ボーイング787 'の非常に柔軟な翼の効果は何ですか？

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金額フレックスのは本当に素材の産物です。翼には指定された極限強度が必要です。金属の場合、それは一定量の屈曲に変換されます。これは制限内で変更できますが、実際には、最終的にどの程度の屈曲が発生するかを制御するのは、材料、降伏点に対する剛性の比率、および疲労特性です。 CFRPは非常に異なる材料であり、同じ降伏点で剛性がはるかに低く、本質的に疲労の問題はありません。これは、乱気流の中でよりスムーズな乗り心地を提供するという点で有益です。翼は本質的に巨大な板ばねのように機能します。ただし、曲率の性質上、リフトがいくらか失われます。ただし、これは比較的小さいです。

コメント

• 歩留まりと剛性をどのように相関させますか？ CFRPは、アルミニウムや鋼に比べて比剛性が高くなっています…
• 剛性を上げると、質量が増え、歩留まり/揚力が下がります。この材料は、比較的低い剛性/質量で高強度を提供します。これは、良好な比率を意味し、結果として生じる屈曲を意味します。
• ただし、屈曲は設計にあり、材料の剛性ではありません。 。 CFRPを使用すると、はるかに剛性の高い翼を構築できます。 CFRP（適切に行われる）は、アルミニウムと比較して比較的低い破壊ひずみで、優れた剛性&の両方の強度を提供します。ただし、疲労点については同意します。
• CFRPを使用してはるかに硬い翼を構築できます。ただし、質量が増加すると、'フラット'の翼よりも結果として生じる揚力が減少します。
• 私のポイントは、CFRPは一般に、特定の歩留まりに対して低い剛性を示さないということです。フレックスは、最良の妥協点を与える設計上の決定ですが、本質的に材料によるものではありません。

ボーイング787の翼は、その炭素繊維材料をより伸ばすことができるため非常に柔軟であり、11の高いアスペクト比はこの効果を拡大します。飛行中は、翼が荷重変化をより効果的に減衰させるため、突風による揺れが少なくなります。地上では、必要な二面角が少なくなるため、翼の先端のクリアランスが少なくなる可能性があります。残りは飛行中の翼の弾力性によって供給されます。

パフォーマンスへの影響はわずかにマイナスですが、これは非常に弱い効果です。剛性のある自転車とバネ仕掛けのフレームを備えた自転車の転がり抵抗と比較できます。

特定の曲げモーメントに対する曲げ量は、次の3つの要因によって異なります。

1. 翼のスパン：翼の付け根での曲げによる翼の特定の湾曲により、その先端の根元からの距離に比例する先端の変位が発生します。
2. スパーの高さ：この曲率は、スパーの高さの2乗の逆数で大きくなります。翼の相対的な厚さが薄いほど、曲げが大きくなります。
3. スパーの材質：ヤング率は、特定の応力に対してどれだけ伸びるかを表します。ただし、より重要なのは、降伏応力での弾性伸びです。炭素繊維はアルミニウムよりもヤング率が高いですが、破断するまで弾性があるため、より伸ばすことができ、降伏応力でより多くの曲げを生成します。

数値：アルミニウムのヤング率は、さまざまな合金でほぼ一定であり、通常は70,000MPaまたはN /mm²です。グラファイト繊維の弾性率は、製造プロセスと200,000〜700,000 MPaまたはN /mm²の間で変動します。ただし、この値をアルミニウムの値と直接比較することはできません。複合材料の最終的な弾性率は、繊維の配向と樹脂含有量によって異なります。

想定しても安全です。ボーイング（より正確には、三菱重工業）は、 IM7（pdf）（IMは中間弾性率を表す）のような最新の高強度繊維を使用しています。弾性率は276,000MPaです。また、ほとんどの繊維がスパン方向に配向していると想定しても安全です。これにより、曲げ荷重の吸収に完全に貢献できます。60％の控えめな繊維含有量を想定すると、結果として得られる弾性率はスパーの材質は164,000MPaである必要があります。ただし、スパーは個別のコンポーネントではなく、ウィングボックスの一部であり、ねじり荷重を受ける必要があります。アルミニウムは等方性材料ですが（すべての方向で同じ特性を持ちます）、CFRPは異方性が高く、ねじり強度を追加するには、他の方向に繊維を追加する必要があります。結果：曲げ方向のウィングボックスの有効弾性率は110,000MPaまで低くなる可能性があります。

最終的に重要なのは、曲げ荷重を支えるために存在する材料の量です。ここで、材料の降伏応力が作用します。塑性変形を示す前に材料が許容できる応力が大きいほど、特定の曲げモーメントを伝達するために必要な応力は少なくなります。最大変形に直接到達するには、最大弾性ひずみを確認するだけで十分です。 IM7の場合、これは1.9％であり、高強度の 7068アルミニウム（pdf）の場合、材料が永久的に伸びるまでの時間は1％未満です。これは、CFRPがアルミニウムよりも硬い場合でも、より多くの荷重をかけることができ、限界に達する前にさらに伸びることを意味します。

コメント

• 答えてくれてありがとう。しかし、私の質問は、非常に柔軟な翼の飛行中の性能についてであり、そもそもなぜ翼が曲がるのかについてではありませんでした。
• @shortstheory：理論的には、翼の曲がりによるパフォーマンスのわずかな低下があります。しかし、これは非常に小さいです。私のポイントは、主に突風によってペイロードが感じる負荷率を減らすということです。
• しかし、ほぼ同じ材料を使用して開発されたエアバスA350は、同じ翼の屈曲を持っているかどうか？そうでない場合は、単に"なぜ"？

CFRPを搭載した787だけでなく、この画像の下部に示されているように、すべての翼が大きく曲がっています。 出典：トランソニックエアロダイナミクスの概要 R.VosとS.Farokhiによる

最近、設計者は屈曲を設計に取り入れ、巡航中の形状が希望どおりであることを確認しています。しかし、上の2つのグラフは、いくつかの興味深い事実を示しています。左側では、柔軟な翼のさまざまな場所での圧力分布を確認できます。右側では同じですが、剛性のある翼の場合（したがって、変形していません）

右側で確認できます。画像（x / c = 0.3付近）では、グラフに急激なジャンプがあり、これらは衝撃を示し、波の抗力につながります。柔軟性のある側では、勾配が緩やかになり、衝撃波が弱くなります。結果として、波の抗力は少なくなります。

したがって、これらのグラフに基づいて、柔軟な翼は、変形しない同じ翼よりも波の抗力が少ないと結論付けることができます。

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• 良い答えです！しかし、'設計者は、負荷がかかった状態ですべての翼ステーションで希望の迎え角を持つように翼をひねりませんか？結局のところ、後退翼を曲げた結果、外側のステーションでの迎え角が減少します。もちろん、屈曲していない翼の翼は、外側のステーションに過度の負荷がかかります。
• それも私が目指していたものでした。設計者は、翼が変形することを知っており、巡航時に形状が最適になるように設計でこれを考慮します。リジッドケースと比較して、屈曲が良いことを示すだけでなく、その理由を説明しました。