Jakie są skutki bardzo elastycznych skrzydeł Boeinga 787 '?

Stąd:

Kwota flex jest tak naprawdę produktem materiału. Skrzydło wymaga określonej ostatecznej siły; z metalem, co przekłada się na określoną ilość flexu. Może się to zmieniać w pewnych granicach, ale tak naprawdę to materiał, jego stosunek sztywności do granicy plastyczności i właściwości zmęczeniowe decydują o tym, ile zgięcia uzyskasz. CFRP jest bardzo różnym materiałem i ma znacznie mniejszą sztywność przy tej samej granicy plastyczności i zasadniczo nie ma problemów ze zmęczeniem. Jest to korzystne, ponieważ zapewnia płynniejszą jazdę w turbulencjach; skrzydło działa zasadniczo jak gigantyczna sprężyna liściowa. Istnieje jednak pewna utrata siły nośnej ze względu na charakter krzywizny. Jest to jednak stosunkowo mało.

Komentarze

• Jak skorelować wydajność i sztywność? CFRP ma wyższą sztywność właściwą w porównaniu do aluminium i stali …
• Zwiększenie sztywności oznacza zwiększenie masy, co oznacza zmniejszenie wydajności / podnoszenia. Materiał ten zapewnia wysoką wytrzymałość przy stosunkowo niskiej sztywności / masie, co oznacza dobry stosunek i, z kolei, wynikający z tego flex, jaki widzisz.
• Ale flex jest w projekcie, a nie w sztywności materiału. . Z CFRP można było zbudować znacznie sztywniejsze skrzydła. CFRP (wykonany prawidłowo) zapewnia zarówno doskonałą sztywność, & wytrzymałość, przy stosunkowo niskiej wytrzymałości na zerwanie w porównaniu z aluminium. Zgadzam się jednak z punktem zmęczenia.
• Możesz zbudować znacznie sztywniejsze skrzydła za pomocą CFRP. Jednak wzrost masy zmniejszy wynikową siłę nośną bardziej niż ' płaskie ' skrzydła.
• Chodzi mi o to, że CFRP na ogół nie wykazuje niższej sztywności dla danej wydajności. Elastyczność to decyzja projektowa zapewniająca najlepszy kompromis, ale nie ze względu na materiał.

Skrzydła Boeinga 787 są tak elastyczne, ponieważ ich włókno węglowe można bardziej rozciągnąć, a wysoki współczynnik wydłużenia wynoszący 11 potęguje ten efekt. W locie poczujesz tylko mniejsze trzęsienie się z powodu podmuchów, ponieważ skrzydło będzie skuteczniej tłumić zmiany obciążenia. Na ziemi skrzydło może mieć mniejszy prześwit na czubki, ponieważ potrzeba mniej wbudowanych dwuściennych ścian – reszta jest zapewniana przez elastyczność skrzydła w locie.

Wpływ na osiągi jest nieco ujemny, ale jest to bardzo słaby efekt. Można go porównać do oporu toczenia roweru sztywnego w porównaniu z rowerem z ramą sprężynową.

Wielkość zgięcia dla danego momentu zginającego zależy od trzech czynników:

1. Rozpiętość skrzydła: dana krzywizna skrzydła spowodowana zginaniem przy nasadzie skrzydła spowoduje przesunięcie końcówki, które jest proporcjonalne do odległości końcówki od nasady.
2. Wysokość dźwigara: ta krzywizna rośnie wraz z odwrotnością kwadratu wysokości dźwigara. Niższa względna grubość skrzydła spowoduje większe zginanie.
3. Materiał dźwigara: moduł Younga materiału opisuje, jak bardzo rozciąga się on przy danym naprężeniu. Ważniejsze jest jednak wydłużenie sprężyste przy granicy plastyczności. Włókno węglowe ma wyższy moduł Younga niż aluminium, ale jest elastyczne aż do zerwania, dzięki czemu można je bardziej rozciągać i powodować większe zginanie przy granicy plastyczności.

Liczby: moduł Younga aluminium jest dość stały dla szerokiego zakresu stopów i zwykle wynosi 70 000 MPa lub N / mm². Moduł włókien grafitowych zależy od ich procesu produkcyjnego i waha się między 200 000 a 700 000 MPa lub N / mm². Jednak tej wartości nie można bezpośrednio porównywać z aluminium. Końcowy moduł kompozytu zależy od orientacji włókien i zawartości żywicy.

