Углеродные волокна обычно комбинируются с другими материалами, образуя композит. Одним из таких композитных материалов является пластик, армированный углеродным волокном (CFRP), который хорошо известен своей прочностью на разрыв, жесткостью и высоким отношением прочности к весу. Из-за его высокого спроса исследователи провели несколько исследований по повышению прочности углепластика, и большинство из них было сосредоточено на особой технике, называемой «конструкция с направлением волокон», которая оптимизирует ориентацию волокон для повышения прочности.
Однако подход с оптоволоконным управлением не лишен недостатков. «Конструкция с направлением волокон оптимизирует только ориентацию и сохраняет толщину волокон фиксированной, предотвращая полное использование механических свойств углепластика. Подход к снижению веса, который также позволяет оптимизировать толщину волокна, редко рассматривался », – объясняет доктор.
Рёсукэ Мацудзаки из Токийского научного университета (TUS), Япония, чьи исследования сосредоточены на композитных материалах.
На этом фоне доктор. Мацузаки – вместе со своими коллегами из TUS, Юто Мори и Наоя Кумекава – предложил новый метод проектирования для оптимизации ориентации и толщины волокна одновременно в зависимости от расположения в композитной структуре, что позволило им уменьшить вес углепластика по сравнению с к модели линейной ламинации постоянной толщины без ущерба для ее прочности.
Их результаты можно прочитать в новом исследовании, опубликованном в Composite Structures.
Их метод состоял из трех этапов: подготовительный, итерационный процессы и процессы модификации. В подготовительном процессе был проведен первоначальный анализ с использованием метода конечных элементов (МКЭ) для определения количества слоев, что позволило качественно оценить вес с помощью линейной модели ламинирования и конструкции с управляемыми волокнами с моделью изменения толщины. Итерационный процесс использовался для определения ориентации волокна по направлению главного напряжения и итерационного расчета толщины с использованием «теории максимальных напряжений».«Наконец, процесс модификации был использован для внесения модификаций, учитывающих технологичность, сначала создавая эталонный« пучок базовых волокон »в области, требующей повышения прочности, а затем определяя окончательную ориентацию и толщину, располагая пучки волокон таким образом, чтобы они распространялись с обеих сторон. эталонного комплекта.
Метод одновременной оптимизации привел к снижению веса более чем на 5%, в то же время обеспечивая более высокую эффективность передачи нагрузки, чем та, которая достигается при использовании только ориентации волокон.
Исследователи воодушевлены этими результатами и с нетерпением ждут будущего внедрения своего метода дальнейшего снижения веса обычных деталей из углепластика. «Наш метод проектирования выходит за рамки общепринятого представления о композитных конструкциях и позволяет создавать более легкие самолеты и автомобили, что может способствовать энергосбережению и сокращению выбросов CO2», – отмечает д-р.
Мацудзаки.