【原创资讯】东京理科大学开发出一种碳纤维复合材料轻量化设计的新方法
碳元素对所有生物的生存而言至关重要，因为它是构成所有有机分子的基础，而有机分子又构成了所有生物的基础。
单单就上述这一点，碳元素就令人印象相当深刻，而随着碳纤维比钢更强、更坚固、更轻的发展，它最近在航空航天和土木工程等领域获得了令人惊讶的新应用。因此，碳纤维已经逐渐取代高性能产品如飞机、赛车和体育器材中的钢材。
碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料，而其中一种复合材料是碳纤维增强塑料（CFRP），它以优异的抗拉强度、刚度和高强度重量比而闻名。由于CFRP需求量很高，研究人员已经开展了一系列的研究来提高CFRP的强度，其中大多数研究都集中在“纤维取向设计”的特殊技术上，这种技术可以通过优化纤维的取向来提高材料和结构件的强度。
然而，纤维取向设计技术也并非没有缺点。“纤维取向设计只能优化纤维的取向，并保持纤维的厚度固定不变，这会妨碍CFRP力学性能的充分利用。”日本东京理科大学（Tokyo University of Science，TUS）的松崎龙介博士（Ryosuke Matsuzaki）解释说：“也可以通过优化纤维厚度，进而减轻材料的重量，但是该方面研究较少”。
在上述研究背景下，松崎博士与TUS的Yuto Mori和Naoya Kumekawa的同事提出了一种新的设计方法，该方法可以根据复合材料结构中的位置同时优化纤维的取向和厚度，与厚度固定不变的线性层压模型相比，可使保持复合材料强度不会降低，但是可以实现CFRP材料重量的优化降低。而这项最新研究成果也发表在最新一期《复合结构》（Composite Structures.）期刊上。
该设计方法主要包括三个步骤：准备、迭代和修改过程。在准备过程中，使用有限元方法（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。
迭代过程中采用迭代法由主应力方向确定纤维取向，用“最大应力理论”迭代计算纤维厚度。最后，通过首先在需要强度提高的区域创建参考“基本纤维束”，然后通过排列纤维束使其在参考纤维束的两侧扩散来确定最终取向和厚度，使用修改过程对可制造性进行修改。
利用上述方法，通过对复合材料中CFRP优化设计，使得材料重量减轻了5%以上，同时材料的负载转移效率相比于仅仅采用纤维取向设计时可以更高。
研究人员对上述系列结果感到兴奋，并期待着该方法能够在未来进一步减轻传统CFRP零件的重量。”我们的设计方法超越了复合材料设计的传统知识，可以使飞机和汽车更轻，这有助于节能和减少二氧化碳排放，”松崎博士说。