Domanda:
Quali sono gli effetti delle ali molto flessibili del Boeing 787?
shortstheory
2014-01-10 21:11:33 UTC
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Di recente mi sono imbattuto in questa immagine dell'incredibile flesso alare del Boeing 787:

Suppongo che questa sia una conseguenza dell'utilizzo di ali CFRP molto leggere, ma come lo stesso wingflex migliora le prestazioni di volo del 787? I vantaggi / svantaggi si applicano anche al 747-8 (che IIRC utilizza anche le ali CFRP)?

Non una risposta, solo un bel video su un flex * davvero * incredibile per il DG-1000: http://www.dg-flugzeugbau.de/Data/Videos/bruchversuch-i.wmv. Lo fanno anche per i grandi come l'A380, il che è davvero spaventoso (ma non ho un collegamento video a portata di mano).
Correlati: http://www.airliners.net/aviation-forums/tech_ops/read.main/253605/1/
@yankeekilo grazie per la condivisione, è stato un video davvero interessante. Ho sentito che stressano molto le ali CFRP, ma non fino al punto di rottura poiché le schegge di un'ala CFRP potrebbero essere piuttosto gravi.
Appena trovato: http://www.airliners.net/aviation-forums/tech_ops/read.main/267122/
In realtà, * li * rompono: https://www.youtube.com/watch?v=sA9Kato1CxA o https://www.youtube.com/watch?v=z19m9LZOOZY. Quei test sono * enormi * e ovviamente devono essere prese molte precauzioni di sicurezza.
Questa è un'immagine orribile. Dubito davvero che le ali aumentino di lunghezza in modo drammatico mentre si flettono. Il movimento della punta dell'ala descriverebbe sicuramente qualcosa di più vicino a un arco che a una linea verticale.
Punto eccellente di @RedGrittyBrick; Sentivo che qualcosa non andava, ma non riuscivo a capirlo. Grazie!
Tre risposte:
#1
+25
Dan
2014-01-10 22:40:46 UTC
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Da qui:

La quantità di flessibilità è in realtà un prodotto del materiale. L'ala richiede una forza ultima specificata; con il metallo, che si traduce in una determinata quantità di flessibilità. Questo può essere variato entro certi limiti, ma in realtà è il materiale, il suo rapporto rigidità / punto di snervamento e le sue proprietà di fatica, che controllano la quantità di flessibilità con cui ti ritroverai. Il CFRP è un materiale molto diverso, ha una rigidità molto inferiore a parità di punto di snervamento e sostanzialmente non ha problemi di fatica. Ciò è vantaggioso in quanto fornisce una guida più fluida in turbolenza; l'ala agisce essenzialmente come una gigantesca balestra. Tuttavia, c'è un po 'di portanza persa a causa della natura della curvatura. Tuttavia, questo è relativamente piccolo.

Come si correlano la resa e la rigidità? CFRP ha una rigidità specifica superiore rispetto all'alluminio e all'acciaio ...
Aumentare la rigidità, significa aumentare la massa, significa diminuire la resa / portanza.Questo materiale fornisce un'elevata resistenza con una rigidità / massa relativamente bassa, il che significa un buon rapporto e, a sua volta, la flessione conseguente che si vede.
Ma la flessibilità è nel design, non nella rigidità del materiale. Potresti costruire ali molto più rigide con CFRP. CFRP (eseguito correttamente) offre sia rigidità che resistenza eccellenti, con uno sforzo di rottura relativamente basso rispetto all'alluminio. Sono d'accordo sul punto di fatica, però.
Potresti costruire ali molto più rigide con CFRP. Tuttavia, l'aumento della massa ridurrà la _ portanza risultante_ più che avere ali "piatte".
Il punto è che il CFRP in generale non mostra una rigidità inferiore per una data resa. Il flex è una decisione progettuale che offre il miglior compromesso, ma non intrinsecamente dovuto al materiale.
#2
+23
Peter Kämpf
2015-02-23 03:37:07 UTC
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Le ali del Boeing 787 sono così flessibili perché il materiale in fibra di carbonio può essere allungato di più e le proporzioni elevate di 11 amplificheranno questo effetto. In volo, tutto ciò che sentirai sarà meno tremante a causa delle raffiche, perché l'ala smorzerà i cambiamenti di carico in modo più efficace. A terra, l'ala potrebbe avere meno spazio in punta, perché è necessario meno diedro integrato - il resto è fornito dall'elasticità dell'ala in volo.

L'influenza sulle prestazioni è leggermente negativa, ma questo è un effetto molto debole. Può essere paragonato alla resistenza al rotolamento di una bicicletta rigida rispetto a una con un telaio caricato a molla.

La quantità di flessione per un dato momento flettente dipende da tre fattori:

  1. Apertura alare: una data curvatura dell'ala dovuta alla flessione alla radice dell'ala provocherà uno spostamento della punta che è proporzionale alla distanza di quella punta dalla radice.
  2. Altezza dell'asta: questa curvatura cresce con l'inverso del quadrato dell'altezza del longherone. Uno spessore relativo inferiore dell'ala produrrà più flessione.
  3. Materiale Spar: il modulo di Young del materiale descrive quanto si allunga per una data sollecitazione. Più importante, tuttavia, è l'allungamento elastico al carico di snervamento. La fibra di carbonio ha un modulo di Young più alto rispetto all'alluminio, ma è elastica fino alla rottura, quindi può essere allungata di più e produce più flessione a snervamento.

