Zastosowanie różnych materiałów w Boeingu 787 Dreamliner. [1]Materiały kompozytowe W są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym i pozwoliły inżynierom pokonać przeszkody, które napotkano podczas indywidualnego stosowania materiałów. Materiały składowe zachowują swoją tożsamość w kompozytach i nie rozpuszczają się ani w inny sposób całkowicie się ze sobą nie łączą. Razem materiały tworzą materiał „hybrydowy” o ulepszonych właściwościach strukturalnych.
Opracowanie lekkich, odpornych na wysokie temperatury materiałów kompozytowych umożliwi urzeczywistnienie nowej generacji wydajnych i ekonomicznych projektów samolotów. Zastosowanie takich materiałów zmniejszy zużycie paliwa, poprawi wydajność i obniży bezpośrednie koszty eksploatacji samolotów.
Materiały kompozytowe można formować w różne kształty, a w razie potrzeby włókna można ciasno zwijać, aby zwiększyć wytrzymałość. Użyteczną cechą kompozytów jest to, że można je układać warstwowo, przy czym włókna w każdej warstwie biegną w innym kierunku. Pozwala to inżynierowi projektować konstrukcje o unikalnych właściwościach. Na przykład konstrukcję można zaprojektować tak, aby wyginała się w jednym kierunku, ale nie w innym. [2]
Zawartość
Synteza podstawowych kompozytów
Przykład podstawowego materiału kompozytowego.W podstawowym kompozycie jeden materiał pełni rolę matrycy nośnej, podczas gdy inny materiał buduje na tym podstawowym rusztowaniu i wzmacnia cały materiał. Formowanie materiału może być kosztownym i złożonym procesem. Zasadniczo matrycę materiału podstawowego układa się w formie w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Następnie na materiał bazowy wylewa się żywicę epoksydową lub żywicę , która po ochłodzeniu materiału kompozytowego tworzy mocny materiał. Kompozyt można również wytworzyć poprzez osadzenie włókien materiału wtórnego w matrycy podstawowej.
Kompozyty mają dobrą wytrzymałość na rozciąganie i odporność na ściskanie, dzięki czemu nadają się do stosowania w produkcji części samolotów. Wytrzymałość materiału na rozciąganie wynika z jego włóknistej natury. Po przyłożeniu siły rozciągającej włókna w kompozycie ustawiają się zgodnie z kierunkiem przyłożonej siły, nadając mu wytrzymałość na rozciąganie. Dobrą odporność na ściskanie można przypisać właściwościom adhezyjnym i sztywności układu matrycy podstawowej. Rolą żywicy jest utrzymywanie włókien w postaci prostych kolumn i zapobieganie ich wyboczeniu.
Lotnictwo i kompozyty
Materiały kompozytowe są ważne dla przemysłu lotniczego, ponieważ zapewniają wytrzymałość konstrukcyjną porównywalną ze stopami metali, ale przy mniejszej masie. Prowadzi to do poprawy efektywności paliwowej i wydajności samolotu. [3] [4]
Rola kompozytów w przemyśle lotniczym
Zastosowanie różnych materiałów w Boeingu 787 Dreamliner. [1]Włókno szklane jest najpopularniejszym materiałem kompozytowym i składa się z włókien szklanych osadzonych w matrycy żywicznej. Włókno szklane po raz pierwszy zostało szeroko zastosowane w latach pięćdziesiątych XX wieku w łodziach i samochodach. Włókno szklane po raz pierwszy zastosowano w samolocie pasażerskim Boeing 707 w latach pięćdziesiątych XX wieku, gdzie stanowiło około dwóch procent konstrukcji. Każda generacja nowych samolotów zbudowanych przez Boeinga charakteryzowała się większym procentem wykorzystania materiałów kompozytowych; najwyższe to 50% wykorzystanie kompozytu w 787 Dreamliner .
