Development of curvature optimized methods for carbon fiber paths: study on simplified 2D space

Abstract

Materiais compostos são uma família de materiais modernos, versáteis, leves, resistentes e fortes, usados em várias indústrias. No crescente campo dos veículos movidos a hidrogênio, os vasos de pressão reforçados com fibra de carbono têm um papel significativo devido às suas altas razões de peso de hidrogênio para volume de vaso e peso para peso. Métodos tradicionais de enrolamento de filamentos têm limitações devido ao uso de polímeros termofixos, onde o escorregamento das fibras é uma preocupação real. Máquinas modernas de enrolamento termoplástico têm menos limitações devido ao deslizamento; no entanto, elas sofrem com a formação de rugas. Dois novos métodos foram sugeridos, visando a minimização da curvatura máxima (um utilizando curvas Bézier e o outro utilizando cálculo variacional em uma superfície 2D simplificada), enquanto conectam dois pontos em orientações definidas. Os dois métodos foram comparados com referências simples e dados reais de trajetórias do ComposiCAD. Sua precisão nos pontos finais, orientação e desempenho da curvatura foram avaliados. As curvas Bézier demonstraram a melhor precisão e distribuição da curvatura, enquanto o método de cálculo variacional apresentou erros significativos e inconsistências. Em conclusão, para os requisitos técnicos estabelecidos, as curvas Bézier foram satisfatórias em todos os testes realizados, enquanto o cálculo variacional não foi. O segundo não pode ser concluído como ineficaz, uma vez que erros de implementação podem ter ocorrido. No entanto, o método de cálculo variacional ainda mostra potencial para futuras pesquisas.

Composite materials are a family of modern, multipurpose, lightweight, resistant, and strong materials used across several industries. In the growing field of hydrogenpowered vehicles, carbon fiber reinforced composite pressure vessels hold a significant place due to their high hydrogen weight-to-vessel volume and weight-to-weight ratios. Traditional methods for filament winding have limitations due to the use of Thermoset polymers, where slippage of the fibers is a real concern. Modern Thermoplastic winding machines have fewer limitations due to slippage; however, they suffer from wrinkle formation. Two new methods were suggested, aiming for the minimization of the maximum curvature (one using bézier curves and the other using calculus of variations on a simplified 2D surface), while connecting two points in defined orientations. The two methods were compared to simple references and real path data from ComposiCAD. Their accuracy at endpoints, orientation, and curvature performance were evaluated. Bézier curves demonstrated the best accuracy and curvature distribution, while the calculus of variations method exhibited significant errors and inconsistencies. In conclusion, for the technical requisites set, bézier curves were satisfactory in all the tests made, while calculus of variations not. The second could not be concluded as ineffective, once implementation errors may have been done. Nevertheless, the calculus of variations method still show potential for further research.