Quais são os efeitos das asas muito flexíveis do Boeing 787 ' s?

A partir daqui:

O valor de flex é realmente um produto do material. A asa requer uma força final especificada; com metal, isso se traduz em uma determinada quantidade de flexão. Isso pode ser variado dentro de certos limites, mas é realmente o material, sua relação entre rigidez e limite de elasticidade e suas propriedades de fadiga que controlam a quantidade de flexão que você terá. O CFRP é um material muito diferente e tem muito menos rigidez para o mesmo ponto de escoamento e essencialmente não tem problemas de fadiga. Isso é benéfico, pois fornece um passeio mais suave em turbulência; a asa agindo essencialmente como uma mola gigante. No entanto, há alguma perda de sustentação devido à natureza da curvatura. No entanto, isso é relativamente pequeno.

Comentários

• Como você correlaciona o rendimento e a rigidez? CFRP tem uma rigidez específica mais alta em comparação com alumínio e aço …
• Aumentar a rigidez, significa aumentar a massa, significa diminuir o rendimento / sustentação. Este material fornece alta resistência com uma rigidez / massa relativamente baixa, o que significa uma boa relação e, por sua vez, a flexão conseqüente que você vê.
• Mas a flexão está no design, não na rigidez do material . Você poderia construir asas muito mais rígidas com CFRP. CFRP (feito corretamente) oferece excelente rigidez & resistência, com baixa tensão de ruptura relativa em comparação com o alumínio. Eu concordo no ponto de fadiga, entretanto.
• Você poderia construir asas muito mais rígidas com CFRP. No entanto, o aumento na massa reduzirá a sustentação resultante mais do que ter asas ‘ ‘ planas.
• Meu ponto é que CFRP em geral não mostra uma rigidez inferior para um dado rendimento. O flex é uma decisão de design que oferece o melhor compromisso, mas não inerentemente devido ao material.

As asas do Boeing 787 são tão flexíveis porque seu material de fibra de carbono pode ser mais esticado, e a alta proporção de 11 aumentará esse efeito. Durante o vôo, você sentirá menos tremores devido às rajadas, porque a asa amortece as mudanças de carga com mais eficácia. No solo, a asa pode ter menos folga de ponta, porque menos diedro embutido é necessário – o resto é fornecido pela elasticidade da asa em vôo.

A influência no desempenho é ligeiramente negativa, mas este é um efeito muito fraco. Ele pode ser comparado à resistência ao rolamento de uma bicicleta rígida em comparação com uma com quadro de mola.

A quantidade de flexão para um determinado momento de flexão depende de três fatores:

1. Envergadura da asa: uma dada curvatura da asa devido à flexão na raiz da asa causará um deslocamento da ponta que é proporcional à distância dessa ponta da raiz.
2. Altura da longarina: esta curvatura aumenta com o inverso do quadrado da altura da longarina. Uma espessura relativa menor da asa produzirá mais curvatura.
3. Material da longarina: o O módulo de Young do material descreve o quanto ele se estende para uma determinada tensão. Mais importante, entretanto, é o alongamento elástico na tensão de escoamento. A fibra de carbono tem um módulo de Young mais alto do que o alumínio, mas é elástica até a ruptura, portanto, pode ser mais esticada e produz mais flexão na tensão de escoamento.

Os números: O módulo de alumínio de Young é razoavelmente constante para uma ampla gama de ligas e normalmente 70.000 MPa ou N / mm². O módulo de fibras de grafite depende de seu processo de fabricação e varia entre 200.000 e 700.000 MPa ou N / mm². No entanto, esse valor não pode ser comparado diretamente ao do alumínio. O módulo final do compósito depende da orientação da fibra e do conteúdo de resina.

É seguro assumir que a Boeing (ou mais precisamente, a Mitsubishi Heavy Industries) usa uma fibra moderna e de alta resistência como IM7 (pdf) (IM significa módulo intermediário), que tem um módulo de 276.000 MPa. Também é seguro presumir que a maioria das fibras são orientadas na direção do vão, para que possam contribuir totalmente para suportar as cargas de flexão. Se assumirmos um teor de fibra conservador de 60%, o módulo resultante do material da longarina deve ser 164.000 MPa. No entanto, a longarina não é um componente discreto, mas parte da caixa da asa que também tem que suportar cargas de torção. Embora o alumínio seja um material isotrópico (tem as mesmas propriedades em todas as direções), o CFRP é altamente anisotrópico e adicionar resistência à torção exigirá fibras adicionais em outras direções. Conseqüência: O módulo efetivo da caixa da asa na direção da flexão pode ser tão baixo quanto 110.000 MPa.

No final, o que conta é quanto material existe para suportar as cargas de flexão. Aqui, a tensão de escoamento do material entra em ação: quanto mais tensão um material pode tolerar antes de apresentar deformação plástica, menos é necessário para suportar um determinado momento de flexão. Para chegar diretamente à deformação máxima, basta olhar para a deformação elástica máxima. Com IM7, isso é 1,9%, e com alumínio 7068 (pdf) de alta resistência, é menos de 1% antes que o material sofra alongamento permanente. Isso significa que, embora o CFRP seja mais rígido que o alumínio, ele pode ser carregado mais e se esticar mais antes de atingir seus limites.

Comentários

• Obrigado pela resposta. Mas minha pergunta era sobre o desempenho em vôo das asas extremamente flexíveis, não sobre por que as asas flexionam em primeiro lugar.
• @shortstheory: Teoricamente, há uma pequena redução de desempenho devido à flexão das asas, mas isso é extremamente pequeno. Meu ponto é que ele reduz principalmente o fator de carga sentido pela carga útil devido às rajadas.
• Mas o Airbus A350, que é desenvolvido usando quase os mesmos materiais, tem a mesma asa flexível ou não? e, se não, simplesmente ” por que “?

Não apenas o 787 com CFRP tem isso, todas as asas se flexionam muito, conforme mostrado na parte inferior desta imagem. Fonte: Introdução à Aerodinâmica Transônica por R. Vos e S. Farokhi

Hoje em dia, os designers incorporam a flexão ao design, garantindo que a forma em cruzeiro seja exatamente como eles desejam. Mas os dois gráficos acima mostram alguns fatos interessantes. À esquerda, você pode ver a distribuição de pressão em diferentes locais em uma asa flexível, e à direita a mesma, mas para uma asa rígida (portanto, não deformada)

Você pode ver isso à direita imagem (em torno de x / c = 0,3), há saltos bruscos nos gráficos, que indicam choques e levam ao arrasto das ondas. No lado flexível, os gradientes são menos acentuados, o que significa que a onda de choque é menos forte. Como conseqüência o arrasto da onda será menor.

Assim, com base nesses gráficos, podemos concluir que a asa flexível terá menos arrasto da onda do que a mesma asa que não se deforma.

Comentários

• Boa resposta! Mas os projetistas não ‘ não torceriam a asa apenas para que, sob carga, ela tivesse o ângulo de ataque desejado em todas as estações da asa? Afinal, o resultado de flexionar uma asa virada para trás é reduzir o ângulo de ataque nas estações externas. Claro que a asa da asa não flexionada terá muita carga nas estações externas.
• Essa também era a minha meta. Os projetistas sabem que a asa se deformará e levarão isso em consideração em seu projeto, de modo que em cruzeiro a forma seja ótima. Fiz a comparação com o case rígido, não apenas para mostrar que flexionar é uma coisa boa, mas também para explicar o porquê.