I numeri: Il modulo di Young dell'alluminio è abbastanza costante per un'ampia gamma di leghe e normalmente 70.000 MPa o N / mm². Il modulo delle fibre di grafite dipende dal loro processo di fabbricazione e varia tra 200.000 e 700.000 MPa o N / mm². Tuttavia, questo valore non può essere confrontato direttamente con quello dell'alluminio. Il modulo finale del composito dipende dall'orientamento della fibra e dal contenuto di resina.

È lecito ritenere che Boeing (o più precisamente Mitsubishi Heavy Industries) utilizzi una fibra moderna e ad alta resistenza come IM7 (pdf) (IM sta per modulo intermedio), che ha un modulo di 276.000 MPa. È anche lecito ritenere che la maggior parte delle fibre siano orientate nella direzione dell'estensione, in modo che possano contribuire completamente a sostenere i carichi di flessione. Se assumiamo un contenuto di fibre conservativo del 60%, il modulo risultante del materiale del longherone dovrebbe essere 164.000 MPa. Tuttavia, il longherone non è un componente discreto, ma parte della scatola alare che deve anche sopportare carichi di torsione. Mentre l'alluminio è un materiale isotropo (ha le stesse proprietà in tutte le direzioni), il CFRP è altamente anisotropo e l'aggiunta di resistenza alla torsione richiederà fibre aggiuntive in altre direzioni. Conseguenza: il modulo effettivo della scatola alare in direzione di flessione potrebbe essere di appena 110.000 MPa.

Alla fine, ciò che conta è quanto materiale c'è per sostenere i carichi di flessione. Qui entra in gioco la tensione di snervamento del materiale: maggiore è la tensione che un materiale può sopportare prima di mostrare una deformazione plastica, minore è la sollecitazione necessaria per sopportare un determinato momento flettente. Per arrivare direttamente alla massima deformazione è sufficiente guardare alla massima deformazione elastica. Con IM7, questo è 1,9% e con 7068 alluminio (pdf) ad alta resistenza, è inferiore all'1% prima che il materiale subisca un allungamento permanente. Ciò significa che, anche se il CFRP è più rigido dell'alluminio, può essere caricato di più e si allungherà di più prima di raggiungere i suoi limiti.

Grazie per la risposta. Ma la mia domanda riguardava le prestazioni in volo delle ali estremamente flessibili, non il motivo per cui le ali si flettono in primo luogo.
@shortstheory: Teoricamente, c'è una piccola riduzione delle prestazioni dovuta alla flessione dell'ala, ma è estremamente ridotta. Il punto è che riduce principalmente il fattore di carico percepito dal carico utile a causa delle raffiche.
Ma l'Airbus A350, sviluppato utilizzando quasi gli stessi materiali, ha lo stesso flex alare o no? e, se no, semplicemente "perché"?
#3
+8
ROIMaison
2015-08-20 16:34:42 UTC
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Non solo il 787 con CFRP ha questo, tutte le ali si flettono molto come mostrato nella parte inferiore di questa immagine. B52 deformation Fonte: Introduzione alla Transonic Aerodynamics di R. Vos e S. Farokhi

Oggigiorno, i designer incorporano la flessione nel design, assicurandosi che la forma in crociera sia esattamente come la vogliono. Ma i due grafici sopra mostrano alcuni fatti interessanti. A sinistra puoi vedere la distribuzione della pressione in diversi punti su un'ala flessibile, a destra la stessa, ma poi per un'ala rigida (quindi, non deformata)

Puoi vederlo a destra immagine (intorno a x / c = 0,3), ci sono salti bruschi nei grafici, questi indicano shock e portano alla resistenza dell'onda. Sul lato flessibile, le pendenze sono meno ripide, il che significa che l'onda d'urto è meno forte. Di conseguenza la resistenza all'onda sarà minore.

Quindi, sulla base di questi grafici, possiamo concludere che l'ala flessibile avrà meno resistenza all'onda, rispetto alla stessa ala che non si deformerebbe.

Buona risposta! Ma i progettisti non ruoterebbero l'ala solo in modo che sotto carico abbia l'angolo di attacco desiderato in tutte le stazioni alari? Dopo tutto, il risultato della flessione di un'ala spostata all'indietro è ridurre l'angolo di attacco nelle stazioni esterne. Ovviamente l'ala non flessa avrà troppo carico nelle stazioni esterne.
Questa era anche la cosa a cui miravo. I progettisti sanno che l'ala si deformerà e ne terranno conto nel loro design in modo tale che in crociera la forma sia ottimale. Ho fatto il confronto con la custodia rigida, non solo per dimostrare che la flessione è una buona cosa, ma anche per spiegare il motivo.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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