Jaké jsou účinky velmi flexibilních křídel Boeingu 787 '?

odtud:

Částka flex je opravdu produkt materiálu. Křídlo vyžaduje specifickou konečnou sílu; s kovem, což se promítá do daného množství flexu. To se může v mezích lišit, ale je to opravdu materiál, jeho poměr tuhosti k meze kluzu a jeho únavové vlastnosti, které řídí, kolik flexe nakonec skončíte. CFRP je velmi odlišný materiál a má pro stejnou mez kluzu mnohem menší tuhost a nemá v podstatě žádné problémy s únavou. To je výhodné v tom, že poskytuje plynulejší jízdu v turbulencích; křídlo funguje v podstatě jako obří listová pružina. Kvůli povaze zakřivení však došlo ke ztrátě výtahu. Je to však relativně malé.

Komentáře

• Jak korelovat výtěžek a tuhost? CFRP má vyšší specifickou tuhost ve srovnání s hliníkem a ocelí …
• Zvyšování tuhosti, znamená zvyšování hmotnosti, znamená snižování výtěžku / zdvihu. Tento materiál poskytuje vysokou pevnost s relativně nízkou tuhostí / hmotou, což znamená dobrý poměr a následně následný ohyb, který vidíte.
• Ale ohyb je v designu, nikoli o tuhosti materiálu . S CFRP byste mohli vytvořit mnohem tužší křídla. CFRP (provedeno správně) nabízí jak vynikající tuhost & pevnost, s relativně malým přetržením ve srovnání s hliníkem. Souhlasím však s bodem únavy.
• S CFRP byste mohli postavit mnohem tužší křídla. Zvýšení hmotnosti však sníží výsledný zdvih více, než mít ‚ ploché ‚ křídla.
• Chci říct, že CFRP obecně nevykazuje nižší tuhost pro daný výtěžek. Flex je návrhové rozhodnutí, které poskytuje nejlepší kompromis, ale nikoli neodmyslitelně kvůli materiálu.

Křídla Boeingu 787 jsou tak pružná, protože jeho materiál z uhlíkových vláken lze více protáhnout a vysoký poměr 11 tento efekt ještě zvětší. Za letu budete cítit jen menší otřesy způsobené poryvy, protože křídlo bude účinněji tlumit změny zatížení. Na zemi by křídlo mohlo mít menší vůli špičky, protože je potřeba méně vestavěného vzepětí – zbytek dodává pružnost křídla za letu.

Vliv na výkon je mírně negativní, ale jedná se o velmi slabý efekt. Lze jej přirovnat k valivému odporu tuhého kola oproti kolu s pružinovým rámem.

Velikost ohybu pro daný ohybový moment závisí na třech faktorech:

1. Rozpětí křídel: Dané zakřivení křídel způsobené ohnutím u kořene křídla způsobí posun špičky, který je úměrný vzdálenosti této špičky od kořene.
2. Spar heigt: Toto zakřivení roste s inverzí čtverce výšky nosníku. Nižší relativní tloušťka křídla způsobí větší ohýbání.
3. Materiál nosníku: Youngův modul materiálu popisuje, jak moc se táhne pro dané napětí. Důležitější však je elastické prodloužení při meze kluzu. Uhlíkové vlákno má vyšší Youngův modul než hliník, ale je elastické až do prasknutí, takže ho lze více protáhnout a při meze kluzu vytváří větší ohyb.

Čísla: Youngův modul hliníku je poměrně konstantní pro širokou škálu slitin a obvykle 70 000 MPa nebo N / mm². Modul grafitových vláken závisí na jejich výrobním procesu a se pohybuje mezi 200 000 a 700 000 MPa nebo N / mm². Tuto hodnotu však nelze přímo srovnávat s hodnotou hliníku. Konečný modul kompozitu závisí na orientaci vláken a obsahu pryskyřice.

