Hvad er virkningerne af Boeing 787 ' s meget fleksible vinger?

Herfra:

Beløbet af flex er virkelig et produkt af materialet. Vingen kræver en specificeret ultimativ styrke; med metal, der oversættes til en given mængde flex. Dette kan varieres inden for grænserne, men det er virkelig materialet, dets stivhed til at give punktforhold og dets træthedsegenskaber, der styrer, hvor meget flex du vil ende med. CFRP er et meget andet materiale og har meget mindre stivhed til det samme flydepunkt og har stort set ingen træthedsproblemer. Dette er fordelagtigt, fordi det giver en jævnere tur i turbulens; vingen fungerer i det væsentlige som en kæmpe bladfjeder. Der er dog noget lift tabt på grund af krumningens natur. Dette er dog relativt lille.

Kommentarer

• Hvordan korrelerer du udbytte og stivhed? CFRP har en højere specifik stivhed sammenlignet med aluminium og stål …
• Forøgelse af stivhed, betyder stigende masse, betyder faldende udbytte / løft. Dette materiale giver høj styrke med en relativt lav stivhed / masse, hvilket betyder et godt forhold og til gengæld den følgevirkning, du ser.
• Men flex er i designet, ikke materialets stivhed . Du kunne bygge meget stivere vinger med CFRP. CFRP (gjort ordentligt) tilbyder både fremragende stivhed & styrke med relativ lav brudstamme sammenlignet med aluminium. Jeg er dog enig i træthedspunktet.
• Du kunne bygge meget stivere vinger med CFRP. Stigningen i masse reducerer dog den resulterende løftning mere end at have ‘ flad ‘ vinger.
• Min pointe er, at CFRP generelt ikke viser en lavere stivhed for et givet udbytte. Flex er en designbeslutning, der giver det bedste kompromis, men ikke iboende på grund af materialet.

Vingerne på Boeing 787 er så fleksible, fordi dets kulfibermateriale kan strækkes mere, og det høje billedformat på 11 vil forstørre denne effekt. Under flyvning er alt, hvad du vil føle, mindre rysten på grund af vindstød, fordi vingen dæmper belastningsændringer mere effektivt. På jorden kan vingen have mindre spidsafstand, fordi der er behov for mindre indbygget dihedral – resten leveres af vingens elasticitet under flyvning.

Indflydelsen på ydeevnen er lidt negativ, men dette er en meget svag effekt. Det kan sammenlignes med rullemodstanden for en stiv cykel i forhold til en med en fjederbelastet ramme.

Mængden af bøjning i et givet bøjningsmoment afhænger af tre faktorer:

1. Vingespænd: En given krumning af vingen på grund af bøjning ved vingeroden vil medføre en forskydning af spidsen, der er proportional med afstanden til spidsen fra roden.
2. Spar heigt: Denne krumning vokser med inversen af kvadratet af sparhøjden. En lavere relativ tykkelse af vingen vil give mere bøjning.
3. Sparemateriale: Youngs modul af materialet beskriver, hvor meget det strækker sig for en given stress. Mere vigtigt er imidlertid den elastiske forlængelse ved flydespænding. Kulfiber har et højere Young-modul end aluminium, men er elastisk indtil brud, så det kan strækkes mere og producerer mere bøjning ved flydespænding.

Tallene: Youngs modul af aluminium er ret konstant for en lang række legeringer og normalt 70.000 MPa eller N / mm². Modulet af grafitfibre afhænger af deres fremstillingsproces og varierer mellem 200.000 og 700.000 MPa eller N / mm². Denne værdi kan imidlertid ikke sammenlignes direkte med aluminiumsværdien. Kompositets endelige modul afhænger af fiberorientering og harpiksindhold.

Det er sikkert at antage at Boeing (eller mere præcist, Mitsubishi Heavy Industries) bruger en moderne fiber med høj styrke som IM7 (pdf) (IM står for mellemliggende modul), som har et modul på 276.000 MPa. Det er også sikkert at antage, at de fleste fibre er orienteret i spændingsretningen, så de kan bidrage fuldt ud til at tage bøjningsbelastningerne. Hvis vi antager et konservativt fiberindhold på 60%, vil den resulterende modul af spar materiale skal være 164.000 MPa. Spar er dog ikke en diskret komponent, men en del af vingekassen, som også skal tage torsionsbelastninger. Mens aluminium er et isotropisk materiale (det har de samme egenskaber i alle retninger), er CFRP meget anisotropisk, og tilføjelse af torsionsstyrke vil kræve yderligere fibre i andre retninger. Konsekvens: Den effektive modul af vingekassen i bøjningsretning kan være så lav som 110.000 MPa.

I sidste ende tæller det, hvor meget materiale der er til at bære bøjningsbelastningerne. Her kommer materialets flydespænding i spil: Jo mere stress et materiale kan tåle, før det viser plastisk deformation, jo mindre er det nødvendigt for at bære et givet bøjningsmoment. For at nå direkte til den maksimale deformation er det nok at se på den maksimale elastiske belastning. Med IM7 er dette 1,9%, og med høj styrke 7068 aluminium (pdf) er det mindre end 1%, før materialet får permanent forlængelse. Dette betyder, at selvom CFRP er stivere end aluminium, kan det indlæses mere og strække sig mere, inden det når sine grænser.

Kommentarer

• Tak for svaret. Men mit spørgsmål var om ydeevnen under ekstrem fleksible vinger under flyvning, ikke om hvorfor vingerne i første omgang bøjer.
• @shortstheory: Teoretisk er der en lille reduktion af ydeevnen på grund af vingefleks, men dette er ekstremt lille. Mit pointe er, at det hovedsageligt reducerer belastningsfaktoren, der mærkes af nyttelasten på grund af vindstød.
• Men Airbus A350, der er udviklet ved hjælp af næsten samme materialer, har den samme vingefleks eller ej? og hvis ikke bare ” hvorfor “?

Ikke kun 787 med CFRP har dette, alle vinger bøjer meget som vist i den nederste del af dette billede. Kilde: Introduktion til transonic aerodynamik af R. Vos og S. Farokhi

I disse dage inkorporerer designere bøjningen i designet og sørger for, at formen i krydstogt er nøjagtig som de vil have det. Men de to grafer ovenfor viser nogle interessante fakta. Til venstre kan du se trykfordelingen på forskellige steder på en fleksibel vinge og til højre den samme, men så for en stiv vinge (således ikke deformeret)

Du kan se det til højre billede (omkring x / c = 0,3), der er skarpe spring i graferne, disse indikerer stød og fører til bølgestrøm. På den fleksible side er gradienterne mindre stejle, hvilket betyder, at stødbølgen er mindre stærk. Som en konsekvens vil bølgestrømmen være mindre.

Således kan vi på baggrund af disse grafer konkludere, at den fleksible fløj har mindre bølgestrøm end den samme fløj, der ikke ville deformere.

Kommentarer

• Godt svar! Men ville ‘ ikke designerne vride vingen, så den under belastning har den ønskede angrebsvinkel på alle vingestationer? Resultatet af at bøje en bagud-fejet vinge er trods alt at reducere angrebsvinklen på de ydre stationer. Naturligvis vil den ubøjede vingevinge have for meget belastning ved de ydre stationer.
• Det var også den ting, jeg sigtede mod. Designere ved, at vingen vil deformeres, og vil redegøre for dette i deres design, så formen på krydstogt er optimal. Jeg foretog sammenligningen med den stive sag, ikke kun for at vise, at bøjningen er en god ting, men også for at forklare hvorfor.