Welche Auswirkungen haben die sehr flexiblen Flügel der Boeing 787 '?

Von hier aus:

Der Betrag von Flex ist wirklich ein Produkt des Materials. Der Flügel benötigt eine bestimmte Endfestigkeit; mit Metall, was sich in einem bestimmten Maß an Flex niederschlägt. Dies kann in Grenzen variiert werden, aber es ist wirklich das Material, sein Verhältnis von Steifheit zu Streckgrenze und seine Ermüdungseigenschaften, die steuern, wie viel Flex Sie am Ende haben werden. CFK ist ein sehr unterschiedliches Material, hat bei gleicher Streckgrenze eine viel geringere Steifigkeit und weist im Wesentlichen keine Ermüdungsprobleme auf. Dies ist insofern vorteilhaft, als es eine gleichmäßigere Fahrt bei Turbulenzen ermöglicht. Der Flügel wirkt im Wesentlichen wie eine riesige Blattfeder. Aufgrund der Art der Krümmung geht jedoch etwas Auftrieb verloren. Dies ist jedoch relativ klein.

Kommentare

• Wie korrelieren Sie Ausbeute und Steifheit? CFK hat eine höhere spezifische Steifheit im Vergleich zu Aluminium und Stahl …
• Eine Erhöhung der Steifheit bedeutet eine Erhöhung der Masse und eine Verringerung der Streckgrenze / des Auftriebs. Dieses Material bietet eine hohe Festigkeit bei relativ geringer Steifigkeit / Masse, was ein gutes Verhältnis und damit die sich daraus ergebende Biegung bedeutet.
• Die Biegung liegt jedoch im Design und nicht in der Steifheit des Materials . Mit CFK könnten Sie viel steifere Flügel bauen. CFK (richtig gemacht) bietet sowohl eine ausgezeichnete Steifigkeit & bei relativ geringer Bruchdehnung im Vergleich zu Aluminium. Ich stimme jedoch dem Ermüdungspunkt zu.
• Sie könnten mit CFK viel steifere Flügel bauen. Die Zunahme der Masse verringert jedoch den resultierenden Auftrieb mehr als wenn ‚ flache ‚ Flügel. Mein Punkt ist, dass CFK im Allgemeinen keine geringere Steifheit für eine gegebene Ausbeute zeigt. Der Flex ist eine Entwurfsentscheidung, die den besten Kompromiss bietet, jedoch nicht inhärent aufgrund des Materials.

Die Flügel der Boeing 787 sind so flexibel, dass ihr Kohlefasermaterial stärker gedehnt werden kann, und das hohe Seitenverhältnis von 11 verstärkt diesen Effekt. Im Flug spüren Sie nur weniger Zittern aufgrund von Böen, da der Flügel Laständerungen effektiver dämpft. Am Boden hat der Flügel möglicherweise weniger Spielraum an der Spitze, da weniger eingebaute Dieder benötigt werden – der Rest wird durch die Elastizität des Flügels im Flug geliefert.

Der Einfluss auf die Leistung ist leicht negativ, aber Dies ist ein sehr schwacher Effekt. Er kann mit dem Rollwiderstand eines steifen Fahrrads im Vergleich zu einem Fahrrad mit federbelastetem Rahmen verglichen werden.

Das Ausmaß der Biegung für ein bestimmtes Biegemoment hängt von drei Faktoren ab:

1. Flügelspannweite: Eine bestimmte Krümmung des Flügels aufgrund von Biegungen an der Flügelwurzel führt zu einer Verschiebung der Spitze, die proportional zum Abstand dieser Spitze von der Wurzel ist.
2. Spar heigt: Diese Krümmung wächst mit der Umkehrung des Quadrats der Holmhöhe. Eine geringere relative Dicke des Flügels führt zu einer stärkeren Biegung.
3. Spar-Material: Das Der Elastizitätsmodul des Materials beschreibt, wie stark er sich für eine bestimmte Spannung ausdehnt. Wichtiger ist jedoch die elastische Dehnung bei Streckgrenze. Kohlefaser hat einen höheren Elastizitätsmodul als Aluminium, ist jedoch bis zum Bruch elastisch, so dass sie stärker gedehnt werden kann und bei Streckspannung mehr Biegung erzeugt.

Die Zahlen: Der Elastizitätsmodul von Young für Aluminium ist für einen weiten Bereich von Legierungen ziemlich konstant und normalerweise 70.000 MPa oder N / mm². Der Modul von Graphitfasern hängt von ihrem Herstellungsprozess und ab variiert zwischen 200.000 und 700.000 MPa oder N / mm². Dieser Wert kann jedoch nicht direkt mit dem von Aluminium verglichen werden. Der Endmodul des Verbundwerkstoffs hängt von der Faserorientierung und dem Harzgehalt ab.

