Phương pháp tối ưu hóa mới rất hữu ích để thiết kế vật liệu tổng hợp sợi carbon nhẹ hơn

Carbon rất cần thiết cho sự sống còn của mọi sinh vật, bởi vì nó tạo thành nền tảng của tất cả các phân tử hữu cơ và các phân tử hữu cơ là nền tảng của mọi sinh vật.Mặc dù bản thân điều này khá ấn tượng nhưng với sự phát triển của sợi carbon, gần đây nó đã tìm ra những ứng dụng mới đáng ngạc nhiên trong ngành hàng không vũ trụ, kỹ thuật dân dụng và các ngành khác.Sợi carbon bền hơn, cứng hơn và nhẹ hơn thép.Vì vậy, sợi carbon đã thay thế thép trong các sản phẩm hiệu suất cao như máy bay, xe đua và thiết bị thể thao.

Sợi carbon thường được kết hợp với các vật liệu khác để tạo thành vật liệu tổng hợp.Một trong những vật liệu composite là nhựa gia cố sợi carbon (CFRP), loại vật liệu này nổi tiếng với độ bền kéo, độ cứng và tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao.Do yêu cầu cao của vật liệu tổng hợp sợi carbon, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một số nghiên cứu để cải thiện độ bền của vật liệu tổng hợp sợi carbon, hầu hết đều tập trung vào một công nghệ đặc biệt gọi là “thiết kế định hướng sợi”, giúp cải thiện độ bền bằng cách tối ưu hóa hướng của sợi.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học khoa học Tokyo đã áp dụng phương pháp thiết kế sợi carbon nhằm tối ưu hóa hướng và độ dày của sợi, từ đó tăng cường độ bền của nhựa gia cố bằng sợi và sản xuất nhựa nhẹ hơn trong quá trình sản xuất, giúp chế tạo máy bay và ô tô nhẹ hơn.

Tuy nhiên, phương pháp thiết kế dẫn hướng sợi quang không phải là không có nhược điểm.Thiết kế dẫn hướng sợi chỉ tối ưu hóa hướng và giữ cố định độ dày sợi, điều này cản trở việc tận dụng tối đa các tính chất cơ học của CFRP.Tiến sĩ ryyosuke Matsuzaki của Đại học Khoa học Tokyo (TUS) giải thích rằng nghiên cứu của ông tập trung vào vật liệu composite.

Trong bối cảnh này, Tiến sĩ Matsuzaki cùng các đồng nghiệp Yuto Mori và Naoya kumekawa in tus đã đề xuất một phương pháp thiết kế mới, có thể đồng thời tối ưu hóa hướng và độ dày của sợi theo vị trí của chúng trong cấu trúc hỗn hợp.Điều này cho phép họ giảm trọng lượng của CFRP mà không ảnh hưởng đến độ bền của nó.Kết quả của họ được công bố trên tạp chí cấu trúc tổng hợp.

Cách tiếp cận của họ bao gồm ba bước: chuẩn bị, lặp lại và sửa đổi.Trong quá trình chuẩn bị, phân tích ban đầu được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để xác định số lớp và việc đánh giá trọng lượng định tính được thực hiện thông qua thiết kế dẫn hướng sợi của mô hình cán tuyến tính và mô hình thay đổi độ dày.Hướng của sợi được xác định theo hướng của ứng suất chính bằng phương pháp lặp và độ dày được tính theo lý thuyết ứng suất cực đại.Cuối cùng, sửa đổi quy trình để sửa đổi cách tính toán về khả năng sản xuất, trước tiên hãy tạo vùng “bó sợi cơ sở” tham chiếu yêu cầu cường độ tăng lên, sau đó xác định hướng và độ dày cuối cùng của bó sợi sắp xếp, chúng truyền gói trên cả hai mặt của thẩm quyền giải quyết.

Đồng thời, phương pháp tối ưu hóa có thể giảm hơn 5% trọng lượng và mang lại hiệu suất truyền tải cao hơn so với chỉ sử dụng định hướng sợi quang.

Các nhà nghiên cứu rất hào hứng với những kết quả này và mong muốn sử dụng các phương pháp của họ để giảm hơn nữa trọng lượng của các bộ phận CFRP truyền thống trong tương lai.Tiến sĩ Matsuzaki cho biết phương pháp thiết kế của chúng tôi vượt xa thiết kế composite truyền thống để chế tạo máy bay và ô tô nhẹ hơn, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải carbon dioxide.


Thời gian đăng: 22-07-2021