Quali sono gli effetti delle ali molto flessibili del Boeing 787 '?

Da qui:

Limporto di flex è davvero un prodotto del materiale. Lala richiede una forza ultima specificata; con il metallo, che si traduce in una determinata quantità di flessibilità. Questo può essere variato entro certi limiti, ma è davvero il materiale, il suo rapporto tra rigidità e punto di snervamento e le sue proprietà di fatica, che controllano la quantità di flessibilità con cui otterrai. Il CFRP è un materiale molto diverso, ha molta meno rigidità a parità di punto di snervamento e non ha essenzialmente problemi di fatica. Ciò è vantaggioso in quanto fornisce una guida più fluida in turbolenza; lala si comporta essenzialmente come una gigantesca balestra. Tuttavia, cè un po di portanza persa a causa della natura della curvatura. Tuttavia, questo è relativamente piccolo.

Commenti

• Come si correlano snervamento e rigidità? CFRP ha una rigidità specifica più elevata rispetto allalluminio e allacciaio …
• Aumentare la rigidità, significa aumentare la massa, significa diminuire la resa / portanza. Questo materiale fornisce unelevata resistenza con una rigidità / massa relativamente bassa, il che significa un buon rapporto e, a sua volta, la flessione conseguente che si vede.
• Ma la flessibilità è nel design, non nella rigidità del materiale . Potresti costruire vele molto più rigide con CFRP. CFRP (eseguito correttamente) offre sia uneccellente rigidità & resistenza, con uno sforzo di rottura relativo basso rispetto allalluminio. Sono daccordo sul punto di fatica, però.
• Potresti costruire vele molto più rigide con CFRP. Tuttavia, laumento della massa ridurrà la portanza risultante più che avere ali ‘ piatte ‘.
• Il punto è che CFRP in generale non mostra una rigidità inferiore per una data resa. Il flex è una decisione di design che offre il miglior compromesso, ma non intrinsecamente dovuto al materiale.

Le ali del Boeing 787 sono così flessibili perché il suo materiale in fibra di carbonio può essere allungato di più e lelevato rapporto di aspetto di 11 amplierà questo effetto. In volo, tutto ciò che sentirai sarà meno tremante a causa delle raffiche, perché lala smorzerà i cambiamenti di carico in modo più efficace. A terra, lala potrebbe avere meno spazio in punta, perché è necessario meno diedro integrato – il resto è fornito dallelasticità dellala in volo.

Linfluenza sulle prestazioni è leggermente negativa, ma questo è un effetto molto debole. Può essere paragonato alla resistenza al rotolamento di una bicicletta rigida rispetto a una con un telaio caricato a molla.

La quantità di flessione per un dato momento flettente dipende da tre fattori:

1. Apertura alare: una data curvatura dellala dovuta alla flessione alla radice dellala causerà uno spostamento della punta che è proporzionale alla distanza di quella punta dalla radice.
2. Altezza del longherone: questa curvatura cresce con linverso del quadrato dellaltezza del longherone. Uno spessore relativo inferiore dellala produrrà una maggiore flessione.
3. Materiale del longherone: il Young del materiale descrive quanto si allunga per una data sollecitazione. Più importante, tuttavia, è lallungamento elastico alla sollecitazione di snervamento. La fibra di carbonio ha un modulo di Young più alto dellalluminio, ma è elastica fino alla rottura, quindi può essere allungata di più e produce più flessione al limite di snervamento.

I numeri: Il modulo di Young dellalluminio è abbastanza costante per unampia gamma di leghe e normalmente 70.000 MPa o N / mm². Il modulo delle fibre di grafite dipende dal loro processo di fabbricazione e varia tra 200.000 e 700.000 MPa o N / mm². Tuttavia, questo valore non può essere confrontato direttamente con quello dellalluminio. Il modulo finale del composito dipende dallorientamento della fibra e dal contenuto di resina.

