新的优化方法有助于设计更轻的碳纤维复合材料

碳对所有生物的生存至关重要，因为碳构成了所有有机分子的基础，而有机分子又构成了所有生物的基础。尽管仅此一项就令人印象深刻，但随着碳纤维的强度，刚度和重量比钢的发展，它最近在航空航天和土木工程等领域获得了令人惊讶的新颖应用。因此，碳纤维已经取代了飞机，赛车和运动器材等高性能产品中的钢铁。

碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料。一种这样的复合材料是碳纤维增强塑料(CFRP)，其以抗张强度，刚度和高强度重量比而闻名。由于其高需求，研究人员进行了数项研究以提高CFRP的强度，其中大多数研究集中于一种称为“纤维导向设计”的特殊技术，该技术可优化纤维取向以增强强度。

但是，纤维导向的设计方法并非没有缺点。Dr. Dr.解释说：“采用纤维导向的设计只会优化方向，并保持纤维的厚度固定，从而无法充分利用CFRP的机械性能。很少考虑采用能同时优化纤维厚度的减重方法。”东京科学大学(TUS)的Ryosuke Matsuzaki致力于复合材料的研究。

在这种背景下，松崎博士及其在TUS的Yuto Mori和Naoya Kumekawa的同事提出了一种新的设计方法，该方法可以根据复合材料结构中的位置同时优化纤维的取向和厚度，从而减轻了重量与不变厚度的线性层压模型相比，CFRP的强度没有受到影响。他们的发现可以在《复合结构》上发表的一项新研究中阅读。

他们的方法包括三个步骤：准备，迭代和修改过程。在准备过程中，使用有限元方法(FEM)进行了初步分析，以确定层数，从而可以通过线性层压模型和具有厚度变化模型的纤维导向设计对重量进行定性评估。迭代过程用于通过主应力方向确定纤维方向，并使用最大应力理论迭代计算厚度。最后，

同时优化的方法使重量减轻了5%以上，同时实现了比仅使用纤维定向获得的负载转移效率更高的负载转移效率。

研究人员对这些结果感到兴奋，并期待着他们的方法在将来进一步减轻传统CFRP零件的重量。松崎博士说：“我们的设计方法超越了复合材料设计的传统常识，可用于轻型飞机和汽车，这有助于节能和减少CO 2排放。”

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