Mitkä ovat Boeing 787: n ' erittäin joustavien siipien vaikutukset?

Täältä:

Summa fleksi on todella materiaalin tuote. Siipi vaatii tietyn lopullisen lujuuden; metallilla, mikä tarkoittaa tietyn määrän joustoa. Tätä voidaan vaihdella rajoissa, mutta itse asiassa materiaali, sen jäykkyys ja myötörajapinnan suhde ja väsymisominaisuudet ohjaavat sitä, kuinka paljon joustoa aiot saavuttaa. CFRP on hyvin erilainen materiaali, ja sillä on paljon vähemmän jäykkyyttä samalla myötörajalla, eikä sillä ole olennaisesti väsymisongelmia. Tämä on hyödyllistä, koska se tarjoaa tasaisemman ajon turbulenssissa; siipi toimii olennaisesti kuin jättiläinen lehtijousi. Kaarevuuden luonteen takia on kuitenkin kadonnut hissi. Tämä on kuitenkin suhteellisen pieni.

Kommentit

• Kuinka korreloit saanto ja jäykkyys? CFRP: llä on korkeampi ominaisjäykkyys verrattuna alumiiniin ja teräkseen …
• Jäykkyyden lisääminen tarkoittaa massan kasvua, vähentää tuottoa / nostoa. Tämä materiaali tarjoaa suurta lujuutta suhteellisen pienellä jäykkyydellä / massalla, mikä tarkoittaa hyvää suhdetta ja puolestaan seurauksena olevaa näkemääsi joustavuutta.
• Mutta jousto on suunnittelussa, ei materiaalin jäykkyydessä. . CFRP: llä voit rakentaa paljon jäykemmät siivet. CFRP (tehty oikein) tarjoaa molemmille erinomaisen jäykkyyden &, suhteellisen vähän murtavaa rasitusta verrattuna alumiiniin. Olen kuitenkin samaa mieltä väsymiskohdasta.
• Voit voisit rakentaa paljon jäykempiä siipiä CFRP: llä. Massan kasvu vähentää kuitenkin tuloksena olevaa nousua enemmän kuin ’ litteiden ’ siipien id. li>
• Mielestäni CFRP: llä ei yleensä ole pienempää jäykkyyttä tietyllä saannolla. Joustava on suunnittelupäätös, joka antaa parhaan kompromissin, mutta ei luonnostaan materiaalin takia.

Boeing 787: n siivet ovat niin joustavia, koska sen hiilikuitumateriaalia voidaan venyttää enemmän, ja korkea kuvasuhde 11 suurentaa tätä vaikutusta. Lennon aikana kaikki, mitä tunnet, on vähemmän tärisevää puuskien takia, koska siipi vaimentaa kuormituksen muutoksia tehokkaammin. Maalla siiven kärjen välys saattaa olla pienempi, koska sisäänrakennettua kaksisuuntaista rakennetta tarvitaan vähemmän – loput saadaan siiven lennon joustavuudesta.

Vaikutus suorituskykyyn on hieman negatiivinen, mutta tämä on hyvin heikko vaikutus. Sitä voidaan verrata jäykän polkupyörän vierintävastukseen verrattuna jousikuormitetulla rungolla varustettuun pyörimiseen.

Taivutuksen määrä tietyllä taivutusmomentilla riippuu kolmesta tekijästä:

1. Siipien kärkiväli: Annettu siiven kaarevuus, joka johtuu siiven juuressa taipumisesta, aiheuttaa kärjen siirtymisen, joka on verrannollinen kärjen etäisyyteen juuresta.
2. Spar heigt: Tämä kaarevuus kasvaa sparin korkeuden neliön käänteisarvon kanssa. Siiven pienempi suhteellinen paksuus tuottaa enemmän taipumista.
3. Spar-materiaali: Youngin moduuli materiaalista kuvaa kuinka paljon se venyy tietyllä jännityksellä. Tärkeämpää on kuitenkin elastinen venymä myötörajassa. Hiilikuidulla on korkeampi Youngin moduuli kuin alumiinilla, mutta se on joustava repeytymiseen saakka, joten sitä voidaan venyttää enemmän ja tuottaa enemmän taipumista myötörajassa.

Luvut: Youngin alumiinimoduuli on melko vakio useilla seoksilla ja normaalisti 70 000 MPa tai N / mm². Grafiittikuitujen moduuli riippuu niiden valmistusprosessista ja vaihtelee välillä 200 000 ja 700 000 MPa tai N / mm². Tätä arvoa ei kuitenkaan voida verrata suoraan alumiinin arvoon. Komposiitin lopullinen moduuli riippuu kuidun orientaatiosta ja hartsipitoisuudesta.