Je bezpečné předpokládat že Boeing (nebo přesněji Mitsubishi Heavy Industries) používá moderní vlákno s vysokou pevností jako IM7 (pdf) (IM je zkratka pro střední modul), které má modul 276 000 MPa. Dá se také bezpečně předpokládat, že většina vláken je orientována ve směru rozpětí, takže mohou plně přispět k převzetí ohybového zatížení. Předpokládáme-li konzervativní obsah vláken 60%, výsledný modul materiál nosníku by měl být 164 000 MPa. Nosník však není samostatnou součástí, ale součástí křídlové skříně, která také musí nést torzní zatížení. Zatímco hliník je izotropní materiál (má stejné vlastnosti ve všech směrech), CFRP je vysoce anizotropní a přidání torzní pevnosti bude vyžadovat další vlákna v jiných směrech. Důsledek: Efektivní modul křídlové skříně ve směru ohybu může být až 110 000 MPa.

Nakonec se počítá, kolik materiálu tam je, aby uneslo ohybová zatížení. Zde vstupuje do hry mez kluzu materiálu: Čím větší je napětí, které může materiál tolerovat, než vykazuje plastickou deformaci, tím menší je potřeba k přenosu daného ohybového momentu. Abychom dosáhli přímo k maximální deformaci, stačí se podívat na maximální pružné přetvoření. U IM7 je to 1,9% a u vysoce pevného 7068 hliníku (pdf) je to méně než 1%, než materiál utrpí trvalé prodloužení. To znamená, že i když je CFRP tužší než hliník, lze jej načíst více a roztáhne se více, než dosáhne svých limitů.

Komentáře

• Děkuji ti za odpověď. Ale moje otázka byla o výkonu extrémně pružných křídel za letu, ne o tom, proč se křídla na prvním místě ohýbají.
• @shortstheory: Teoreticky dochází k malému snížení výkonu kvůli ohybu křídla, ale toto je extrémně malé. Jde mi o to, že hlavně snižuje faktor zatížení, který pociťuje užitečné zatížení v důsledku poryvů.
• Ale Airbus A350, který je vyvinut s použitím téměř stejných materiálů, má stejný průhyb křídla nebo ne? a pokud ne, jednoduše “ proč „?

Toto má nejen model 787 s CFRP, všechna křídla se hodně ohýbají, jak ukazuje spodní část tohoto obrázku. Zdroj: Úvod do transonické aerodynamiky R. Vos a S. Farokhi

V dnešní době návrháři začleňují flexing do designu a zajišťují, aby byl tvar v plavbě přesně takový, jaký chtějí. Ale dva výše uvedené grafy ukazují některá zajímavá fakta. Na levé straně vidíte rozložení tlaku na různých místech na pružném křídle a vpravo stejné, ale pak pro tuhé křídlo (tedy nedeformované)

To vidíte vpravo obrázek (kolem x / c = 0,3), v grafech jsou ostré skoky, které označují otřesy a vedou k vlnění. Na pružné straně jsou přechody méně strmé, což znamená, že rázová vlna je méně silná. V důsledku toho bude vlnový odpor menší.

Na základě těchto grafů tedy můžeme usoudit, že pružné křídlo bude mít menší vlnový odpor než stejné křídlo, které by se nedeformovalo.

Komentáře

• Dobrá odpověď! Ale nedělali by ‚ t konstruktéři otočit křídlo jen tak, aby při zatížení mělo požadovaný úhel náběhu na všech stanicích křídla? Koneckonců, výsledkem ohýbání dozadu zametaného křídla je zmenšení úhlu útoku na vnější stanice. Samozřejmě neflexibilní křídlové křídlo bude mít na vnějších stanicích příliš velké zatížení.
• To byla také věc, na kterou jsem mířil. Návrháři vědí, že křídlo se deformuje, a bude to zohledňovat ve svém návrhu tak, aby při plavbě byl tvar optimální. Porovnání s rigidním případem jsem provedl nejen proto, abych ukázal, že flexe je dobrá věc, ale také abych vysvětlil proč.