Care sunt efectele aripilor foarte flexibile ale Boeing 787 '?

De aici:

Suma de flex este într-adevăr un produs al materialului. Aripa necesită o putere finală specificată; cu metal, care se traduce într-o cantitate dată de flex. Acest lucru poate fi variat în limite, dar materialul, rigiditatea sa la raportul punctului de cedare și proprietățile sale de oboseală controlează cât de multă flexibilitate veți ajunge. CFRP este un material foarte diferit și are o rigiditate mult mai mică pentru același punct de randament și, în esență, nu are probleme de oboseală. Acest lucru este benefic prin faptul că oferă o călătorie mai lină în turbulențe; aripa acționând în esență ca un izvor gigant. Totuși, există o anumită ridicare pierdută din cauza naturii curburii. Cu toate acestea, acest lucru este relativ mic.

Comentarii

• Cum corelați randamentul și rigiditatea? CFRP are o rigiditate specifică mai mare comparativ cu aluminiu și oțel …
• Creșterea rigidității, înseamnă creșterea masei, înseamnă scăderea randamentului / ridicării. Acest material oferă o rezistență ridicată, cu o rigiditate / masă relativ scăzută, ceea ce înseamnă un raport bun și, la rândul său, flexiunea consecventă pe care o vedeți.
• Dar flexul este în design, nu rigiditatea materialului. . Ați putea construi aripi mult mai rigide cu CFRP. CFRP (realizat în mod corespunzător) oferă atât o rigiditate excelentă, & rezistență, cu o tensiune relativ mică de rupere în comparație cu aluminiu. Cu toate acestea, sunt de acord cu punctul de oboseală.
• Puteți putea construi aripi mult mai rigide cu CFRP. Cu toate acestea, creșterea masei va reduce ridicarea rezultată mai mult decât a avea ‘ aripi plate ‘.
• Punctul meu este că CFRP nu prezintă în general o rigiditate mai mică pentru un randament dat. Flexul este o decizie de proiectare care oferă cel mai bun compromis, dar nu în mod inerent datorită materialului.

Aripile Boeing 787 sunt atât de flexibile, deoarece materialul său din fibră de carbon poate fi întins mai mult, iar raportul de aspect ridicat de 11 va mări acest efect. În zbor, tot ce vei simți este mai puțin tremurat din cauza rafalelor, deoarece aripa va amortiza modificările de sarcină mai eficient. La sol, aripa ar putea avea o distanță mai mică a vârfului, deoarece este nevoie de mai puțin diedru încorporat – restul este asigurat de elasticitatea aripii în zbor.

Influența asupra performanței este ușor negativă, dar acesta este un efect foarte slab. Poate fi comparat cu rezistența la rulare a unei biciclete rigide față de una cu cadru cu arc.

Cantitatea de îndoire pentru un moment de îndoire dat depinde de trei factori:

1. Interval de aripă: o curbură dată aripii datorită îndoirii la rădăcina aripii va provoca o deplasare a vârfului proporțională cu distanța vârfului respectiv de rădăcină.
2. Înălțime distanță: această curbură crește odată cu inversarea pătratului înălțimii distanței. O grosime relativă mai mică a aripii va produce mai multă îndoire.
3. Material distanță: Modulul Young al materialului descrie cât de mult se întinde pentru un anumit stres. Cu toate acestea, mai important este alungirea elastică la stresul de cedare. Fibra de carbon are un modul Young mai mare decât aluminiul, dar este elastică până la rupere, deci poate fi întinsă mai mult și produce mai multă îndoire la stresul de randament.

Numerele: modulul de aluminiu Young este destul de constant pentru o gamă largă de aliaje și în mod normal 70.000 MPa sau N / mm². Modulul fibrelor de grafit depinde de procesul lor de fabricație și variază între 200.000 și 700.000 MPa sau N / mm². Cu toate acestea, această valoare nu poate fi comparată direct cu cea a aluminiului. Modulul final al compozitului depinde de orientarea fibrelor și de conținutul de rășină.

