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比翱观察丨碳纤维复合材料轻量化设计优化方法，为轻型飞机和汽车打开了大门。
日本东京理科大学（TUS：Tokyo University of Science）的研究人员采用了一种新的设计方法，同时优化了碳纤维材料的厚度和方向，减轻了纤维增强复合材料的重量，为轻型飞机和汽车的设计打开了大门。
然而，纤维导向设计方法并非没有缺点。“纤维导向设计只能优化纤维的方向，保持纤维的厚度不变，妨碍了CFRP力学性能的充分发挥。一种重量减轻的方法，也允许纤维厚度的优化，但很少被考虑”来自田中大学的Ryosuke Matsuzaki博士解释说，他的研究主要集中在复合材料上。
在这样的背景下，Matsuzaki博士和他的同事Yuto Mori、Naoya Kumekawa也提出了一种新的设计方法，可以根据复合材料结构中的位置同时优化纤维的方向和厚度。相比于等厚度线性层压模型，这使得他们能够在不损害其强度的情况下，减少碳纤维增强塑料的重量。他们的发现可以在《复合结构》杂志上发表的一项新研究- Variable thickness design for composite materials using curvilinear fiber paths - 中得到解读（点击文末阅读原文处查看）。
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）进行初步分析，以确定层数，从而通过线性层压模型和厚度变化模型的纤维导向设计进行定性重量评估。通过迭代过程，根据主应力方向确定纤维方向，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“基纤维束”，然后通过排列纤维束使其在参考束的两侧扩散来确定最终方向和厚度，使用改性过程来进行说明可制造性的改性。
同时优化法使重量减轻了5%以上的同时，使负荷转移效率高于单纯的纤维取向。
研究人员指出，他们对这些结果感到兴奋，并期待着他们的方法在未来的实施，以进一步减轻传统碳纤维增强塑料零件的重量。“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，这有助于节能和减少二氧化碳排放”Matsuzaki博士说。
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