È lecito ritenere che Boeing (o più precisamente Mitsubishi Heavy Industries) utilizza una fibra moderna e ad alta resistenza come IM7 (pdf) (IM sta per modulo intermedio), che ha un modulo di 276.000 MPa. È anche lecito ritenere che la maggior parte delle fibre siano orientate nella direzione dello span, in modo che possano contribuire pienamente a prendere i carichi di flessione. Se assumiamo un contenuto conservativo di fibre del 60%, il modulo risultante del il materiale del longherone dovrebbe essere 164.000 MPa. Tuttavia, il longherone non è un componente discreto, ma parte della scatola alare che deve sopportare carichi di torsione. Sebbene lalluminio sia un materiale isotropo (ha le stesse proprietà in tutte le direzioni), il CFRP è altamente anisotropo e laggiunta di resistenza alla torsione richiederà fibre aggiuntive in altre direzioni. Conseguenza: il modulo effettivo della scatola alare in direzione di flessione potrebbe essere di appena 110.000 MPa.

Alla fine, ciò che conta è quanto materiale cè per sostenere i carichi di flessione. Qui entra in gioco la tensione di snervamento del materiale: maggiore è la tensione che un materiale può sopportare prima di mostrare una deformazione plastica, minore è la tensione necessaria per sopportare un determinato momento flettente. Per arrivare direttamente alla massima deformazione è sufficiente guardare alla massima deformazione elastica. Con IM7, questo è 1,9% e con alluminio 7068 (pdf) ad alta resistenza, è inferiore all1% prima che il materiale subisca un allungamento permanente. Ciò significa che, anche se il CFRP è più rigido dellalluminio, può essere caricato di più e si allungherà di più prima di raggiungere i suoi limiti.

Commenti

• Grazie per la risposta. Ma la mia domanda riguardava le prestazioni in volo delle ali estremamente flessibili, non il motivo per cui le ali si flettono in primo luogo.
• @shortstheory: Teoricamente, cè una piccola riduzione delle prestazioni a causa della flessione dellala, ma questo è estremamente piccolo. Il punto è che riduce principalmente il fattore di carico percepito dal carico utile dovuto alle raffiche.
• Ma lAirbus A350 che è sviluppato utilizzando quasi gli stessi materiali, ha la stessa flessibilità alare o no? e, in caso contrario, semplicemente ” perché “?

Non solo il 787 con CFRP ha questo, tutte le ali si flettono molto come mostrato dalla parte inferiore di questa immagine. Fonte: Introduzione allaerodinamica transonica di R. Vos e S. Farokhi

Oggigiorno, i designer incorporano la flessione nel design, assicurandosi che la forma in crociera sia esattamente come la desiderano. Ma i due grafici sopra mostrano alcuni fatti interessanti. A sinistra puoi vedere la distribuzione della pressione su diverse posizioni su unala flessibile, a destra la stessa, ma poi per unala rigida (quindi, non deformata)

Puoi vederla a destra immagine (intorno a x / c = 0,3), ci sono salti bruschi nei grafici, questi indicano shock e portano alla resistenza dellonda. Sul lato flessibile, le pendenze sono meno ripide, il che significa che londa durto è meno forte. Di conseguenza la resistenza allonda sarà minore.

Quindi, sulla base di questi grafici, possiamo concludere che lala flessibile avrà meno resistenza allonda, rispetto alla stessa ala che non si deformerebbe.

Commenti

• Ottima risposta! Ma ‘ i progettisti non ruoterebbero lala in modo che sotto carico abbia langolo di attacco desiderato in tutte le stazioni alari? Dopo tutto, il risultato della flessione di unala spostata allindietro è ridurre langolo di attacco nelle stazioni esterne. Ovviamente lala non flessa avrà troppo carico nelle stazioni esterne.
• Questa era anche la cosa a cui miravo. I progettisti sanno che lala si deformerà e ne terranno conto nel loro design in modo che in crociera la forma sia ottimale. Ho fatto il confronto con la custodia rigida, non solo per dimostrare che la flessione è una buona cosa, ma anche per spiegare perché.