Vilka är effekterna av Boeing 787: s väldigt flexibla vingar?

Härifrån:

The amount of flex is really a product of the material. The wing requires a specified ultimate strength; with metal, that translates into a given amount of flex. This can be varied within limits, but it is really the material, its stiffness to yield point ratio, and its fatigue properties, that control how much flex you are going to end up with. CFRP is a very different material, and has much less stiffness for the same yield point, and has essentially no fatigue problems. This is beneficial in that it provides a smoother ride in turbulence; the wing acting essentially like a giant leaf spring. There is some lift lost due to the nature of the curvature, though. However, this is relatively small.

Boeing 787 vingar är så flexibla eftersom dess kolfibermaterial kan sträckas mer och det höga bildförhållandet 11 kommer att förstora denna effekt. Under flygningen kommer allt du känner är mindre att skaka på grund av vindar, eftersom vingen kommer att dämpa belastningsförändringar mer effektivt. På marken kan vingen få mindre spetsavstånd, eftersom mindre inbyggd dihedral behövs - resten levereras av vingens elasticitet under flygning.

Inverkan på prestanda är något negativ, men det här är en mycket svag effekt. Det kan jämföras med rullmotståndet på en styv cykel mot en med en fjäderbelastad ram.

Mängden böjning för ett givet böjningsmoment beror på tre faktorer:

Siffrorna: Youngs modul av aluminium är ganska konstant för ett brett utbud av legeringar och normalt 70 000 MPa eller N / mm². Modulen av grafitfibrer beror på deras tillverkningsprocess och varierar mellan 200 000 och 700 000 MPa eller N / mm². Detta värde kan emellertid inte jämföras direkt med aluminiumets. Kompositens slutliga modul beror på fiberorientering och hartsinnehåll.

Det är säkert att anta att Boeing (eller mer exakt Mitsubishi Heavy Industries) använder en modern fiber med hög hållfasthet som IM7 (pdf) (IM står för mellanmodul), som har en modul på 276.000 MPa. Det är också säkert att anta att de flesta fibrerna är orienterade i spännriktning, så att de kan bidra fullt ut för att ta böjningsbelastningarna. Om vi antar ett konservativt fiberinnehåll på 60%, skulle den resulterande modulen av sparmaterialet vara 164 000 MPa. Sparet är dock inte en diskret komponent, utan en del av vinglådan, som också måste ta vridningslast. Medan aluminium är ett isotropiskt material (det har samma egenskaper i alla riktningar) är CFRP mycket anisotropisk och lägger till torsionsstyrka kommer att kräva ytterligare fibrer i andra riktningar. Konsekvens: Den effektiva modulen hos vingeboxen i böjningsriktningen kan vara så låg som 110 000 MPa.

I slutändan, vad räknas är hur mycket material som finns för att bära böjningsbelastningarna. Här kommer utbytesspänningen i materialet att spela: Ju mer stress ett material kan tolerera innan det visar plastisk deformation, desto mindre behövs det för att bära ett givet böjningsmoment. För att komma fram till maximal deformation är det tillräckligt att titta på den maximala elastiska belastningen. Med IM7 är detta 1,9% och med höghållfast 7068 aluminium ( pdf) , det är mindre än 1% innan materialet lider permanent förlängning. Det betyder att även om CFRP är styvare än aluminium, kan den laddas mer och sträcka sig mer innan den når sina gränser.

Inte bara 787 med CFRP har det här, alla vingar böjs mycket, vilket visas i nedre delen av bilden. Källa: Introduktion till Transonic Aerodynamics av R. Vos och S . Farokhi

Dessa dagar ingår designers böjning i designen, se till att formen i kryssningen är precis som de vill ha den. Men de två diagrammen ovan visar några intressanta fakta. Till vänster kan du se tryckfördelningen på olika ställen på en flexibel vinge, och till höger densamma, men sedan för en styv vinge (sålunda inte deformerad)

Du kan se att på rätt bild (runt x / c = 0,3) finns det skarpa hopp i diagrammen, dessa indikerar stötar och leder till vågdragning. På den flexibla sidan är gradienterna mindre branta, vilket betyder att chockvågan är mindre stark. Som en konsekvens blir vågdragen mindre.

På grundval av dessa grafer kan vi därför dra slutsatsen att den flexibla vingen kommer att ha mindre vågdragning än samma vinge som inte skulle deformeras.