On turvallista olettaa että Boeing (tai tarkemmin sanottuna Mitsubishi Heavy Industries) käyttää modernia, lujaa kuitua, kuten IM7 (pdf) (IM tarkoittaa välimoduulia), jolla on moduuli on 276 000 MPa. On myös turvallista olettaa, että suurin osa kuiduista on suunnattu jänneväliin, joten ne voivat myötävaikuttaa taivutuskuormien ottamiseen. Jos oletamme, että 60%: n konservatiivinen kuitupitoisuus on, spar-materiaalin tulisi olla 164 000 MPa. Spar ei kuitenkaan ole erillinen komponentti, vaan osa siipikoteloa, joka myös on otettava vääntökuormituksia. Alumiini on isotrooppinen materiaali (sillä on samat ominaisuudet kaikkiin suuntiin), mutta CFRP on erittäin anisotrooppista ja vääntölujuuden lisääminen vaatii lisäkuituja muihin suuntiin. Seuraus: Siipilaatikon tehollinen moduuli taivutussuunnassa voi olla niinkin alhainen kuin 110 000 MPa.

Loppujen lopuksi lasketaan kuinka paljon materiaalia on taivutuskuormien kantamiseen. Tässä tulee esiin materiaalin myötöraja: Mitä enemmän stressiä materiaali sietää ennen kuin se osoittaa plastisen muodonmuutoksen, sitä vähemmän sitä tarvitaan tietyn taivutusmomentin kuljettamiseen. Suurimman muodonmuutoksen saavuttamiseksi riittää, että tarkastellaan suurinta joustavaa rasitusta. IM7: n kanssa tämä on 1,9% ja erittäin lujan 7068 alumiinin (pdf) ollessa alle 1% ennen kuin materiaali kärsii pysyvästä venymisestä. Tämä tarkoittaa, että vaikka CFRP on jäykempi kuin alumiini, sitä voidaan ladata enemmän ja se venyy enemmän ennen kuin se saavuttaa rajansa.

Kommentit

• Kiitos vastauksestasi. Mutta kysymykseni koski erittäin joustavien siipien suorituskykyä lennon aikana, en siitä, miksi siivet taipuvat ensinnäkin.
• @shortstheory: Teoreettisesti siipien taipumisesta johtuen pieni suorituskyvyn heikkeneminen, mutta tämä on erittäin pieni. Huomautukseni on, että se vähentää pääasiassa hyötykuorman tuntemaa kuormituskerrointa puuskien takia.
• Mutta melkein samoista materiaaleista kehitetyssä Airbus A350: ssä on sama siipien taipuma vai ei? ja jos ei, yksinkertaisesti ” miksi ”?

Tämä on paitsi CFRP: llä varustetussa 787: ssä, myös kaikki siivet taipuvat paljon, kuten kuvan alaosa osoittaa. Lähde: Johdatus transoniseen aerodynamiikkaan kirjoittanut R. Vos ja S. Farokhi

Nykyään suunnittelijat sisällyttävät joustamisen suunnitteluun varmistaen, että risteilyn muoto on täsmälleen sellainen kuin he haluavat. Mutta kaksi yllä olevaa kaaviota osoittavat mielenkiintoisia faktoja. Het vasemmalla näet painejakauman eri kohdissa joustavalla siivellä, ja oikealla sama, mutta sitten jäykällä siivellä (siten, ettei se ole vääntynyt)

Voit nähdä sen oikealla kuvaa (noin x / c = 0,3), kaavioissa on teräviä hyppyjä, jotka osoittavat iskuja ja johtavat aaltovetoon. Joustavalla puolella kaltevuudet ovat vähemmän jyrkkiä, mikä tarkoittaa, että iskuaalto on vähemmän voimakas. Tämän seurauksena aallon vastus on pienempi.

Näiden kaavioiden perusteella voimme siis päätellä, että joustavalla siivellä on vähemmän aallon vastusta kuin samalla siivellä, joka ei muutu.

kommentit

• hyvä vastaus! Mutta eikö ’ t suunnittelijat kiertäisi siipeä vain siten, että kuormituksen alaisena sillä olisi haluttu kohtauskulma kaikissa siipiasemissa? Loppujen lopuksi taaksepäin pyyhkäisyn siiven taivuttamisen seurauksena on vähentää hyökkäyskulmaa ulommilla asemilla. Tietysti joustamattomalla siipellä on liikaa kuormitusta ulommilla asemilla.
• Se oli myös asia, johon pyrin. Suunnittelijat tietävät, että siipi deformoituu, ja ottavat tämän huomioon suunnittelussaan siten, että risteilyssä muoto on optimaalinen. Tein vertailun jäykkään tapaukseen paitsi osoittaakseni, että taipuminen on hyvä asia, myös selittääkseni miksi.