Uusi optimointimenetelmä on hyödyllinen kevyempien hiilikuitukomposiittien suunnittelussa

Hiili on välttämätön kaikkien elävien olentojen selviytymiselle, koska se muodostaa perustan kaikille orgaanisille molekyyleille, ja orgaaniset molekyylit muodostavat kaiken elävän perustan.Vaikka tämä itsessään on varsin vaikuttavaa, hiilikuidun kehityksen myötä se on viime aikoina löytänyt yllättäviä uusia sovelluksia ilmailu-, tie- ja vesirakentamisen ja muilla aloilla.Hiilikuitu on vahvempaa, kovempaa ja kevyempää kuin teräs.Siksi hiilikuitu on korvannut teräksen korkean suorituskyvyn tuotteissa, kuten lentokoneissa, kilpa-autoissa ja urheiluvälineissä.

Hiilikuituja yhdistetään yleensä muiden materiaalien kanssa komposiitteiksi.Yksi komposiittimateriaaleista on hiilikuituvahvisteinen muovi (CFRP), joka on kuuluisa vetolujuudestaan, jäykkyydestään ja korkeasta lujuus-painosuhteestaan.Hiilikuitukomposiittien korkeiden vaatimusten vuoksi tutkijat ovat tehneet useita tutkimuksia hiilikuitukomposiittien lujuuden parantamiseksi, joista suurin osa on keskittynyt erityiseen teknologiaan nimeltä "kuituoriented design", joka parantaa lujuutta optimoimalla sen suuntausta. kuidut.

Tokion tiedeyliopiston tutkijat ovat ottaneet käyttöön hiilikuitusuunnittelumenetelmän, joka optimoi kuidun suunnan ja paksuuden, mikä parantaa kuituvahvisteisten muovien lujuutta ja tuottaa kevyempiä muoveja valmistusprosessissa, mikä auttaa tekemään kevyempiä lentokoneita ja autoja.

Kuituohjauksen suunnittelumenetelmässä ei kuitenkaan ole puutteita.Kuituohjainrakenne optimoi vain suunnan ja pitää kuidun paksuuden kiinteänä, mikä estää CFRP:n mekaanisten ominaisuuksien täyden hyödyntämisen.Tohtori ryyosuke Matsuzaki Tokion tiedeyliopistosta (TUS) selittää, että hänen tutkimuksensa keskittyy komposiittimateriaaleihin.

Tässä yhteydessä tohtori Matsuzaki ja hänen kollegansa Yuto Mori ja Naoya kumekawa in tus ehdottivat uutta suunnittelumenetelmää, jolla voidaan samanaikaisesti optimoida kuitujen suuntaus ja paksuus niiden sijainnin mukaan komposiittirakenteessa.Tämän ansiosta he voivat vähentää CFRP:n painoa vaikuttamatta sen lujuuteen.Heidän tulokset julkaistaan ​​aikakauslehden yhdistelmärakenteessa.

Heidän lähestymistapansa koostuu kolmesta vaiheesta: valmistelu, iterointi ja muokkaaminen.Valmisteluprosessissa alkuanalyysi tehdään elementtimenetelmällä (FEM) kerrosten lukumäärän määrittämiseksi ja laadullinen painonarviointi toteutetaan lineaarisen laminointimallin ja paksuudenmuutosmallin kuidunohjainsuunnittelulla.Kuitujen orientaatio määräytyy pääjännityksen suunnan mukaan iteratiivisella menetelmällä ja paksuus lasketaan maksimijännitysteorialla.Muokkaa lopuksi prosessia valmistettavuuden huomioon ottamiseksi, luo ensin viitealue "peruskuitukimppu", joka vaatii lisää lujuutta, ja määritä sitten järjestelyn kuitukimppun lopullinen suunta ja paksuus, ne levittävät pakkauksen kuitupaketin molemmille puolille. viite.

Samanaikaisesti optimoitu menetelmä voi vähentää painoa yli 5 % ja tehdä kuormansiirtotehokkuudesta korkeamman kuin pelkän kuidun suuntauksen käyttäminen.

Tutkijat ovat innoissaan näistä tuloksista ja odottavat innolla voivansa käyttää menetelmiään vähentääkseen perinteisten CFRP-osien painoa tulevaisuudessa.Tohtori Matsuzaki sanoi, että lähestymistapamme suunnitteluun menee perinteistä komposiittisuunnittelua pidemmälle ja valmistaa kevyempiä lentokoneita ja autoja, mikä auttaa säästämään energiaa ja vähentämään hiilidioksidipäästöjä.


Postitusaika: 22.7.2021