Boeing 787 '의 매우 유연한 날개의 효과는 무엇입니까?

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금액 of flex는 실제로 재료의 산물입니다. 날개에는 지정된 최대 강도가 필요합니다. 금속을 사용하면 주어진 양의 플렉스로 변환됩니다. 이것은 한계 내에서 다양 할 수 있지만 실제로는 재료, 항복점 비율에 대한 강성 및 피로 특성이 최종적으로 얼마나 많은 플렉스를 제어하는지 제어합니다. CFRP는 매우 다른 재료이며 동일한 항복점에 대해 강성이 훨씬 적고 본질적으로 피로 문제가 없습니다. 이것은 난기류에서보다 부드러운 승차감을 제공한다는 점에서 유익합니다. 날개는 본질적으로 거대한 판 스프링처럼 작동합니다. 그러나 곡률의 특성으로 인해 약간의 리프트가 손실되었습니다. 그러나 이것은 상대적으로 작습니다.

설명

• 수율과 강성을 어떻게 연관 시키나요? CFRP는 알루미늄 및 강철에 비해 특정 강성이 더 높습니다 …
• 강성이 증가하면 질량이 증가하고 수율 / 양력이 감소합니다. 이 소재는 상대적으로 낮은 강성 / 질량으로 높은 강도를 제공합니다. 이는 좋은 비율을 의미하며 결과적으로 나타나는 굴곡을 의미합니다.
• 하지만 굴곡은 소재의 강성이 아니라 디자인에 있습니다. . CFRP로 훨씬 더 단단한 날개를 만들 수 있습니다. CFRP (적절하게 수행)는 알루미늄에 비해 상대적으로 낮은 파단 변형률과 함께 우수한 강성을 제공합니다. & 강도. 하지만 피로 포인트에 동의합니다.
• CFRP로 훨씬 더 단단한 날개를 만들 수 수 있습니다 . 그러나 질량 증가는 ' 평평한 ' 날개를 갖는 것보다 결과적인 상승도 를 더 감소시킵니다. li>
• 내 요점은 CFRP가 일반적으로 주어진 수율에 대해 더 낮은 강성을 나타내지 않는다는 것입니다. 플렉스는 최상의 타협을 제공하는 디자인 결정이지만 본질적으로 재료 때문이 아닙니다.

Boeing 787의 날개는 탄소 섬유 소재를 더 많이 늘릴 수 있기 때문에 매우 유연하며 11의 높은 종횡비는이 효과를 확대합니다. 비행 중에는 돌풍으로 인한 흔들림이 적습니다. 날개가 하중 변화를보다 효과적으로 완화하기 때문입니다. 지면에서는 내장 된 2 면체가 덜 필요하기 때문에 날개의 팁 간극이 적을 수 있습니다. 나머지는 날개의 비행 중 탄성에 의해 공급됩니다.

성능에 미치는 영향은 약간 부정적이지만 이것은 매우 약한 효과입니다. 뻣뻣한 자전거와 스프링이 장착 된 프레임이있는 자전거의 구름 저항과 비교할 수 있습니다.

주어진 굽힘 모멘트에 대한 굽힘의 양은 다음 세 가지 요인에 따라 달라집니다.

1. 윙 스팬 : 날개 루트에서 굽힘으로 인한 날개의 주어진 곡률은 루트에서 팁까지의 거리에 비례하는 팁 변위를 유발합니다.
2. 스파 높이 :이 곡률은 스파 높이의 제곱의 역으로 커집니다. 날개의 상대적인 두께가 낮을수록 더 많이 휘어집니다.
3. 스파 재질 : Young s modulus 는 주어진 응력에 대해 늘어나는 정도를 나타냅니다. 그러나 더 중요한 것은 항복 응력에서의 탄성 신장입니다. 탄소 섬유는 알루미늄보다 영률이 높지만 파열 될 때까지 탄성이 있으므로 더 많이 늘어날 수 있고 항복 응력에서 더 많은 굽힘을 생성합니다.

숫자 : 알루미늄의 영률은 광범위한 합금에 대해 상당히 일정하며 일반적으로 70,000 MPa 또는 N / mm²입니다. 흑연 섬유의 계수는 제조 공정 및 200,000 ~ 700,000 MPa 또는 N / mm² 사이에서 다양합니다. 그러나이 값은 알루미늄의 값과 직접 비교할 수 없습니다. 복합재의 최종 모듈러스는 섬유 배향 및 수지 함량에 따라 다릅니다.

