Composite Structures | 创新复材设计方法，可同时优化纤维铺放取向与厚度

碳纤维增强塑料 (CFRP) 因其与金属相比具有优异的比强度和比刚度而被用于航空航天、汽车和土木工程 。碳纤维增强塑料 (CFRP) 层压板通常以准各向同性的方式使用，例如交叉层压；因此，无法充分利用 CFRP 的机械性能。

成果简介

本文，东京理工大学Dr.Ryosuke Matsuzaki等相关研究人员提出了一种碳纤维设计方法，该方法使用纤维取向和厚度作为层压参数，其中纤维取向由主应力方向确定纤维厚度由最大应力理论的迭代计算采用二分法确定。该方法还考虑了纤维束的工艺性，并对纤维的取向和厚度进行了相应的修改。相关结果以“Variable thickness design for composite materials using curvilinear fiber paths” 为题发表在《Composite Structures 》上。

Dr.Ryosuke Matsuzaki表示，方法分三步，包括预备、迭代和调整过程。在预备阶段，通过有限元素法（FEM）进行初始分析，以确定层数，通过线性层压模型和具有厚度变化模型的纤维导向设计，进行定性重量评估；迭代过程（iterative）是根据主应力方向确定纤维方向，并根据“最大应力理论”迭代计算厚度；最后，在调整过程，在需要提升强度的区域创建参考“基础纤维束”，将各纤维束排列分布在参考束的两侧，确定最终的方向和厚度，以调整可制造性。

与等厚度线性层合模型相比，采用该方法后，翼板模型的重量减少了约5%，失效指数约为0.7。这样可以在保持强度的同时减轻重量，这对常规CFRP零件的进一步减重有帮助。

图文导读：

图1 纤维取向和厚度同时设计的总体方案

图2 总体方案每个阶段的强度和厚度：i) 初始厚度确定，ii)初始厚度指定纤维取向，iii) 应用不考虑弯矩的基，iv) 通过二分法过渡，以及 v) 修改后的过程。

图2(a)、(b)为各工艺应用后强度与厚度的变化情况。横轴对应图1所示总方案的工艺号(i-v)。

图3 厚度分布和位置

图4 初始厚度指定纤维取向（过程 ii）

表1  采用设计方法后的失效指标和减重

文献信息：

DOI:  10.1016/j.compstruct.2021.113723