Kohlenstoff ist für das Überleben aller Lebewesen unerlässlich, da er die Grundlage aller organischen Moleküle bildet und organische Moleküle die Grundlage aller Lebewesen bilden.Obwohl dies an sich schon beeindruckend ist, hat die Entwicklung von Kohlenstofffasern in letzter Zeit überraschende neue Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Bauingenieurwesen und in anderen Disziplinen gefunden.Kohlefaser ist stärker, härter und leichter als Stahl.Daher hat Kohlefaser Stahl in Hochleistungsprodukten wie Flugzeugen, Rennwagen und Sportgeräten ersetzt.
Kohlenstofffasern werden üblicherweise mit anderen Materialien zu Verbundwerkstoffen kombiniert.Einer der Verbundwerkstoffe ist kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), der für seine Zugfestigkeit, Steifigkeit und sein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt ist.Aufgrund der hohen Anforderungen an Kohlefaserverbundwerkstoffe haben Forscher mehrere Studien zur Verbesserung der Festigkeit von Kohlefaserverbundwerkstoffen durchgeführt. Die meisten davon konzentrieren sich auf eine spezielle Technologie namens „faserorientiertes Design“, die die Festigkeit durch Optimierung der Ausrichtung verbessert Fasern.
Forscher der Wissenschaftsuniversität Tokio haben eine Designmethode für Kohlefasern übernommen, die die Ausrichtung und Dicke der Fasern optimiert, wodurch die Festigkeit faserverstärkter Kunststoffe erhöht und im Herstellungsprozess leichtere Kunststoffe entstehen, was zur Herstellung leichterer Flugzeuge und Autos beiträgt.
Allerdings ist die Auslegungsmethode der Faserführung nicht ohne Mängel.Das Faserführungsdesign optimiert lediglich die Richtung und hält die Faserdicke konstant, was die volle Nutzung der mechanischen Eigenschaften von CFK verhindert.Dr. Ryyosuke Matsuzaki von der Tokyo University of Science (TUS) erklärt, dass sich seine Forschung auf Verbundwerkstoffe konzentriert.
In diesem Zusammenhang schlugen Dr. Matsuzaki und seine Kollegen Yuto Mori und Naoya kumekawa in tus eine neue Designmethode vor, die gleichzeitig die Ausrichtung und Dicke von Fasern entsprechend ihrer Position in der Verbundstruktur optimieren kann.Dadurch können sie das Gewicht des CFK reduzieren, ohne seine Festigkeit zu beeinträchtigen.Ihre Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Composite Structure veröffentlicht.
Ihr Ansatz besteht aus drei Schritten: Vorbereitung, Iteration und Modifikation.Im Vorbereitungsprozess wird die erste Analyse mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, um die Anzahl der Schichten zu bestimmen, und die qualitative Gewichtsbewertung wird durch das Faserführungsdesign des linearen Laminierungsmodells und des Dickenänderungsmodells realisiert.Die Faserorientierung wird durch die Richtung der Hauptspannung mit der iterativen Methode bestimmt und die Dicke wird mit der Maximalspannungstheorie berechnet.Ändern Sie schließlich den Prozess, um die Berücksichtigung der Herstellbarkeit zu ändern. Erstellen Sie zunächst einen Referenzbereich „Basisfaserbündel“, der eine erhöhte Festigkeit erfordert, und bestimmen Sie dann die endgültige Richtung und Dicke des Anordnungsfaserbündels. Sie breiten das Paket auf beiden Seiten aus Referenz.
Gleichzeitig kann das optimierte Verfahren das Gewicht um mehr als 5 % reduzieren und die Lastübertragungseffizienz höher machen als bei der alleinigen Verwendung der Faserorientierung.
Die Forscher sind von diesen Ergebnissen begeistert und freuen sich darauf, mit ihren Methoden in Zukunft das Gewicht herkömmlicher CFK-Teile weiter zu reduzieren.Dr. Matsuzaki sagte, dass unser Designansatz über das traditionelle Verbunddesign hinausgeht, um leichtere Flugzeuge und Autos herzustellen, was dazu beiträgt, Energie zu sparen und Kohlendioxidemissionen zu reduzieren.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22.07.2021