Można bezpiecznie założyć że Boeing (a dokładniej Mitsubishi Heavy Industries) wykorzystuje nowoczesne włókno o dużej wytrzymałości, takie jak IM7 (pdf) (IM oznacza moduł pośredni), które ma modułu 276 000 MPa. Można również bezpiecznie założyć, że większość włókien jest zorientowana w kierunku rozpiętości, dzięki czemu mogą one w pełni przyczynić się do przejmowania obciążeń zginających. Jeśli przyjmiemy konserwatywną zawartość włókien na poziomie 60%, uzyskany moduł materiał dźwigara powinien mieć 164 000 MPa. Jednak dźwigar nie jest oddzielnym elementem, ale częścią kadłuba skrzydła, który również musi przenosić obciążenia skręcające. Chociaż aluminium jest materiałem izotropowym (ma takie same właściwości we wszystkich kierunkach), CFRP jest wysoce anizotropowy, a dodanie wytrzymałości na skręcanie będzie wymagało dodatkowych włókien w innych kierunkach. Skutek: efektywny moduł skrzydła w kierunku zginania może wynosić zaledwie 110 000 MPa.

Ostatecznie liczy się, ile materiału przenosi obciążenia zginające. Tutaj znaczenie ma granica plastyczności materiału: im większe naprężenie materiał może wytrzymać, zanim wykaże odkształcenie plastyczne, tym mniej jest potrzebne do przeniesienia danego momentu zginającego. Aby bezpośrednio dojść do maksymalnego odkształcenia, wystarczy spojrzeć na maksymalne odkształcenie sprężyste. W przypadku IM7 jest to 1,9%, a przy wysokiej wytrzymałości aluminium 7068 (pdf) jest to mniej niż 1%, zanim materiał ulegnie trwałemu wydłużeniu. Oznacza to, że chociaż CFRP jest sztywniejszy niż aluminium, może być bardziej obciążony i będzie się bardziej rozciągać, zanim osiągnie swoje granice.

Komentarze

• Dziękuję za Twoją odpowiedź. Ale moje pytanie dotyczyło osiągów niezwykle elastycznych skrzydeł w locie, a nie tego, dlaczego skrzydła wyginają się w pierwszej kolejności.
• @shortstheory: Teoretycznie istnieje niewielki spadek wydajności ze względu na wygięcie skrzydeł, ale to jest bardzo małe. Chodzi mi o to, że głównie zmniejsza współczynnik obciążenia odczuwany przez ładunek podczas podmuchów.
• Ale Airbus A350, który został opracowany przy użyciu prawie tych samych materiałów, ma takie samo ugięcie skrzydła, czy nie? a jeśli nie, po prostu ” dlaczego „?

Nie tylko 787 z CFRP to ma, wszystkie skrzydła mocno się wyginają, jak pokazano w dolnej części tego obrazu. Źródło: Wprowadzenie do aerodynamiki transsonicznej autorstwa R. Vosa i S. Farokhi

Obecnie projektanci uwzględniają wyginanie w projekcie, upewniając się, że kształt podczas rejsu jest dokładnie taki, jakiego chcą. Ale dwa powyższe wykresy pokazują kilka interesujących faktów. Po lewej widać rozkład ciśnienia w różnych miejscach na elastycznym skrzydle, a po prawej taki sam, ale potem dla sztywnego skrzydła (a więc nie zdeformowanego)

Możesz to zobaczyć po prawej stronie obrazu (około x / c = 0,3), na wykresach występują ostre skoki, które wskazują na wstrząsy i prowadzą do oporu fali. Po stronie elastycznej gradienty są mniej strome, co oznacza, że fala uderzeniowa jest słabsza. W konsekwencji opór fali będzie mniejszy.

Zatem na podstawie tych wykresów możemy wywnioskować, że elastyczne skrzydło będzie miało mniejszy opór fali niż to samo skrzydło, które nie ulegnie deformacji.

Komentarze

• Dobra odpowiedź! Ale czy projektanci nie ' nie przekręcili skrzydła tylko po to, aby pod obciążeniem miało ono żądany kąt natarcia na wszystkich stacjach skrzydłowych? Przecież rezultatem wygięcia skrzydła odchylonego do tyłu jest zmniejszenie kąta natarcia na zewnętrznych stanowiskach. Oczywiście nieugięte skrzydło skrzydłowe będzie miało zbyt duże obciążenie na stacjach zewnętrznych.
• To też było to, do czego dążyłem. Projektanci wiedzą, że skrzydło ulegnie deformacji i uwzględnią to w swoich projektach, tak aby podczas lotu kształt był optymalny. Dokonałem porównania ze sztywną obudową, aby nie tylko pokazać, że zginanie jest dobre, ale także wyjaśnić dlaczego.