Vilka är effekterna av Boeing 787 ' mycket flexibla vingar?

Härifrån:

Beloppet av flex är verkligen en produkt av materialet. Vingen kräver en specificerad slutlig styrka; med metall, som översätts till en viss mängd flex. Detta kan varieras inom gränserna, men det är verkligen materialet, dess styvhet till att ge punktförhållande och dess utmattningsegenskaper som styr hur mycket flex du kommer att sluta med. CFRP är ett mycket annorlunda material och har mycket mindre styvhet för samma sträckpunkt och har i princip inga utmattningsproblem. Detta är fördelaktigt genom att det ger en mjukare åktur i turbulens; vingen fungerar i huvudsak som en jättebladfjäder. Det är dock en del hiss förlorad på grund av krökningens natur. Detta är dock relativt litet.

Kommentarer

• Hur korrelerar du avkastning och styvhet? CFRP har en högre specifik styvhet jämfört med aluminium och stål …
• Ökad styvhet, innebär att massan ökar, betyder minskat utbyte / lyft. Detta material ger hög hållfasthet med relativt låg styvhet / massa, vilket betyder ett bra förhållande och i sin tur den följdböj som du ser.
• Men flexen är i designen, inte materialets styvhet . Du kan bygga mycket styvare vingar med CFRP. CFRP (gjort ordentligt) ger både utmärkt styvhet & styrka, med relativt låg brottstam jämfört med aluminium. Jag håller dock med om utmattningspunkten.
• Du kunde bygga mycket styvare vingar med CFRP. Ökningen av massan minskar emellertid den resulterande hissen mer än att ha ’ platt ’ vingar.
• Min poäng är att CFRP i allmänhet inte visar en lägre styvhet för ett givet avkastning. Flexen är ett designbeslut som ger bästa kompromiss, men inte på grund av materialet.

Vingarna på Boeing 787 är så flexibla eftersom dess kolfibermaterial kan sträckas mer, och det höga bildförhållandet 11 kommer att förstora denna effekt. Under flygningen är allt du kommer att känna mindre skakningar på grund av vindbyar, eftersom vingen dämpar belastningsförändringar mer effektivt. På marken kan vingen ha mindre spetsfrihet, eftersom det behövs mindre inbyggd dihedral – resten levereras av vingens elasticitet under flygning.

Påverkan på prestanda är något negativ, men detta är en mycket svag effekt. Det kan jämföras med rullmotståndet hos en styv cykel jämfört med en med fjäderbelastad ram.

Mängden böjning för ett givet böjmoment beror på tre faktorer:

1. Vingspännvidd: En given krökning av vingen på grund av böjning vid vingroten kommer att orsaka en spetsförskjutning som är proportionell mot spetsens avstånd från roten.
2. Spar heigt: Denna krökning växer med det inversa av kvadratet för sparrhöjden. En lägre relativ tjocklek på vingen ger mer böjning.
3. Spar-material: Youngs modul av materialet beskriver hur mycket det sträcker sig för en given stress. Ännu viktigare är emellertid den elastiska förlängningen vid sträckgräns. Kolfiber har en högre Young-modul än aluminium, men är elastisk tills den går sönder, så den kan sträckas mer och ger mer böjning vid sträckgräns.

Siffrorna: Youngs modul av aluminium är ganska konstant för ett stort antal legeringar och normalt 70 000 MPa eller N / mm². Grafitfibrernas modul beror på deras tillverkningsprocess och varierar mellan 200 000 och 700 000 MPa eller N / mm². Detta värde kan dock inte jämföras direkt med aluminium. Slutmodulen för kompositen beror på fiberorientering och hartsinnehåll.

Det är säkert att anta att Boeing (eller mer exakt, Mitsubishi Heavy Industries) använder en modern, höghållfast fiber som IM7 (pdf) (IM står för mellanliggande modul), som har en modul på 276 000 MPa. Det är också säkert att anta att de flesta fibrerna är orienterade i spännriktningen, så att de kan bidra fullt ut till att ta böjningsbelastningarna. Om vi antar en konservativ fiberhalt på 60%, blir den resulterande sparmaterialet bör vara 164 000 MPa. Emellertid är sparren inte en diskret komponent utan en del av vingboxen som också måste ta vridlaster. Medan aluminium är ett isotropiskt material (det har samma egenskaper i alla riktningar), är CFRP mycket anisotropiskt, och att lägga till torsionsstyrka kommer att kräva ytterligare fibrer i andra riktningar. Konsekvens: Vingboxens effektiva modul i böjriktning kan vara så låg som 110 000 MPa.

I slutändan räknas det hur mycket material som finns för att bära böjningsbelastningarna. Här spelar materialets sträckgräns in: Ju mer spänning ett material tål innan det visar plastisk deformation, desto mindre behövs det för att bära ett givet böjmoment. För att komma direkt till maximal deformation räcker det att titta på maximal elastisk töjning. Med IM7 är detta 1,9%, och med höghållfast 7068 aluminium (pdf) är det mindre än 1% innan materialet får permanent förlängning. Detta innebär att även om CFRP är styvare än aluminium kan den laddas mer och sträcka sig mer innan den når sina gränser.

Kommentarer

• Tack för svaret. Men min fråga handlade om de extremt flexibla vingarnas flygning, inte om varför vingarna böjer sig i första hand.
• @shortstheory: Teoretiskt sett är det en liten prestationsminskning på grund av vingböjning, men det här är extremt litet. Min poäng är att det främst minskar belastningsfaktorn som känns av nyttolasten på grund av vindbyar.
• Men Airbus A350 som är utvecklad med nästan samma material, har samma vingböjning eller inte? och, om inte, helt enkelt ” varför ”?

Inte bara 787 med CFRP har detta, alla vingar böjer sig mycket som visas i den nedre delen av bilden. Källa: Introduktion till Transonic Aerodynamics av R. Vos och S. Farokhi

Dessa dagar införlivar designers flexningen i designen och ser till att formen i kryssningen är precis som de vill ha den. Men de två graferna ovan visar några intressanta fakta. Till vänster kan du se tryckfördelningen på olika platser på en flexibel vinge och till höger samma, men sedan för en styv vinge (alltså inte deformerad)

Du kan se att till höger bild (runt x / c = 0,3), det finns skarpa hopp i graferna, dessa indikerar chocker och leder till vågdragning. På den flexibla sidan är lutningarna mindre branta, vilket innebär att chockvågen är mindre stark. Som en konsekvens kommer vågläget att bli mindre.

Således kan vi, baserat på dessa diagram, dra slutsatsen att den flexibla vingen kommer att ha mindre vågläge än samma vinge som inte skulle deformeras.

Kommentarer

• Bra svar! Men skulle ’ inte designarna vrida vingen så att den under belastning har den önskade attackvinkeln på alla vingstationer? Resultatet av att böja en bakåt-svept vinge är trots allt att minska attackvinkeln vid de yttre stationerna. Naturligtvis kommer den oflexibla vingvingen att ha för mycket belastning vid de yttre stationerna.
• Det var också det jag siktade på. Formgivare vet att vingen kommer att deformeras och kommer att redogöra för detta i sin design så att kryssningen är optimal. Jag gjorde jämförelsen med det styva fallet, inte bara för att visa att flexningen är bra, utan också för att förklara varför.