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 碳纖維憑借其出色的強度/重量比而在航空工程應用領域受到歡迎。雖然人們在提高碳纖維復合材料如纖維增強塑料的強度方面作了很多努力，但卻只考慮了對纖維取向的優(yōu)化。現(xiàn)在，東京理工大學的研究人員們采用了一種新的設計方法來優(yōu)化纖維的厚度和取向，從而減輕了增強塑料的重量，為開發(fā)更輕質的飛機和汽車開辟了道路。

碳對于所有生物的生存而言都至關重要，因為它是所有有機分子的基礎，進而構成了所有生命的基礎。雖然這本身就令人印象深刻，但是，隨著開發(fā)出比鋼的強度和剛性更好且重量更輕的碳纖維，近年來，航空航天和土木工程等領域出現(xiàn)了很多令人驚訝的新應用，這使得碳纖維取代鋼材被應用于飛機、賽車和運動器材等高性能產(chǎn)品中。

碳纖維通常與其他材料結合形成復合材料，其中的一種復合材料是碳纖維增強塑料（CFRP），它以其高的拉伸強度、剛性和強度/重量比而出類拔萃。由于需求量大，因此，研究人員們開展了多項研究，以期提高CFRPs的強度，而且，他們將大多數(shù)的時間用在一項名為“纖維導向的設計（fiber-steered design）”的特殊技術研究上，這項技術可以優(yōu)化纖維取向，從而提高強度。但“纖維導向的設計（fiber-steered design）方法并非沒有缺點，它只能優(yōu)化纖維的取向，但卻保持纖維的厚度不變，這極大地影響了對CFRP力學性能的充分利用。而一種同時也允許優(yōu)化纖維厚度的減重方法卻很少被考慮到。”東京理工大學專注于復合材料研究的Ryosuke Matsuzaki博士說道。

為此，Matsuzaki博士與其在東京理工大學的同事Yuto Mori 和Naoya Kumekawa一起，提出了一種新的設計方法，即根據(jù)在復合材料結構中的位置，來同時優(yōu)化纖維的取向和厚度，這使得他們能夠對比等厚度線性層壓模型的重量，來減輕CFRP的重量，同時不影響其強度。發(fā)表在《Composite Structures》中的一篇新的研究論文介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

他們的方法包括3個步驟：準備、迭代和修正過程。在準備過程中，采用有限元方法（FEM）進行初步分析，以確定層數(shù)，通過一種線性層壓模型和帶有厚度變化模型的纖維導向設計（fiber-steered design）來進行定性的重量評估。迭代過程是根據(jù)主應力方向確定纖維取向，以及用“最大應力理論”來迭代計算厚度。修正過程是針對可制造性進行修正，這包括兩步：首先，在需要提高強度的區(qū)域創(chuàng)建一個參考的“基礎纖維束”；然后，按照纖維束分布在參考束兩側的形式排列纖維束，以此確定最終的取向和厚度。

與僅優(yōu)化纖維取向的方法相比，這種同時優(yōu)化纖維的取向和厚度的方法，實現(xiàn)了5%以上的減重效果和更高的載荷傳遞效率。

研究人員們對這些結果感到非常興奮，并期待著今后能夠通過實施自己的方法，來進一步減輕傳統(tǒng)CFRP部件的重量。