Boeing 787 Dreamliner będzie pierwszym samolotem komercyjnym, w którym główne elementy konstrukcyjne zostaną wykonane z materiałów kompozytowych, a nie ze stopów aluminium. [1] W tym samolocie nastąpi odejście od archaicznych kompozytów z włókna szklanego na rzecz bardziej zaawansowanych laminatów węglowych i kompozytów typu Sandwich z włókna węglowego. Napotkano problemy ze skrzynią skrzydłową Dreamlinera, które przypisano niewystarczającej sztywności materiałów kompozytowych użytych do budowy części. [1] Doprowadziło to do opóźnień w pierwotnych terminach dostaw samolotów. Aby rozwiązać te problemy, Boeing usztywnia skrzynki skrzydłowe, dodając nowe wsporniki do już zbudowanych skrzyń skrzydłowych, jednocześnie modyfikując skrzynki skrzydłowe, które jeszcze nie zostały zbudowane. [1]
Badania materiałów kompozytowych
Stwierdzono, że dokładne modelowanie działania części wykonanej z kompozytu za pomocą symulacji komputerowej jest trudne ze względu na złożony charakter materiału. Kompozyty często układa się warstwami jedna na drugiej w celu zwiększenia wytrzymałości, ale komplikuje to fazę testów przed produkcją, ponieważ warstwy są zorientowane w różnych kierunkach, co utrudnia przewidzenie ich zachowania podczas testów. [1]
Na częściach można również przeprowadzić testy naprężeń mechanicznych. Testy te rozpoczynają się od modeli w małej skali, następnie przechodzą do coraz większych części konstrukcji, aż w końcu do pełnej konstrukcji. Części konstrukcyjne są umieszczane w maszynach hydraulicznych, które wyginają je i skręcają, aby naśladować naprężenia znacznie wykraczające poza najgorsze oczekiwane warunki podczas rzeczywistych lotów.
Czynniki wykorzystania materiałów kompozytowych
Redukcja masy jest największą zaletą zastosowania materiału kompozytowego i jest jednym z kluczowych czynników przy podejmowaniu decyzji o jego wyborze. Inne zalety obejmują wysoką odporność na korozję i odporność na uszkodzenia spowodowane zmęczeniem. Czynniki te odgrywają rolę w obniżeniu kosztów eksploatacji samolotu w dłuższej perspektywie, jeszcze bardziej poprawiając jego wydajność. Kompozyty mają tę zaletę, że można je uformować w niemal dowolny kształt w procesie formowania, ale to pogłębia i tak już trudny problem modelowania.
Główną wadą stosowania kompozytów jest to, że są one stosunkowo nowym materiałem i jako takie mają wysoki koszt. Wysoki koszt wynika również z pracochłonnego i często złożonego procesu produkcyjnego. Kompozyty są trudne do sprawdzenia pod kątem wad, a niektóre z nich pochłaniają wilgoć.
Z kolei aluminium, mimo że jest cięższe, jest łatwe w produkcji i naprawie. Może zostać wgnieciony lub przebity, a mimo to będzie się trzymał razem. Kompozyty takie nie są; jeśli są uszkodzone, wymagają natychmiastowej naprawy, która jest trudna i kosztowna.
Oszczędność paliwa dzięki zmniejszonej masie
Zużycie paliwa zależy od kilku zmiennych, w tym między innymi: masy suchego samolotu, masy ładunku, wieku samolotu, jakości paliwa, prędkości lotu, pogody. Masę elementów samolotu wykonanych z materiałów kompozytowych zmniejszono o około 20%, tak jak w przypadku 787 Dreamliner. [4]
Przykładowe obliczenie całkowitej oszczędności paliwa przy 20% zmniejszeniu masy własnej zostanie wykonane poniżej dla samolotu Airbus A340-300.
Początkowe wartości próbek dla tego studium przypadku uzyskano ze źródła zewnętrznego. [5]
Dany:
- Robocza masa własna (OEW): 129 300 kg
- Maksymalna masa bez paliwa (MZFW): 178 000 kg
- Maksymalna masa startowa (MTOW): 275 000 kg
- Maks. Zasięg @ Maks. Waga: 10 458 km
Inne wielkości można obliczyć na podstawie podanych powyżej liczb:
- Maksymalna masa ładunku = MZFW - OEW = 48 700 kg
- Maksymalna masa paliwa = MTOW - MZFW = 97 000 kg
Możemy zatem dalej obliczyć zużycie paliwa w kg/km w oparciu o maksymalną masę paliwa i maksymalny zasięg = 97 000 kg/10 458 km = 9,275 kg/km
Poniżej przedstawiono obliczenia przewidywanych oszczędności paliwa przy 20% redukcji masy, co spowoduje zmniejszenie wartości OEW jedynie o 20%:
- OEW (nowy) = 129 300 kg * 0,8 = 103 440 kg, co oznacza oszczędność masy o 25 860 kg.