Es ist sicher anzunehmen dass Boeing (oder genauer gesagt Mitsubishi Heavy Industries) eine moderne, hochfeste Faser wie IM7 (pdf) (IM steht für Intermediate Modul) verwendet, die hat ein Modul von 276.000 MPa. Es ist auch sicher anzunehmen, dass die meisten Fasern in Spannweitenrichtung ausgerichtet sind, so dass sie vollständig zur Aufnahme der Biegebelastungen beitragen können. Wenn wir einen konservativen Fasergehalt von 60% annehmen, ergibt sich der resultierende Modul der Das Holmmaterial sollte 164.000 MPa betragen. Der Holm ist jedoch keine diskrete Komponente, sondern Teil des Flügelkastens, der auch muss Torsionslasten aufnehmen. Während Aluminium ein isotropes Material ist (es hat in alle Richtungen die gleichen Eigenschaften), ist CFK stark anisotrop und das Hinzufügen der Torsionsfestigkeit erfordert zusätzliche Fasern in andere Richtungen. Folge: Der effektive Modul des Flügelkastens in Biegerichtung kann nur 110.000 MPa betragen.

Am Ende zählt, wie viel Material vorhanden ist, um die Biegebelastungen aufzunehmen. Hier kommt die Streckgrenze des Materials ins Spiel: Je mehr Spannung ein Material tolerieren kann, bevor es eine plastische Verformung zeigt, desto weniger davon wird benötigt, um ein bestimmtes Biegemoment zu tragen. Um direkt zur maximalen Verformung zu gelangen, reicht es aus, die maximale elastische Dehnung zu betrachten. Bei IM7 sind dies 1,9%, und bei hochfestem 7068 Aluminium (pdf) sind es weniger als 1%, bevor das Material eine dauerhafte Dehnung erfährt. Dies bedeutet, dass CFK, obwohl es steifer als Aluminium ist, stärker belastet werden kann und sich stärker dehnt, bevor es an seine Grenzen stößt.

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• Danke für die Antwort. Meine Frage bezog sich jedoch auf die Leistung der extrem flexiblen Flügel während des Fluges und nicht darauf, warum sich die Flügel überhaupt biegen.
• @shortstheory: Theoretisch gibt es eine kleine Leistungsminderung aufgrund des Flügelflexes. das ist aber extrem klein. Mein Punkt ist, dass es hauptsächlich den Lastfaktor reduziert, den die Nutzlast aufgrund von Böen empfindet.
• Aber Airbus A350, der aus fast denselben Materialien entwickelt wurde, hat den gleichen Flügelflex oder nicht? und wenn nicht, einfach “ warum „?

Nicht nur der 787 mit CFK hat dies, alle Flügel biegen sich stark, wie der untere Teil dieses Bildes zeigt. Quelle: Einführung in die transsonische Aerodynamik von R. Vos und S. Farokhi

Heutzutage integrieren Designer das Biegen in das Design, um sicherzustellen, dass die Form in der Kreuzfahrt genau so ist, wie sie es wollen. Die beiden obigen Grafiken zeigen jedoch einige interessante Fakten. Links sehen Sie die Druckverteilung an verschiedenen Stellen eines flexiblen Flügels und rechts dieselbe, aber dann für einen starren Flügel (also nicht deformiert).

Sie können dies rechts sehen Bild (um x / c = 0,3) gibt es scharfe Sprünge in den Diagrammen, diese zeigen Schocks an und führen zu Wellenwiderstand. Auf der flexiblen Seite sind die Gradienten weniger steil, was bedeutet, dass die Stoßwelle weniger stark ist. Infolgedessen ist der Wellenwiderstand geringer.

Basierend auf diesen Diagrammen können wir daher den Schluss ziehen, dass der flexible Flügel einen geringeren Wellenwiderstand aufweist als derselbe Flügel, der sich nicht verformen würde.

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• Gute Antwort! Aber würden die Konstrukteure den Flügel nicht ‚ drehen, nur damit er unter Last an allen Flügelstationen den gewünschten Anstellwinkel hat? Schließlich führt das Biegen eines nach hinten gekehrten Flügels dazu, dass der Anstellwinkel an den Außenstationen verringert wird. Natürlich wird der nicht geflexte Flügelflügel an den Außenstationen zu viel Last haben.
• Das war auch das, was ich anstrebte. Designer wissen, dass sich der Flügel verformt, und berücksichtigen dies in ihrem Design, sodass die Form bei Kreuzfahrten optimal ist. Ich habe den Vergleich mit dem starren Fall durchgeführt, um nicht nur zu zeigen, dass das Biegen eine gute Sache ist, sondern auch um zu erklären, warum.