Sử dụng các vật liệu khác nhau trong Boeing 787 Dreamliner. [1]

Vật liệu tổng hợp W được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp máy bay và đã cho phép các kỹ sư vượt qua những trở ngại gặp phải khi sử dụng các vật liệu riêng lẻ. Các vật liệu cấu thành giữ lại bản sắc của chúng trong vật liệu tổng hợp và không hòa tan hoặc hợp nhất hoàn toàn với nhau. Cùng với nhau, các vật liệu này tạo ra một vật liệu 'lai' có các đặc tính cấu trúc được cải thiện.

Sự phát triển của vật liệu composite trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt độ cao sẽ cho phép thế hệ tiếp theo của các thiết kế máy bay tiết kiệm, hiệu suất cao được hiện thực hóa. Việc sử dụng các vật liệu này sẽ làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí vận hành trực tiếp của máy bay.

Vật liệu composite có thể được tạo thành nhiều hình dạng khác nhau và nếu muốn, các sợi có thể được quấn chặt để tăng cường độ. Một tính năng hữu ích của vật liệu tổng hợp là chúng có thể được phân lớp, với các sợi trong mỗi lớp chạy theo một hướng khác nhau. Điều này cho phép một kỹ sư thiết kế các cấu trúc với các thuộc tính độc đáo. Ví dụ, một cấu trúc có thể được thiết kế sao cho nó uốn cong theo một hướng chứ không phải theo hướng khác. [2]

Tổng hợp các bài ghép cơ bản

Ví dụ về vật liệu composite cơ bản.

Trong hỗn hợp cơ bản, một vật liệu hoạt động như một ma trận hỗ trợ, trong khi một vật liệu khác xây dựng trên giàn giáo cơ sở này và củng cố toàn bộ vật liệu. Sự hình thành của vật liệu có thể là một quá trình tốn kém và phức tạp. Về bản chất, một ma trận vật liệu cơ bản được đặt trong khuôn dưới nhiệt độ và áp suất cao. Sau đó, epoxy hoặc nhựa được đổ lên vật liệu cơ bản, tạo ra vật liệu chắc chắn khi vật liệu composite được làm mát. Hỗn hợp cũng có thể được sản xuất bằng cách nhúng các sợi của vật liệu thứ cấp vào ma trận cơ bản.

Vật liệu tổng hợp có độ bền kéo tốt và khả năng chống nén, làm cho chúng phù hợp để sử dụng trong sản xuất bộ phận máy bay. Độ bền kéo của vật liệu đến từ bản chất xơ của nó. Khi một lực kéo được áp dụng, các sợi trong hỗn hợp thẳng hàng với hướng của lực tác dụng, tạo ra độ bền kéo của nó. Khả năng chống nén tốt có thể là do các đặc tính kết dính và độ cứng của hệ thống ma trận cơ sở. Vai trò của nhựa là duy trì các sợi như các cột thẳng và ngăn không cho chúng bị xô lệch.

Hàng không và vật liệu composite

Vật liệu composite rất quan trọng đối với ngành Hàng không vì chúng mang lại độ bền kết cấu tương đương với hợp kim kim loại, nhưng trọng lượng nhẹ hơn. Điều này dẫn đến cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và hiệu suất của máy bay. [3] [4]

Vai trò của vật liệu tổng hợp trong ngành hàng không

Sử dụng các vật liệu khác nhau trong Boeing 787 Dreamliner. [1]

Sợi thủy tinh là vật liệu tổng hợp phổ biến nhất và bao gồm các sợi thủy tinh được nhúng trong ma trận nhựa. Sợi thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi vào những năm 1950 cho tàu thuyền và ô tô. Sợi thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng trong máy bay chở khách Boeing 707 vào những năm 1950, nơi nó chiếm khoảng 2% cấu trúc. Mỗi thế hệ máy bay mới do Boeing chế tạo đều có tỷ lệ sử dụng vật liệu composite tăng lên; cao nhất là 50% sử dụng tổng hợp trong 787 Dreamliner .