Zakładając, że masa ładunku i paliwa pozostaje stała:
- MZFW (nowy) = MZFW - 25 680 kg = 152 320 kg
- MTOW (nowy) = MTOW - 25 680 kg = 249 320 kg
Paliwo o masie 97 000 kg wymaga zmniejszonej masy maksymalnej, a zatem będzie miało większy zasięg, ponieważ maksymalna masa i maksymalny zasięg to wielkości odwrotnie proporcjonalne.
Używając prostych współczynników do obliczenia nowego zakresu:
249,320kG275,000kG=10,458kMXkM{\ Displaystyle {\ Frac {249 320 kg} {275 000 kg}} = {\ Frac {10 458 km} {Xkm}}}
Rozwiązanie dla X daje nowy zakres:
- X = 11535,18 km
Daje to nową wartość zużycia paliwa przy zmniejszonej masie = 97 000 kg/11 535,18 km = 8,409 kg/km
Dla porównania, na dystansie 10 000 km oszczędność paliwa wyniesie w przybliżeniu 8660 kg przy 20% zmniejszeniu masy własnej.
Wpływ środowiska
Istnieje możliwość recyklingu części ze statków powietrznych wycofanych z eksploatacji. [6]Następuje bardziej widoczne przesunięcie w kierunku zielonej inżynierii . Dzisiejsze społeczeństwo poświęca więcej uwagi i uwagi naszemu środowisku. Dotyczy to również produkcji materiałów kompozytowych.
Jak wspomniano wcześniej, kompozyty charakteryzują się mniejszą wagą i podobnymi wartościami wytrzymałościowymi jak materiały cięższe. Kiedy lżejszy kompozyt jest transportowany lub używany w celach transportowych, obciążenie dla środowiska jest mniejsze w porównaniu z cięższymi alternatywami. Kompozyty są również bardziej odporne na korozję niż materiały na bazie metali, co oznacza, że części będą trwać dłużej. [7] Czynniki te sprawiają, że kompozyty są dobrymi materiałami alternatywnymi z punktu widzenia ochrony środowiska.
Konwencjonalnie produkowane materiały kompozytowe są wykonane z włókien i żywic na bazie ropy naftowej i z natury nie ulegają biodegradacji. [8] Stanowi to poważny problem, ponieważ większość kompozytów trafia na wysypisko śmieci po zakończeniu cyklu życia kompozytu. [8] Prowadzone są znaczące badania nad biodegradowalnymi kompozytami wykonanymi z włókien naturalnych. [9] Odkrycie biodegradowalnych materiałów kompozytowych, które można łatwo wytwarzać na dużą skalę i które mają właściwości podobne do kompozytów konwencjonalnych, zrewolucjonizuje kilka gałęzi przemysłu, w tym przemysł lotniczy.
Alternatywną opcją wsparcia wysiłków na rzecz ochrony środowiska byłby recykling zużytych części ze wycofanych z eksploatacji samolotów. „Pozbawienie inżynierii” statku powietrznego jest złożonym i kosztownym procesem, ale może zaoszczędzić firmom pieniądze ze względu na wysokie koszty zakupu części z pierwszej ręki. [6]
Przyszłe materiały kompozytowe
Kompozyty z osnową ceramiczną
W Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) trwają intensywne prace nad opracowaniem lekkich, wysokotemperaturowych materiałów kompozytowych do zastosowania w częściach samolotów. Na podstawie wstępnych obliczeń przewidywane są temperatury na wlotach turbiny koncepcyjnego silnika sięgające 1650°C. [3] Aby materiały mogły wytrzymać takie temperatury, wymagane jest zastosowanie kompozytów z osnową ceramiczną (CMC). Zastosowanie CMC w zaawansowanych silnikach umożliwi również podniesienie temperatury, w której silnik może pracować, co doprowadzi do zwiększenia wydajności. [10] Chociaż CMC są obiecującymi materiałami konstrukcyjnymi, ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na brak odpowiednich materiałów wzmacniających, trudności w przetwarzaniu, trwałość i koszty.
