受到欢迎。虽然人们在提高碳纤维复合材料如纤维增强塑料的强度方面作了很多努力,但却只考虑了对纤维取向的优化。现在,东京理工大学的研究人员们采用了一种新的设计方法来优化纤维的厚度和取向,从而减轻了增强塑料的重量,为开发更轻质的飞机和汽车开辟了道路。

碳对于所有生物的生存而言都至关重要,因为它是所有有机分子的基础,进而构成了所有生命的基础。虽然这本身就令人印象深刻,但是,随着开发出比钢的强度和刚性更好且重量更轻的碳纤维,近年来,航空航天和土木工程等领域出现了很多令人惊讶的新应用,这使得碳纤维取代钢材被应用于飞机、赛车和运动器材等高性能产品中。

碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料,其中的一种复合材料是碳纤维增强塑料(CFRP),它以其高的拉伸强度、刚性和强度/重量比而出类拔萃。由于需求量大,因此,研究人员们开展了多项研究,以期提高CFRPs的强度,而且,他们将大多数的时间用在一项名为“纤维导向的设计(fiber-steered design)”的特殊技术研究上,这项技术可以优化纤维取向,从而提高强度。

但“纤维导向的设计(fiber-steered design)方法并非没有缺点,它只能优化纤维的取向,但却保持纤维的厚度不变,这极大地影响了对CFRP力学性能的充分利用。而一种同时也允许优化纤维厚度的减重方法却很少被考虑到。”东京理工大学专注于复合材料研究的Ryosuke Matsuzaki博士说道。

为此,Matsuzaki博士与其在东京理工大学的同事Yuto Mori 和Naoya Kumekawa一起,提出了一种新的设计方法,即根据在复合材料结构中的位置,来同时优化纤维的取向和厚度,这使得他们能够对比等厚度线性层压模型的重量,来减轻CFRP的重量,同时不影响其强度。 发表在《Composite Structures》中的一篇新的研究论文介绍了他们的发现。

他们的方法包括3个步骤:准备、迭代和修正过程。在准备过程中,采用有限元方法(FEM)进行初步分析,以确定层数,通过一种线性层压模型和带有厚度变化模型的纤维导向设计(fiber-steered design)来进行定性的重量评估。迭代过程是根据主应力方向确定纤维取向,以及用“最大应力理论”来迭代计算厚度。修正过程是针对可制造性进行修正,这包括两步:首先,在需要提高强度的区域创建一个参考的“基础纤维束”;然后,按照纤维束分布在参考束两侧的形式排列纤维束,以此确定最终的取向和厚度。

与仅优化纤维取向的方法相比,这种同时优化纤维的取向和厚度的方法,实现了5%以上的减重效果和更高的载荷传递效率。

研究人员们对这些结果感到非常兴奋,并期待着今后能够通过实施自己的方法,来进一步减轻传统CFRP部件的重量。

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