Este sigur să presupunem că Boeing (sau mai precis, Mitsubishi Heavy Industries) folosește o fibră modernă, de înaltă rezistență, cum ar fi IM7 (pdf) (IM înseamnă modulul intermediar), care are un modul de 276.000 MPa. Este, de asemenea, sigur să presupunem că majoritatea fibrelor sunt orientate în direcția de deschidere, astfel încât acestea pot contribui pe deplin la preluarea sarcinilor de îndoire. Dacă presupunem un conținut conservator de fibre de 60%, modulul rezultat al materialul spart ar trebui să fie de 164.000 MPa. trebuie să ia sarcini de torsiune. În timp ce aluminiul este un material izotrop (are aceleași proprietăți în toate direcțiile), CFRP este foarte anizotrop și adăugarea rezistenței la torsiune va necesita fibre suplimentare în alte direcții. Consecință: Modulul efectiv al cutiei de aripi în direcția de îndoire ar putea fi de până la 110.000 MPa.

În cele din urmă, ceea ce contează este cât de mult material există pentru a transporta sarcinile de îndoire. Aici intră în joc stresul de producție al materialului: Cu cât un material poate tolera mai mult stres înainte de a prezenta deformare plastică, cu atât este mai puțin necesar pentru a transporta un moment de încovoiere dat. Pentru a ajunge direct la deformarea maximă, este suficient să te uiți la tensiunea elastică maximă. Cu IM7, acesta este de 1,9%, iar cu 7068 aluminiu de înaltă rezistență (pdf) , este mai puțin de 1% înainte ca materialul să sufere alungire permanentă. Aceasta înseamnă că, chiar dacă CFRP este mai rigid decât aluminiul, poate fi încărcat mai mult și se va întinde mai mult înainte de a-și atinge limitele.

Comentarii

• Multumesc pentru raspuns. Însă întrebarea mea a fost despre performanța în zbor a aripilor extrem de flexibile, nu despre motivul pentru care aripile se flexează în primul rând.
• @shortstheory: Teoretic, există o reducere mică a performanței datorită flexiei aripilor, dar acest lucru este extrem de mic. Ideea mea este că reduce în principal factorul de încărcare resimțit de sarcina utilă din cauza rafalelor.
• Dar Airbus A350 dezvoltat folosind aproape aceleași materiale, are sau nu aceeași flexie a aripii? și, dacă nu, pur și simplu ” de ce „?

Nu numai 787 cu CFRP are acest lucru, toate aripile se flexează mult așa cum se arată în partea inferioară a acestei imagini. Sursă: Introducere în aerodinamica transonică de R. Vos și S. Farokhi

În aceste zile, designerii încorporează flexia în design, asigurându-se că forma în croazieră este exact așa cum doresc. Dar cele două grafice de mai sus arată câteva fapte interesante. În partea stângă puteți vedea distribuția presiunii pe diferite locații pe o aripă flexibilă, iar în dreapta aceeași, dar apoi pentru o aripă rigidă (astfel, nedeformată)

Puteți vedea asta în dreapta imagine (în jurul valorii de x / c = 0,3), există salturi ascuțite în grafice, acestea indică șocuri și conduc la tragerea valurilor. Pe partea flexibilă, gradienții sunt mai puțin abrupți, ceea ce înseamnă că unda de șoc este mai puțin puternică. În consecință, tragerea undei va fi mai mică.

Astfel, pe baza acestor grafice, putem concluziona că aripa flexibilă va avea mai puțină curgere a undelor, decât aceeași aripă care nu s-ar deforma.

Comentarii

• Răspuns bun! Dar nu ar fi ‘ t designerii să răsucească aripa astfel încât sub sarcină să aibă unghiul de atac dorit la toate stațiile de aripă? La urma urmei, rezultatul flexării unei aripi măturate înapoi este de a reduce unghiul de atac la stațiile exterioare. Bineînțeles că aripa aripii neflexate va avea o sarcină prea mare la stațiile exterioare.
• Acesta era și lucrul pe care îl vizam. Proiectanții știu că aripa se va deforma și vor explica acest lucru în proiectarea lor, astfel încât în croazieră forma să fie optimă. Am făcut comparația cu carcasa rigidă, nu numai pentru a arăta că flexia este un lucru bun, ci și pentru a explica de ce.