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東京理科大學(xué)創(chuàng)新復(fù)材設(shè)計方法 可同時優(yōu)化纖維鋪放取向與厚度

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-06-15  來源:蓋世汽車  瀏覽次數(shù):271
核心提示:在航空航天和電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用中,碳纖維因輕質(zhì)高強的特性而備受歡迎。以往,人們在提高CFRP的強度時,通常只考慮優(yōu)化纖維的
     在航空航天和電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用中,碳纖維因輕質(zhì)高強的特性而備受歡迎。以往,人們在提高CFRP的強度時,通常只考慮優(yōu)化纖維的取向。
 
    近日,東京理科大學(xué)的研究團隊采用新的設(shè)計方法,能夠同時優(yōu)化纖維的厚度和取向,進一步減輕復(fù)合材料的重量,有助于開發(fā)更輕的飛機和汽車。
    CFRP因其抗拉強度、剛度和比強度而聞名。為了提高其強度,研究方向主要集中在一種名為“纖維取向設(shè)計”的技術(shù)上,通過優(yōu)化纖維的取向來提高其強度。
 
    東京理科大學(xué)的Ryosuke Matsuzaki博士表示:“此法只能優(yōu)化纖維取向,無法改變纖維厚度,不利于充分發(fā)揮CFRP的機械性能。”
 
    有鑒于此,Matsuzaki博士及其同事提出新的設(shè)計方法,可根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)中的受力位置,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,可在不影響強度的情況下減輕CFRP的重量。
 
    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,通過有限元法(FEM)進行初始分析,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取向設(shè)計進行定性重量評估;在迭代過程(iterative)中,根據(jù)主應(yīng)力方向確定纖維取向,并根據(jù)“最大應(yīng)力理論”迭代計算厚度;最后,在調(diào)整過程中,首先在需要提升強度的區(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。
 
    比起纖維導(dǎo)向方法,通過這種同步優(yōu)化法,可以使材料減重超過5%,同時實現(xiàn)更高的載荷傳遞效率。研究人員希望通過這種方法進一步減輕傳統(tǒng) CFRP部件的重量,以“制造出更輕的飛機和汽車,幫助實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。”
 
 
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