Milyen hatással vannak a Boeing 787 ' nagyon rugalmas szárnyai?

Innen:

Az összeg a flex valóban az anyag terméke. A szárny meghatározott végső szilárdságot igényel; fémmel, ami adott mennyiségű hajlékonyságot jelent. Ez korlátok között változtatható, de valójában az anyag, a merevség és a folyási pont aránya és a fáradtsági tulajdonságok szabályozzák, hogy mekkora hajlítással fog végezni. A CFRP nagyon eltérő anyag, ugyanolyan hozamponttal sokkal kevésbé merev, és lényegében nincsenek fáradtsági problémái. Ez azért előnyös, mert zökkenőmentesebb utat biztosít a turbulenciában; a szárny lényegében óriási levélrugóként viselkedik. A görbület jellege miatt mégis van némi emelés. Ez azonban viszonylag kicsi.

Megjegyzések

• Hogyan állítja össze a hozamot és a merevséget? A CFRP fajlagos merevsége magasabb az alumíniumhoz és az acélhoz képest.
• A növekvő merevség a tömeg növekedését jelenti, a hozam / emelés csökkenését jelenti. Ez az anyag nagy szilárdságot biztosít, viszonylag alacsony merevséggel / tömeggel, ami jó arányt, és viszont az ebből adódó hajlítást látja.
• De a hajlítás a tervezésben van, nem pedig az anyag merevségében . A CFRP segítségével sokkal merevebb szárnyakat építhet. A CFRP (megfelelően elkészítve) egyaránt kiváló merevségű & szilárdságot kínál, viszonylag alacsony törésállósággal az alumíniumhoz képest. Egyetértek a fáradtsággal kapcsolatban.
• A CFRP segítségével sokkal merevebb szárnyakat tudna építeni. A tömeg növekedése azonban jobban csökkenti az eredő emelést , mint ‘ lapos ‘ szárnyakat.
• Az a véleményem, hogy a CFRP általában nem mutat alacsonyabb merevséget egy adott hozam esetében. A flex olyan tervezési döntés, amely a legjobb kompromisszumot adja, de nem eredetileg az anyagnak köszönhető.

A Boeing 787 szárnyai annyira hajlékonyak, mert szénszálas anyaga jobban nyújtható, és a magas 11-es képarány fel fogja emelni ezt a hatást. Repülés közben csak annyit érez, hogy kevésbé rázza meg a széllökések, mert a szárny hatékonyabban csillapítja a terhelés változását. Talajon a szárnynak kisebb lehet a hézag-távolsága, mert kevesebb beépített dihéderre van szükség – a többit a szárny repülés közbeni rugalmassága biztosítja.

A teljesítményre gyakorolt hatás kissé negatív, de Ez nagyon gyenge hatás. Összehasonlítható egy merev kerékpár gördülési ellenállásával, szemben egy rugós kerettel.

Az adott hajlítási pillanat hajlításának mértéke három tényezőtől függ:

1. Szárnyfesztávolság: A szárny adott görbülete a szárny gyökerénél hajlítás következtében a csúcs elmozdulását okozza, amely arányos a csúcs gyökértől való távolságával.
2. Spar heigt: Ez a görbület a spar magasságának négyzetének fordítottjával növekszik. A szárny alacsonyabb relatív vastagsága nagyobb hajlítást eredményez.
3. Spar anyag: A Young modulusa leírja, hogy mennyire nyúlik meg egy adott stressz esetén. Fontosabb azonban a rugalmas nyúlás a hozamfeszültségnél. A szénszálnak nagyobb a Young modulusa, mint az alumíniumnak, de repedésig rugalmas, így jobban nyújtható és nagyobb hajlítást eredményez a hozamfeszültségnél.

A számok: A Young alumínium modulusa meglehetősen állandó az ötvözetek széles skáláján és általában 70 000 MPa vagy N / mm². A grafit szálak modulusa a gyártási folyamatuktól és 200 000 és 700 000 MPa vagy N / mm² között változik. Ezt az értéket azonban nem lehet közvetlenül összehasonlítani az alumínium értékével. A kompozit végső modulusa a szál orientációjától és a gyantartalomtól függ.

