¿Cuáles son los efectos de las alas muy flexibles del Boeing 787 '?

Desde aquí:

La cantidad de flexión es realmente un producto del material. El ala requiere una resistencia máxima especificada; con metal, eso se traduce en una determinada cantidad de flexión. Esto se puede variar dentro de los límites, pero es realmente el material, su relación de rigidez a punto de fluencia y sus propiedades de fatiga, lo que controla la cantidad de flexión con la que va a terminar. El CFRP es un material muy diferente y tiene mucha menos rigidez para el mismo límite de elasticidad, y esencialmente no tiene problemas de fatiga. Esto es beneficioso porque proporciona una conducción más suave en turbulencias; el ala actúa esencialmente como una ballesta gigante. Sin embargo, se pierde algo de sustentación debido a la naturaleza de la curvatura. Sin embargo, esto es relativamente pequeño.

Comentarios

• ¿Cómo se correlaciona el rendimiento y la rigidez? El CFRP tiene una rigidez específica más alta en comparación con el aluminio y el acero …
• Aumentar la rigidez, significa aumentar la masa, significa disminuir el rendimiento / sustentación. Este material proporciona alta resistencia con una rigidez / masa relativamente baja, lo que significa una buena relación y, a su vez, la flexión consecuente que ve.
• Pero la flexión está en el diseño, no en la rigidez del material. . Podrías construir alas mucho más rígidas con CFRP. CFRP (hecho correctamente) ofrece una excelente rigidez & resistencia, con una tensión de rotura relativamente baja en comparación con el aluminio. Sin embargo, estoy de acuerdo con el punto de fatiga.
• Usted podría construir alas mucho más rígidas con CFRP. Sin embargo, el aumento de masa reducirá la elevación resultante más que tener ‘ alas ‘ planas.
• Mi punto es que el CFRP no muestra, en general, una rigidez más baja para un rendimiento dado. La flexibilidad es una decisión de diseño que ofrece el mejor compromiso, pero no inherentemente debido al material.

Las alas del Boeing 787 son muy flexibles porque su material de fibra de carbono se puede estirar más, y la alta relación de aspecto de 11 magnificará este efecto. En vuelo, todo lo que sentirá es menos temblores debido a las ráfagas, porque el ala amortiguará los cambios de carga de manera más efectiva. En el suelo, el ala puede tener menos espacio libre en la punta, porque se necesita menos diedro incorporado; el resto lo proporciona la elasticidad del ala en vuelo.

La influencia en el rendimiento es ligeramente negativa, pero este es un efecto muy débil. Se puede comparar con la resistencia a la rodadura de una bicicleta rígida frente a una con un cuadro con resorte.

La cantidad de flexión para un momento de flexión dado depende de tres factores:

1. Envergadura del ala: una curvatura dada del ala debido a la flexión en la raíz del ala provocará un desplazamiento de la punta que es proporcional a la distancia de esa punta a la raíz.
2. Altura del larguero: esta curvatura crece con la inversa del cuadrado de la altura del larguero. Un grosor relativo menor del ala producirá más flexión.
3. Material del larguero: El módulo de Young del material describe cuánto se estira para una tensión determinada. Sin embargo, es más importante el alargamiento elástico en el límite elástico. La fibra de carbono tiene un módulo de Young más alto que el aluminio, pero es elástica hasta que se rompe, por lo que se puede estirar más y produce más flexión en el límite elástico.

Los números: el módulo de Young del aluminio es bastante constante para una amplia gama de aleaciones y normalmente 70.000 MPa o N / mm². El módulo de las fibras de grafito depende de su proceso de fabricación y varía entre 200.000 y 700.000 MPa o N / mm². Sin embargo, este valor no se puede comparar directamente con el del aluminio. El módulo final del composite depende de la orientación de la fibra y el contenido de resina.

