韩国研究人员开发出纤维增强复合材料的设计方案 可降低汽车能耗

据外媒报道，韩国光州科学技术研究院（Gwangju Institute of Science and Technology）的研究人员开发出一种人工智能辅助设计FRC结构的方案。该方案具有空间变化的最佳纤维尺寸，使FRC更轻巧，同时不影响其机械强度和刚度，从而可降低汽车、飞机和其他交通工具的能耗。

（图片来源：光州科学技术研究院）

纤维增强复合材料（FRC）是一类复杂的工程材料，由嵌入软基体中的刚性纤维组成。如果设计得当，FRC可为其重量提供出色的结构强度和刚度，可用于飞机、航天器和其他需要轻质结构车辆。

尽管FRC有诸多益处，但仍然在很多方面受限，如其设计采用具有恒定半径和空间固定纤维密度的纤维，因此必须在重量和机械强度之间进行权衡。简而言之，目前可用的FRC的重量比实际所需应用标准还重。

为了解决这个问题，韩国光州科学技术学院的Jaewook Lee教授领导的国际研究小组开发出一种新方法，用于逆向设计具有空间变化的纤维尺寸和方向的FCR，也称为“功能分级复合材料”。该方法基于“多尺度拓扑优化”，允许在给定设计参数和约束的情况下自动找到最佳功能分级复合结构。

Lee教授表示：“拓扑优化是一种基于人工智能的设计技术。可基于计算机模拟生成最佳结构形状，而非依靠设计师的直觉和经验。另一方面，多尺度方法是一种数值方法，通过结合在不同尺度上进行的分析结果得出结构特征。”与仅限于二维功能梯度复合材料的现有类似方法不同，该新方法可以同时确定最佳的三维复合材料结构及其微尺度纤维密度和纤维取向。

在多个计算机辅助试验总，研究团队比较了具有恒定或变化纤维尺寸的各种功能分级复合材料设计，因此证明了其方法的潜力。实验包括钟形曲柄、位移逆变器机构和简单支撑梁的设计。正如预期所想，结果采用局部定制的纤维尺寸的设计性能有所提高。

车辆、飞机和机器人的许多应用都受益于轻质结构，而此次提出的新方法可助力工程师实现目标。但该方法的优势不止于此。Lee教授表示：“通过减轻重量助力开发更节能的车辆和机械，我们的方法可减少能源消耗，从而有助于实现碳中和。”