Biztonságos feltételezni hogy a Boeing (vagy pontosabban a Mitsubishi Heavy Industries) olyan modern, nagy szilárdságú szálat használ, mint IM7 (pdf) (az IM rövidített modulust jelent), amelynek modulusa 276 000 MPa. Az is biztos, hogy feltételezzük, hogy a szálak többsége fesztáv irányú, így teljes mértékben hozzájárulhatnak a hajlító terhelések felvételéhez. Ha 60% -os konzervatív rosttartalmat feltételezünk, a A spar anyagnak 164 000 MPa-nak kell lennie. A spar azonban nem különálló alkatrész, hanem a szárnyas doboz része, amely szintén torziós terheléseket kell vállalnia. Míg az alumínium izotróp anyag (minden irányban ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkezik), a CFRP erősen anizotrop, és a torziós szilárdság hozzáadásához további szálakra lesz szükség más irányokban. Következmény: A szárnydoboz tényleges modulusa hajlítási irányban akár 110 000 MPa is lehet.

Végül az számít, hogy mennyi anyag van a hajlító terhek elviseléséhez. Itt játszik szerepet az anyag folyásfeszültsége: Minél több anyagot képes elviselni egy anyag, mielőtt képlékeny alakváltozást mutatna, annál kevesebbre van szükség egy adott hajlítónyomaték viseléséhez. Ahhoz, hogy közvetlenül elérjük a maximális alakváltozást, elég megnézni a maximális rugalmas alakváltozást. IM7 esetén ez 1,9%, és nagy szilárdságú 7068 alumínium (pdf) esetén kevesebb, mint 1%, mire az anyag tartós megnyúlást szenved. Ez azt jelenti, hogy annak ellenére, hogy a CFRP merevebb, mint az alumínium, többet terhelhet, és többet nyújt, mire eléri a határértékeket.

Megjegyzések

• Köszönöm a választ. De a kérdésem a rendkívül rugalmas szárnyak repülés közbeni teljesítményéről szólt, nem arról, hogy a szárnyak miért hajlanak eleve.
• @shortstheory: Elméletileg van egy kis teljesítménycsökkenés a szárnyhajlítás miatt, de ez rendkívül kicsi. Az a véleményem, hogy főleg csökkenti a széllökések miatti hasznos teher által érzett terhelési tényezőt.
• De a majdnem ugyanazon anyagok felhasználásával kifejlesztett Airbus A350 szárnyhajlása azonos vagy sem? és ha nem, akkor egyszerűen ” miért “?

Nem csak a CFRP-vel rendelkező 787-es rendelkezik, hanem az összes szárny is sokat hajlik, amint ezt a kép alsó része mutatja. Forrás: Bevezetés a transzkonikus aerodinamikába írta: R. Vos és S. Farokhi

Manapság a tervezők beépítik a hajlítást a tervezésbe, ügyelve arra, hogy a körutazás alakja pontosan olyan legyen, amilyennek szeretnék. De a fenti két grafikon érdekes tényeket mutat. A bal oldalon látható a nyomáseloszlás a rugalmas szárny különböző helyein, és a jobb oldalon ugyanaz, de egy merev (tehát nem deformálódott) szárny esetében

A jobb oldalon látható kép (x / c = 0,3 körül), éles ugrások vannak a grafikonokban, ezek sokkokat jeleznek, és hullámhúzáshoz vezetnek. A rugalmas oldalon a gradiensek kevésbé meredekek, vagyis a lökéshullám kevésbé erős. Ennek eredményeként a hullámhúzás kisebb lesz.

Így ezen grafikonok alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy a rugalmas szárnynak kisebb lesz a hullámhúzása, mint annak a szárnynak, amely nem deformálódik.

Hozzászólások

• Jó válasz! De vajon a tervezők nem csavarják-e a szárnyat csak úgy, hogy terhelés alatt minden szárnyállomáson megkapja a kívánt támadási szöget? Végül is a hátrafelé söpört szárny meghajlításának eredménye az, hogy csökkenti a támadási szöget a külső állomásokon. Természetesen a kihajthatatlan szárnyszárnynak túl nagy lesz a terhelése a külső állomásokon.
• Erre is céloztam. A tervezők tudják, hogy a szárny deformálódik, és ezt figyelembe veszik a tervezés során, így utazás közben az alak optimális lesz. Összehasonlítottam a merev esetet, nemcsak hogy megmutassam, hogy a hajlítás jó dolog, hanem hogy megmagyarázzam, miért.