Węgiel jest niezbędny do przetrwania wszystkich żywych istot, ponieważ stanowi podstawę wszystkich cząsteczek organicznych, a cząsteczki organiczne stanowią podstawę wszystkich żywych istot.Choć samo w sobie jest to imponujące, wraz z rozwojem włókna węglowego znalazło ono ostatnio zaskakujące nowe zastosowania w przemyśle lotniczym, inżynierii lądowej i innych dyscyplinach.Włókno węglowe jest mocniejsze, twardsze i lżejsze niż stal.Dlatego włókno węglowe zastąpiło stal w produktach o wysokich osiągach, takich jak samoloty, samochody wyścigowe i sprzęt sportowy.
Włókna węglowe są zwykle łączone z innymi materiałami, tworząc kompozyty.Jednym z materiałów kompozytowych są tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem węglowym (CFRP), które słyną z wytrzymałości na rozciąganie, sztywności i wysokiego stosunku wytrzymałości do masy.Ze względu na wysokie wymagania stawiane kompozytom z włókna węglowego badacze przeprowadzili kilka badań mających na celu poprawę wytrzymałości kompozytów z włókna węglowego, z których większość skupiała się na specjalnej technologii zwanej „projektowaniem zorientowanym na włókna”, która poprawia wytrzymałość poprzez optymalizację orientacji włókna.
Naukowcy z Uniwersytetu Naukowego w Tokio przyjęli metodę projektowania włókien węglowych, która optymalizuje orientację i grubość włókna, zwiększając w ten sposób wytrzymałość tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami i wytwarzając lżejsze tworzywa sztuczne w procesie produkcyjnym, pomagając w tworzeniu lżejszych samolotów i samochodów.
Jednak projektowana metoda prowadzenia włókien nie jest pozbawiona wad.Konstrukcja prowadnicy włókna jedynie optymalizuje kierunek i utrzymuje stałą grubość włókna, co utrudnia pełne wykorzystanie właściwości mechanicznych CFRP.Dr ryyosuke Matsuzaki z Uniwersytetu Naukowego w Tokio (TUS) wyjaśnia, że jego badania koncentrują się na materiałach kompozytowych.
W tym kontekście dr Matsuzaki i jego współpracownicy Yuto Mori i Naoya kumekawa in tus zaproponowali nową metodę projektowania, która może jednocześnie optymalizować orientację i grubość włókien w zależności od ich położenia w strukturze kompozytu.Pozwala to zmniejszyć wagę CFRP bez wpływu na jego wytrzymałość.Ich wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie o strukturze złożonej.
Ich podejście składa się z trzech etapów: przygotowania, iteracji i modyfikacji.W procesie przygotowania przeprowadza się wstępną analizę metodą elementów skończonych (MES) w celu określenia liczby warstw, a jakościową ocenę masy poprzez projekt prowadnicy włókien, model laminowania liniowego i model zmiany grubości.Orientację włókien określa się na podstawie kierunku naprężenia głównego metodą iteracyjną, a grubość oblicza się na podstawie teorii naprężeń maksymalnych.Na koniec zmodyfikuj proces, aby zmodyfikować uwzględnienie zdolności produkcyjnej, najpierw utwórz referencyjny obszar „podstawowej wiązki włókien”, który wymaga zwiększonej wytrzymałości, a następnie określ ostateczny kierunek i grubość układu wiązki włókien, propagują pakiet po obu stronach odniesienie.
Jednocześnie zoptymalizowana metoda może zmniejszyć wagę o ponad 5% i sprawić, że wydajność przenoszenia obciążenia będzie wyższa niż przy zastosowaniu samej orientacji włókien.
Naukowcy są podekscytowani tymi wynikami i nie mogą się doczekać wykorzystania ich metod do dalszego zmniejszania masy tradycyjnych części CFRP w przyszłości.Dr Matsuzaki powiedział, że nasze podejście do projektowania wykracza poza tradycyjne projektowanie kompozytowe i pozwala na tworzenie lżejszych samolotów i samochodów, co pomaga oszczędzać energię i zmniejszać emisję dwutlenku węgla.
Czas publikacji: 22 lipca 2021 r