东京理科大学优化碳纤维复合材料的重量 有助于制造更轻的汽车

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大龙车务 在航空航天工程和等应用中，碳纤维因强度高、重量轻而备受欢迎。以往，人们大多关注如何提高碳纤维复合材料（如纤维增强塑料）的强度，只考虑优化纤维方向。，最近，东京理科大学（Tokyo University of Science）的研究人员采用新的设计方法，可以同时优化纤维的厚度和方向，从而减轻增强塑料的重量，有助于开发更轻的飞机和汽车。

（图片来源：东京理科大学）

碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料，其中碳纤维增强塑料 (CFRP)因其抗拉强度、刚度和高强度重量比而闻名。为了提高 CFRP的强度，大部分研究都集中在一种名为“纤维导向设计”的技术上，通过优化纤维方向以提高强度。东京理科大学的Dr.Ryosuke Matsuzaki表示：“通过纤维导向方法，只能优化方向，无法改变纤维厚度，不利于充分发挥CFRP的机械性能。”

在这种情况下，Dr.Matsuzaki及其同事提出新的设计方法，可根据复合结构中的位置，同时优化纤维方向和厚度。与恒定厚度线性层压模型相比,可在不影响其强度的情况下减轻CFRP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，通过有限元素法（FEM）进行初始分析，以确定层数，通过线性层压模型和具有厚度变化模型的纤维导向设计，进行定性重量评估；迭代过程（iterative）是根据主应力方向确定纤维方向，并根据“最大应力理论”迭代计算厚度；最后，在调整过程，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，以调整可制造性。

比起仅采用纤维导向方法，通过这种同步优化方法，可以使材料减重超过5%，同时提供更高的负荷传递效率。研究人员希望，未来通过这种方法，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，这将有助于节能并减少CO2排放。”

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