Новый метод дизайна снижает вес углеродного волокна, позволяя легче самолеты и автомобили

Исследователи из Токийского университета науки (TUS, Япония) приняли новый метод дизайна, оптимизирующий как толщину, так и ориентацию углеродного волокна, достигая снижения веса в волокнисто-армированных композитах и открывая двери к более легким самолетам и автомобилям.

TUS указывает на углеродно-волокнистые полимеры (CFRP), которые непрерывно изучались для улучшения прочности. Большинство этих исследований, говорит TUS, фокусировались на конкретной технике, называемой «fiber-steered design» (дизайн с управлением волокном), которая оптимизирует ориентацию волокна для повышения прочности.

Однако подход fiber-steered design не лишен недостатков. «Fiber-steered design оптимизирует только ориентацию и сохраняет толщину волокон фиксированной, предотвращая полное использование механических свойств CFRP. Подход снижения веса, позволяющий оптимизировать толщину волокна также, редко рассматривался», — объясняет д-р Рёсукэ Мацузаки из TUS, чье исследование фокусируется на композитных материалах.

На этом фоне д-р Мацузаки — вместе со своими коллегами в TUS, Юто Мори и Наоя Кумекава — предложил новый метод дизайна для одновременной оптимизации ориентации и толщины волокна в зависимости от локации в композитной структуре, что позволило им снизить вес CFRP по сравнению с моделью 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, итеративный и модификационный процессы. В подготовительном процессе был выполнен начальный анализ с использованием метода конечных элементов (МКЭ) для определения числа слоев, позволяя качественную оценку веса линейной ламинационной модели и дизайна fiber-steered с моделью вариации толщины. Итеративный процесс использовался для определения ориентации волокна по направлению главных напряжений и итеративного расчета толщины с использованием «теории максимального напряжения». Наконец, модификационный процесс использовался для внесения модификаций с учетом производительности, сначала создавая референсный «базовый пучок волокна» в области, требующей улучшения прочности, а затем определяя окончательную ориентацию и толщину, располагая пучки волокна так, чтобы они распространялись по обе стороны от референсного пучка.

Метод одновременной оптимизации привел к снижению веса более чем на 5% при обеспечении более высокой эффективности передачи нагрузки, чем достигнутое только ориентацией волокна.

Исследователи отмечают, что они взволнованы этими результатами и смотрят вперед к будущей реализации их метода для дальнейшего снижения веса традиционных CFRP деталей. «Наш метод дизайна выходит за рамки конвенциональной мудрости композитного дизайна, делая более легкие самолеты и автомобили, которые могут способствовать сохранению энергии и снижению выбросов CO₂», — наблюдает д-р Мацузаки.