Es seguro asumir que Boeing (o más precisamente, Mitsubishi Heavy Industries) utiliza una fibra moderna de alta resistencia como IM7 (pdf) (IM significa módulo intermedio), que tiene un módulo de 276.000 MPa. También es seguro asumir que la mayoría de las fibras están orientadas en la dirección del tramo, por lo que pueden contribuir completamente a soportar las cargas de flexión. Si asumimos un contenido de fibra conservador del 60%, el módulo El material del larguero debe ser de 164.000 MPa. Sin embargo, el larguero no es un componente discreto, sino parte de la caja del ala que también tiene que soportar cargas de torsión. Mientras que el aluminio es un material isotrópico (tiene las mismas propiedades en todas las direcciones), el CFRP es altamente anisotrópico y para agregar resistencia a la torsión se necesitarán fibras adicionales en otras direcciones. Consecuencia: El módulo efectivo de la caja del ala en la dirección de flexión puede ser tan bajo como 110.000 MPa.

Al final, lo que cuenta es la cantidad de material que hay para soportar las cargas de flexión. Aquí entra en juego el límite elástico del material: cuanto más esfuerzo pueda tolerar un material antes de que muestre deformación plástica, menos se necesita para soportar un momento flector dado. Para llegar directamente a la deformación máxima, basta con mirar la deformación elástica máxima. Con IM7, esto es 1.9%, y con aluminio 7068 (pdf) de alta resistencia, es menos del 1% antes de que el material sufra elongación permanente. Esto significa que, aunque CFRP es más rígido que el aluminio, se puede cargar más y se estirará más antes de que alcance sus límites.

Comentarios

• Gracias por la respuesta. Pero mi pregunta era sobre el rendimiento en vuelo de las alas extremadamente flexibles, no sobre por qué las alas se flexionan en primer lugar.
• @shortstheory: Teóricamente, hay una pequeña reducción del rendimiento debido a la flexión del ala, pero esto es extremadamente pequeño. Mi punto es que principalmente reduce el factor de carga que siente la carga útil debido a las ráfagas.
• Pero el Airbus A350 que se desarrolla usando casi los mismos materiales, ¿tiene el mismo ala flexible o no? y, si no es así, simplemente » ¿por qué «?

No solo el 787 con CFRP tiene esto, todas las alas se flexionan mucho como se muestra en la parte inferior de esta imagen. Fuente: Introducción a la aerodinámica de Transonic por R. Vos y S. Farokhi

En estos días, los diseñadores incorporan la flexión en el diseño, asegurándose de que la forma en crucero sea exactamente como la quieren. Pero los dos gráficos anteriores muestran algunos datos interesantes. A la izquierda puede ver la distribución de la presión en diferentes ubicaciones en un ala flexible, y a la derecha la misma, pero luego para un ala rígida (por lo tanto, no deformada)

Puede ver eso a la derecha imagen (alrededor de x / c = 0.3), hay saltos bruscos en los gráficos, estos indican choques y conducen a un arrastre de onda. En el lado flexible, los gradientes son menos pronunciados, lo que significa que la onda de choque es menos fuerte. Como consecuencia, el arrastre de las olas será menor.

Por lo tanto, con base en estos gráficos, podemos concluir que el ala flexible tendrá menos arrastre de las olas que la misma ala que no se deformaría.

Comentarios

• ¡Buena respuesta! Pero, ¿no ‘ los diseñadores girarían el ala sólo para que bajo carga tenga el ángulo de ataque deseado en todas las estaciones del ala? Después de todo, el resultado de flexionar un ala barrida hacia atrás es reducir el ángulo de ataque en las estaciones exteriores. Por supuesto, el ala no flexionada tendrá demasiada carga en las estaciones exteriores.
• Eso también era lo que estaba apuntando. Los diseñadores saben que el ala se deformará y lo tendrán en cuenta en su diseño, de modo que en crucero la forma sea óptima. Hice la comparación con el caso rígido, no solo para mostrar que la flexión es algo bueno, sino también para explicar por qué.