Boeing 787 Dreamliner sẽ là máy bay thương mại đầu tiên có các bộ phận cấu trúc chính được làm bằng vật liệu composite thay vì hợp kim nhôm. [1] Sẽ có sự thay đổi từ vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh cổ xưa sang vật liệu tổng hợp carbon laminate và carbon sandwich tiên tiến hơn trong máy bay này. Đã xảy ra sự cố với hộp cánh của Dreamliner, nguyên nhân được cho là do vật liệu composite được sử dụng để chế tạo bộ phận không đủ độ cứng. [1] Điều này đã dẫn đến sự chậm trễ trong ngày giao hàng ban đầu của máy bay. Để giải quyết những vấn đề này, Boeing đang làm cứng các hộp cánh bằng cách thêm các giá đỡ mới vào các hộp cánh đã được chế tạo, đồng thời sửa đổi các hộp cánh chưa được chế tạo. [1]

Thử nghiệm vật liệu composite

Người ta thấy khó mô hình hóa chính xác hiệu suất của một bộ phận được chế tạo bằng composite bằng mô phỏng máy tính do tính chất phức tạp của vật liệu. Vật liệu tổng hợp thường được xếp chồng lên nhau để tăng độ bền, nhưng điều này làm phức tạp giai đoạn thử nghiệm trước khi sản xuất, vì các lớp được định hướng theo các hướng khác nhau, gây khó khăn cho việc dự đoán chúng sẽ hoạt động như thế nào khi thử nghiệm. [1]

Kiểm tra căng thẳng cơ học cũng có thể được thực hiện trên các bộ phận. Các thử nghiệm này bắt đầu với các mô hình tỷ lệ nhỏ, sau đó chuyển sang các phần lớn dần của cấu trúc và cuối cùng là cấu trúc đầy đủ. Các bộ phận cấu trúc được đưa vào các máy thủy lực uốn cong và xoắn chúng để bắt chước các ứng suất vượt xa các điều kiện xấu nhất có thể xảy ra trong các chuyến bay thực.

Yếu tố sử dụng vật liệu composite

Giảm trọng lượng là lợi thế lớn nhất của việc sử dụng vật liệu composite và là một trong những yếu tố chính trong các quyết định liên quan đến việc lựa chọn nó. Các ưu điểm khác bao gồm khả năng chống ăn mòn cao và khả năng chống hư hại do mỏi. Những yếu tố này đóng một vai trò trong việc giảm chi phí vận hành của máy bay trong thời gian dài, nâng cao hơn nữa hiệu quả của nó. Vật liệu tổng hợp có ưu điểm là chúng có thể được tạo thành hầu hết mọi hình dạng bằng cách sử dụng quy trình đúc, nhưng điều này lại gây ra vấn đề mô hình hóa vốn đã khó khăn.

Một bất lợi lớn về việc sử dụng vật liệu tổng hợp là chúng là một vật liệu tương đối mới và do đó có chi phí cao. Chi phí cao cũng là do quy trình chế tạo tốn nhiều công sức và thường phức tạp. Vật liệu tổng hợp khó kiểm tra các sai sót, trong khi một số trong số chúng hấp thụ độ ẩm.

Mặc dù nặng hơn, nhưng ngược lại, nhôm rất dễ sản xuất và sửa chữa. Nó có thể bị móp hoặc thủng mà vẫn giữ chặt với nhau. Vật liệu tổng hợp không như thế này; nếu hư hỏng phải sửa chữa ngay, rất khó khăn và tốn kém.

Tiết kiệm nhiên liệu với giảm trọng lượng

Mức tiêu thụ nhiên liệu phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm: trọng lượng khô của máy bay, trọng lượng tải trọng, tuổi của máy bay, chất lượng nhiên liệu, tốc độ không khí, thời tiết, v.v. Trọng lượng của các bộ phận máy bay làm bằng vật liệu composite giảm khoảng 20%, chẳng hạn như trong trường hợp của 787 Dreamliner. [4]

Một tính toán mẫu về tổng mức tiết kiệm nhiên liệu với trọng lượng rỗng giảm 20% sẽ được thực hiện dưới đây đối với máy bay Airbus A340-300.

