Questão:
Quais são os efeitos das asas muito flexíveis do Boeing 787?
shortstheory
2014-01-10 21:11:33 UTC
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Recentemente encontrei esta foto do incrível wingflex da aeronave Boeing 787:

Suponho que seja uma consequência do uso de asas CFRP muito leves, mas como o próprio wingflex melhora o desempenho de vôo do 787? Os benefícios / desvantagens também se aplicam ao 747-8 (que IIRC também usa asas CFRP)?

Não é uma resposta, apenas um vídeo legal sobre flex * realmente * incrível para o DG-1000: http://www.dg-flugzeugbau.de/Data/Videos/bruchversuch-i.wmv. Eles também fazem isso para os grandes ´uns como o A380, que é realmente assustador (mas eu não tenho um link de vídeo em mãos).
Relacionado: http://www.airliners.net/aviation-forums/tech_ops/read.main/253605/1/
@yankeekilo obrigado por compartilhar, esse foi um vídeo muito legal. Ouvi dizer que eles estressam muito as asas de CFRP, mas não a ponto de quebrar, pois os estilhaços de uma asa de CFRP podem ser bastante graves.
Acabei de encontrar: http://www.airliners.net/aviation-forums/tech_ops/read.main/267122/
Na verdade, eles * fazem * quebrá-los: https://www.youtube.com/watch?v=sA9Kato1CxA ou https://www.youtube.com/watch?v=z19m9LZOOZY. Esses testes são * enormes * e, claro, muitas precauções de segurança devem ser tomadas.
Essa é uma imagem terrível. Eu realmente duvido que as asas aumentem dramaticamente em comprimento à medida que flexionam. O movimento da ponta da asa certamente descreveria algo mais próximo de um arco do que de uma linha vertical.
Ponto excelente @RedGrittyBrick; Senti que algo estava errado, mas não consegui descobrir. Obrigado!
Trzy respostas:
#1
+25
Dan
2014-01-10 22:40:46 UTC
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A partir daqui:

A quantidade de flex é realmente um produto do material. A asa requer uma força máxima especificada; com metal, isso se traduz em uma determinada quantidade de flexão. Isso pode variar dentro de certos limites, mas é realmente o material, sua relação entre rigidez e limite de escoamento 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 apresenta 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.

Como você correlaciona o rendimento e a rigidez? O CFRP tem uma rigidez específica superior em comparação ao alumínio e ao 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 o flex está no design, não na rigidez do material. Você poderia construir asas muito mais rígidas com CFRP. CFRP (feito corretamente) oferece excelente rigidez e resistência, com baixa tensão de ruptura relativa em comparação com o alumínio. Eu concordo no ponto de fadiga, no entanto.
Você _poderia_ construir asas muito mais rígidas com CFRP. No entanto, o aumento na massa reduzirá a _elevação resultante_ mais do que ter asas 'planas'.
Meu ponto é que CFRP em geral não mostra uma rigidez inferior para um determinado rendimento. O flex é uma decisão de design que oferece o melhor compromisso, mas não inerentemente devido ao material.
#2
+23
Peter Kämpf
2015-02-23 03:37:07 UTC
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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 isso é um efeito muito fraco. Ela pode ser comparada à resistência ao rolamento de uma bicicleta rígida em comparação com uma com quadro com 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 asa: esta curvatura cresce com o inverso do quadrado da altura da longarina. Uma espessura relativa menor da asa produzirá mais curvatura.
  3. Material spar: O módulo de Young do material descreve o quanto ele se estica para uma determinada tensão. Mais importante, entretanto, é o alongamento elástico na tensão de escoamento. A fibra de carbono tem um módulo de Young maior do que o alumínio, mas é elástica até a ruptura, por isso pode ser mais esticada e produz mais flexão na tensão de escoamento.

Os números: O módulo de Young do alumínio é razoavelmente constante para uma ampla gama de ligas e normalmente 70.000 MPa ou N / mm². O módulo das fibras de grafite depende do 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 composto depende da orientação da fibra e do conteúdo de resina.

É seguro presumir 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 conteúdo 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 deve 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 jogo: 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 do que o alumínio, ele pode ser carregado mais e se esticar mais antes de atingir seus limites.

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 da asa, mas é extremamente pequena. Meu ponto é que ele reduz principalmente o fator de carga sentido pela carga útil devido a 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 quê"?
#3
+8
ROIMaison
2015-08-20 16:34:42 UTC
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Não apenas o 787 com CFRP tem isso, todas as asas se flexionam muito, conforme mostrado na parte inferior desta imagem. B52 deformation Fonte: Introdução à Aerodinâmica Transônica por R. Vos e S. Farokhi

Hoje em dia, os designers incorporam a flexão ao design, certificando-se de 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 da 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.

Boa resposta! Mas os projetistas 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. É 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 só para mostrar que a flexão é boa, mas também para explicar o porquê.


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