Новий метод оптимізації допомагає розробляти легші композити з вуглецевого волокна

Вуглець необхідний для виживання всіх живих істот, оскільки він становить основу всіх органічних молекул, а органічні молекули складають основу всього живого.Хоча це саме по собі досить вражаюче, з розвитком вуглецевого волокна нещодавно воно знайшло дивовижні нові застосування в аерокосмічній галузі, цивільному будівництві та інших дисциплінах.Вуглецеве волокно міцніше, твердіше і легше сталі.Тому вуглецеве волокно замінило сталь у високопродуктивних продуктах, таких як літаки, гоночні автомобілі та спортивне обладнання.

Вуглецеві волокна зазвичай комбінують з іншими матеріалами для утворення композитів.Одним із композитних матеріалів є армований вуглецевим волокном пластик (CFRP), який відомий своєю міцністю на розрив, жорсткістю та високим співвідношенням міцності до ваги.Через високі вимоги до композитів з вуглецевого волокна дослідники провели кілька досліджень для підвищення міцності композитів з вуглецевого волокна, більшість з яких зосереджено на спеціальній технології під назвою «волокно-орієнтований дизайн», яка покращує міцність шляхом оптимізації орієнтації волокна.

Дослідники з Токійського наукового університету застосували метод розробки вуглецевого волокна, який оптимізує орієнтацію та товщину волокна, тим самим підвищуючи міцність армованого волокном пластику та виготовляючи легший пластик у процесі виробництва, допомагаючи створювати легші літаки та автомобілі.

Однак метод проектування волоконного наведення не позбавлений недоліків.Конструкція напрямної волокна лише оптимізує напрямок і зберігає фіксовану товщину волокна, що перешкоджає повному використанню механічних властивостей CFRP.Доктор ryyosuke Matsuzaki з Токійського університету науки (TUS) пояснює, що його дослідження зосереджено на композитних матеріалах.

У цьому контексті доктор Мацузакі та його колеги Юто Морі та Наоя Кумекава в Тусі запропонували новий метод проектування, який може одночасно оптимізувати орієнтацію та товщину волокон відповідно до їхнього положення в структурі композиту.Це дозволяє їм зменшити вагу CFRP, не впливаючи на його міцність.Їхні результати опубліковані в композиційній структурі журналу.

Їхній підхід складається з трьох етапів: підготовки, ітерації та модифікації.У процесі підготовки початковий аналіз виконується за допомогою методу скінченних елементів (FEM) для визначення кількості шарів, а якісна оцінка ваги реалізується за допомогою дизайну волоконної направляючої моделі лінійної ламінації та моделі зміни товщини.Орієнтація волокна визначається за напрямом основної напруги ітераційним методом, а товщина розраховується за теорією максимального напруження.Нарешті, змініть процес, щоб змінити облік технологічності, спочатку створіть контрольну ділянку «базового пучка волокон», яка вимагає підвищеної міцності, а потім визначте остаточний напрямок і товщину розташування пучка волокон, вони поширюють пакет з обох сторін посилання.

У той же час оптимізований метод може зменшити вагу більш ніж на 5% і зробити ефективність передачі навантаження вищою, ніж використання лише орієнтації волокна.

Дослідники в захваті від цих результатів і з нетерпінням чекають використання своїх методів для подальшого зменшення ваги традиційних деталей з вуглепластику в майбутньому.Доктор Мацузакі сказав, що наш підхід до проектування виходить за рамки традиційного композитного дизайну, створюючи легші літаки та автомобілі, що допомагає економити енергію та зменшувати викиди вуглекислого газу.


Час публікації: 22 липня 2021 р