碳對所有生物的生存都至關重要，因為它構成了所有有機分子的基礎，而有機分子又構成了所有生物的基礎。雖然這本身就相當令人印象深刻，但隨著碳纖維的發(fā)展，它最近在航空航天和土木工程等學科中發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的新應用，碳纖維比鋼更強、更硬、更輕。因此，碳纖維在高性能產(chǎn)品如飛機、賽車和運動設備中取代了鋼鐵。

碳纖維通常與其他材料結合形成復合材料。其中一種復合材料就是碳纖維增強塑料(CFRP)，它以其抗拉強度、剛度和高強度重量比而聞名。由于對碳纖維復合材料的高要求，研究人員開展了幾項研究來提高碳纖維復合材料的強度，其中大部分研究都集中在一種叫做“纖維導向設計”的特殊技術上，該技術通過優(yōu)化纖維的取向來提高強度。

東京理科大學的研究人員采用了一種碳纖維設計方法，該方法可以優(yōu)化纖維的取向和厚度，從而增強纖維增強塑料的強度，并在制造過程中生產(chǎn)出更輕的塑料，從而有助于制造更輕的飛機和汽車。

然而，光纖導向的設計方法并非沒有缺點。纖維導向設計只優(yōu)化了方向，保持了纖維的厚度固定，阻礙了CFRP力學性能的充分利用。來自日本東京科學大學(TUS)的ryyosuke Matsuzaki博士解釋說，他的研究重點是復合材料。

在這種背景下，Matsuzaki博士和他在TUS的同事Yuto Mori和Naoya Kumekawa提出了一種新的設計方法，可以根據(jù)纖維在復合材料結構中的位置同時優(yōu)化纖維的取向和厚度。這使得他們可以在不影響強度的情況下，減少CFRP的重量。他們的研究結果發(fā)表在《復合材料結構》雜志上。

他們的方法包括三個步驟:準備、迭代和修改過程。在準備過程中，使用有限元法(FEM)進行了初始分析，以確定層數(shù)，通過線性層壓模型和厚度變化模型的纖維導向設計實現(xiàn)了定性的權重評估。采用迭代法根據(jù)主應力方向確定纖維取向，利用“最大應力理論”迭代計算厚度。最后,修改流程修改會計用于可制造性,首先創(chuàng)建一個引用“基纖維叢”地區(qū)要求強度提高,然后確定最終的方向和厚度等安排纖維束,他們傳播包兩邊的參考。

同時優(yōu)化的方法導致重量減少大于5%，同時使負載轉移效率比單獨使用纖維定向實現(xiàn)更高。

研究人員對這些結果感到興奮，并期待著未來將他們的方法用于進一步減輕傳統(tǒng)CFRP零件的重量。Matsuzaki博士說，我們的設計方法超越了傳統(tǒng)的復合材料設計，制造更輕的飛機和汽車，這有助于節(jié)能和減少二氧化碳排放。

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