Włókna jedwabiu pajęczego
Naukowcom nie udało się jeszcze w sposób doskonały zsyntetyzować jedwabiu pajęczego.Jedwab pajęczy to kolejny obiecujący materiał do wykorzystania w materiałach kompozytowych. Jedwab pajęczy charakteryzuje się dużą ciągliwością, pozwalającą na rozciągnięcie włókna aż do 140% jego normalnej długości. [11] Jedwab pajęczy zachowuje swoją wytrzymałość również w temperaturach tak niskich jak -40°C. [11] Te właściwości sprawiają, że jedwab pajęczy idealnie nadaje się do zastosowania jako materiał włóknisty w produkcji plastycznych materiałów kompozytowych, które zachowują swoją wytrzymałość nawet w nienormalnych temperaturach. Ciągliwe materiały kompozytowe będą korzystne dla samolotów w częściach, które będą poddawane zmiennym naprężeniom, takim jak połączenie skrzydła z głównym kadłubem. Zwiększona wytrzymałość, wytrzymałość i plastyczność takiego kompozytu umożliwi przyłożenie większych naprężeń do części lub połączenia, zanim nastąpi katastrofalna awaria. Kompozyty na bazie syntetycznego jedwabiu pajęczego będą również miały tę zaletę, że ich włókna będą ulegać biodegradacji.
Podejmowano wiele nieudanych prób odtworzenia jedwabiu pajęczego w laboratorium, ale nie udało się jeszcze osiągnąć doskonałej ponownej syntezy. [12]
Hybrydowe blachy stalowe kompozytowe
Innym obiecującym materiałem może być stal nierdzewna zbudowana z inspiracji kompozytami, włóknami nanontech i sklejką. Arkusze stalowe są wykonane z tego samego materiału i można je obrabiać i obrabiać dokładnie w taki sam sposób, jak konwencjonalną stal. Ale jest o kilka procent lżejszy przy tych samych mocach. Jest to szczególnie cenne w przypadku produkcji pojazdów. Zgłoszona do opatentowania szwedzka firma Lamera jest owocem badań prowadzonych w Volvo Industries.
Wniosek
Ze względu na wyższy stosunek wytrzymałości do masy materiały kompozytowe mają przewagę nad konwencjonalnymi materiałami metalicznymi; chociaż obecnie wytwarzanie kompozytów jest drogie. Dopóki nie zostaną wprowadzone techniki zmniejszające początkowe koszty wdrożenia i nie rozwiążą problemu braku biodegradowalności obecnych kompozytów, ten stosunkowo nowy materiał nie będzie w stanie całkowicie zastąpić tradycyjnych stopów metali.
Bibliografia
- ↑Skocz do:1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Modelowanie powierzchniowe materiałów kompozytowych – SIAG GD – Źródło: http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Materiały od A do Z – Kompozyty: podstawowe wprowadzenie – Źródło: http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Skocz do:3.0 3.1 INI International – Klucz do metali – Źródło: http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Skocz do:4.0 4.1 Boeing 787 Dreamliner ma złożony problem – Zimbio – Źródło: http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+kompozyt+problem
- ↑ Peeters, PM i in. - Efektywność paliwowa samolotów komercyjnych (str. 16) - Źródło: http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Skocz do:6.0 6.1 Kanał National Geographic – Stworzony przez człowieka: Samolot – Źródło: http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Badanie wpływu kompozytów na środowisko — pobrano pod adresem http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Skocz do:8.0 8.1 Textile Insight – Zielone kompozyty tekstylne – Źródło: http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Materiały od A do Z — Wysokowydajne materiały kompozytowe produkowane z biodegradowalnych tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami naturalnymi — Źródło: http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain – Universite Bordeaux – Kompozyty z matrycą ceramiczną – Źródło: http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Skocz do:11.0 11.1 Wydział Chemii – Uniwersytet w Bristolu – Źródło: http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science – Pająki wytwarzają złoty jedwab – Źródło: http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
