研究人员采用了新的设计方法，三步法实现增强塑料减重

东京理科大学的研究人员采用了一种新的设计方法，可以优化纤维厚度和方向，实现增强塑料的重量减轻，并为更轻的飞机和汽车打开大门。

超越光纤导向设计的思考

由于碳纤维增强塑料的需求量很大，研究人员进行了多项研究以提高 CFRP 的强度，其中大部分研究都集中在一种称为“纤维导向设计”的特定技术上，该技术优化纤维取向以提高强度。

然而，光纤导向设计方法并非没有缺点。“纤维导向设计仅优化定向并保持纤维的厚度固定，无法充分利用 CFRP 的机械性能。很少考虑减轻重量的方法，同时优化纤维厚度，”研究人员解释说。

 在此背景下，研究人员提出了一种新的设计方法，可根据复合结构中的位置同时优化纤维取向和厚度，从而使他们能够减轻重量CFRP 与恒定厚度线性层压模型相比，不会影响其强度。

三步准备过程

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) 进行初始分析以确定层数，从而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。

迭代过程用于通过主应力方向确定纤维取向，并使用“最大应力理论”迭代计算厚度。最后，通过首先在需要提高强度的区域中创建参考“基础纤维束”，然后通过排列纤维束使它们分布在两侧，从而确定最终的取向和厚度，从而使用改性过程对可制造性进行修改。

同时优化的方法使重量减轻了 5% 以上，同时实现了比单独使用纤维取向所达到的更高的负载转移效率。

研究人员对这些结果感到兴奋，并期待他们的方法在未来实施，以进一步减轻传统 CFRP 部件的重量。我们的设计方法超越了复合材料设计的传统智慧，使飞机和汽车更轻，有助于节能和减少 CO₂排放，松崎博士说。