碳對所有生物的生存都至關重要，因為它構成了所有有機分子的基礎，而有機分子又構成了所有生物的基礎。雖然這本身就相當令人印象深刻，但隨著碳纖維的發展，它最近在航空航天和土木工程等學科中發現了令人驚訝的新應用，碳纖維比鋼更強、更硬、更輕。因此，碳纖維在高性能產品如飛機、賽車和運動設備中取代了鋼鐵。

碳纖維通常與其他材料結合形成復合材料。其中一種復合材料就是碳纖維增強塑料(CFRP)，它以其抗拉強度、剛度和高強度重量比而聞名。由于對碳纖維復合材料的高要求，研究人員開展了幾項研究來提高碳纖維復合材料的強度，其中大部分研究都集中在一種叫做“纖維導向設計”的特殊技術上，該技術通過優化纖維的取向來提高強度。

東京理科大學的研究人員采用了一種碳纖維設計方法，該方法可以優化纖維的取向和厚度，從而增強纖維增強塑料的強度，并在制造過程中生產出更輕的塑料，從而有助于制造更輕的飛機和汽車。

然而，光纖導向的設計方法并非沒有缺點。纖維導向設計只優化了方向，保持了纖維的厚度固定，阻礙了CFRP力學性能的充分利用。來自日本東京科學大學(TUS)的ryyosuke Matsuzaki博士解釋說，他的研究重點是復合材料。

在這種背景下，Matsuzaki博士和他在TUS的同事Yuto Mori和Naoya Kumekawa提出了一種新的設計方法，可以根據纖維在復合材料結構中的位置同時優化纖維的取向和厚度。這使得他們可以在不影響強度的情況下，減少CFRP的重量。他們的研究結果發表在《復合材料結構》雜志上。

他們的方法包括三個步驟:準備、迭代和修改過程。在準備過程中，使用有限元法(FEM)進行了初始分析，以確定層數，通過線性層壓模型和厚度變化模型的纖維導向設計實現了定性的權重評估。采用迭代法根據主應力方向確定纖維取向，利用“最大應力理論”迭代計算厚度。最后,修改流程修改會計用于可制造性,首先創建一個引用“基纖維叢”地區要求強度提高,然后確定最終的方向和厚度等安排纖維束,他們傳播包兩邊的參考。

同時優化的方法導致重量減少大于5%，同時使負載轉移效率比單獨使用纖維定向實現更高。

研究人員對這些結果感到興奮，并期待著未來將他們的方法用于進一步減輕傳統CFRP零件的重量。Matsuzaki博士說，我們的設計方法超越了傳統的復合材料設計，制造更輕的飛機和汽車，這有助于節能和減少二氧化碳排放。

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來源：賢集網
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