가정하는 것이 안전합니다. Boeing (또는 더 정확하게는 Mitsubishi Heavy Industries)은 IM7 (pdf) (IM은 중간 모듈러스를 나타냄)과 같은 최신 고강도 섬유를 사용합니다. 대부분의 섬유가 스팬 방향으로 배향되어 있으므로 굽힘 하중을받는 데 전적으로 기여할 수 있다고 가정하는 것도 안전합니다. 보존 섬유 함량이 60 %라고 가정하면 스파 재료는 164,000 MPa이어야하지만 스파는 개별 구성 요소가 아니라 날개 상자의 일부입니다. 비틀림 하중을 받아야합니다. 알루미늄은 등방성 재료 (모든 방향에서 동일한 속성을 가짐)이지만 CFRP는 매우 이방성이며 비틀림 강도를 추가하려면 다른 방향으로 추가 섬유가 필요합니다. 결과 : 굽힘 방향에서 윙 박스의 유효 계수는 110,000 MPa로 낮을 수 있습니다.

결국 중요한 것은 굽힘 하중을 지탱할 재료의 양입니다. 여기서 재료의 항복 응력이 작용합니다. 재료가 소성 변형을 나타 내기 전에 견딜 수있는 응력이 많을수록 주어진 굽힘 모멘트를 전달하는 데 필요한 응력이 줄어 듭니다. 최대 변형에 직접 도달하려면 최대 탄성 변형을 보는 것으로 충분합니다. IM7의 경우 1.9 %이고 고강도 7068 알루미늄 (pdf) 의 경우 재료가 영구적으로 늘어나 기까지 1 % 미만입니다. 이는 CFRP가 알루미늄보다 뻣뻣하더라도 더 많이로드 할 수 있고 한계에 도달하기 전에 더 늘어날 수 있음을 의미합니다.

댓글

• 응답 해주셔서 감사합니다. 하지만 제 질문은 처음에 날개가 왜 구부러 지는지에 대한 것이 아니라 매우 유연한 날개의 기내 성능에 관한 것이 었습니다.
• @shortstheory : 이론적으로는 날개 구부러짐으로 인해 약간의 성능 저하가 있습니다. 그러나 이것은 매우 작습니다. 내 요점은 돌풍으로 인해 탑재 하중이 느끼는 하중 계수를 주로 감소 시킨다는 것입니다.
• 하지만 거의 동일한 재료를 사용하여 개발 된 Airbus A350은 동일한 날개 굴곡을 가지고 있습니까? 그렇지 않은 경우 " 왜 "?

CFRP가 장착 된 787뿐만 아니라이 이미지의 아래 부분에서 볼 수 있듯이 모든 날개가 많이 구부러집니다. 출처 : Transonic Aerodynamics 소개 by R. Vos and S. Farokhi

요즘 디자이너들은 디자인에 유연성을 더해 크루즈의 모양이 원하는대로되었는지 확인합니다. 그러나 위의 두 그래프는 몇 가지 흥미로운 사실을 보여줍니다. 왼쪽에서 유연한 날개의 여러 위치와 오른쪽에서 동일한 압력 분포를 볼 수 있지만 단단한 날개의 경우 (변형되지 않음)

오른쪽에서 볼 수 있습니다. 이미지 (약 x / c = 0.3), 그래프에 급격한 점프가 있으며 이는 충격을 나타내며 파도 항력으로 이어집니다. 유연한 측면에서는 기울기가 덜 가파르 기 때문에 충격파가 덜 강합니다. 결과적으로 파동 항력이 줄어들 것입니다.

따라서 이러한 그래프를 바탕으로 우리는 변형되지 않는 동일한 날개보다 유연한 날개가 파동 항력이 적다는 결론을 내릴 수 있습니다.

댓글

• 좋은 답변입니다. 그러나 ' 설계자가 날개를 비틀어 부하가있는 상태에서 모든 날개 스테이션에서 원하는 각도를 갖도록하지 않겠습니까? 결국, 뒤로 휩쓸린 날개를 구부린 결과는 외부 스테이션의 공격 각도를 줄이는 것입니다. 당연히 구부러지지 않은 윙윙은 바깥 쪽 스테이션에 너무 많은 부하를 가할 것입니다.
• 그것도 제가 목표로했던 것입니다. 디자이너는 날개가 변형 될 것이라는 것을 알고 있으며 크루즈에서 모양이 최적이되도록 디자인에서이를 설명 할 것입니다. 리지드 케이스와 비교하여 구부리는 것이 좋은 것임을 보여줄뿐만 아니라 이유도 설명했습니다.