Các giá trị mẫu ban đầu cho nghiên cứu điển hình này được lấy từ một nguồn bên ngoài. [5]

Được:

  • Trọng lượng rỗng vận hành (OEW): 129.300kg
  • Trọng lượng không nhiên liệu tối đa (MZFW): 178.000kg
  • Trọng lượng cất cánh tối đa (MTOW): 275.000kg
  • tối đa. Phạm vi @ Tối đa. Trọng lượng: 10,458km

Các đại lượng khác có thể được tính toán từ các số liệu đã cho ở trên:

  • Trọng lượng hàng hóa tối đa = MZFW - OEW = 48.700kg
  • Trọng lượng nhiên liệu tối đa = MTOW - MZFW = 97.000kg

Vì vậy, chúng ta có thể tính thêm mức tiêu thụ nhiên liệu theo kg/km dựa trên trọng lượng nhiên liệu tối đa và phạm vi tối đa = 97.000kg/10.458km = 9.275kg/km

Sau đây là phép tính tiết kiệm nhiên liệu dự kiến ​​với việc giảm 20% trọng lượng, điều này sẽ chỉ làm giảm 20% giá trị OEW:

  • OEW(mới) = 129.300kg * 0,8 = 103.440kg, tương đương với trọng lượng tiết kiệm được là 25.860kg.

Giả sử trọng lượng hàng hóa và nhiên liệu không đổi:

  • MZFW(mới) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
  • MTOW(mới) = MTOW - 25.680kg = 249.320kg

Khối lượng nhiên liệu 97.000kg có MTOW giảm để xử lý, và do đó sẽ có phạm vi hoạt động tăng lên vì trọng lượng tối đa và phạm vi tối đa tỷ lệ nghịch với nhau.

Sử dụng tỷ lệ đơn giản để tính toán phạm vi mới:

249,320kg275,000kg=10,458kmXkm{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}

Giải quyết cho X đưa ra một phạm vi mới của:

  • X = 11.535,18km

Điều này mang lại một giá trị mới cho mức tiêu thụ nhiên liệu với trọng lượng giảm = 97.000kg/11.535,18km = 8.409kg/km

Nói một cách dễ hiểu, trên hành trình 10.000 km , xe sẽ tiết kiệm được khoảng 8.660 kg nhiên liệu với trọng lượng rỗng giảm 20%.

Tác động môi trườngSửa

Có thể tái chế các bộ phận từ máy bay ngừng hoạt động. [6]

Có một sự thay đổi đang phát triển nổi bật hơn đối với Kỹ thuật Xanh . Môi trường của chúng ta ngày càng được xã hội ngày nay quan tâm và suy nghĩ nhiều hơn. Điều này cũng đúng đối với sản xuất vật liệu composite.

As mentioned previously, composites have a lighter weight and similar strength values as heavier materials. When the lighter composite is transported, or is used in a transport application, there is a lower environmental load compared to the heavier alternatives. Composites are also more corrosion-resistant than metallic based materials, which means that parts will last longer.[7] These factors combine to make composites good alternate materials from an environmental perspective.

Conventionally produced composite materials are made from petroleum based fibres and resins, and are non-biodegradable by nature.[8] This presents a significant problem as most composites end up in a landfill once the life cycle of a composite comes to an end.[8] There is significant research being conducted in biodegradable composites which are made from natural fibres.[9] The discovery of biodegradable composite materials that can be easily manufactured on a large-scale and have properties similar to conventional composites will revolutionize several industries, including the aviation industry.

An alternative option to aid environmental efforts would be to recycle used parts from decommissioned aircraft. The 'unengineering' of an aircraft is a complex and expensive process, but may save companies money due to the high cost of purchasing first-hand parts.[6]

Future composite materials

Ceramic matrix composites

Major efforts are underway to develop light-weight, high-temperature composite materials at National Aeronautics and Space Administration (NASA) for use in aircraft parts. Temperatures as high as 1650°C are anticipated for the turbine inlets of a conceptual engine based on preliminary calculations.[3] In order for materials to withstand such temperatures, the use of Ceramic Matrix Composites (CMCs) is required. The use of CMCs in advanced engines will also allow an increase in the temperature at which the engine can be operated, leading to increased yield.[10] Although CMCs are promising structural materials, their applications are limited due to lack of suitable reinforcement materials, processing difficulties, lifetime and cost.

Spider silk fibres

Scientists have as of yet been unable to perfectly re-synthesize spider silk.

Spider silk is another promising material for composite material usage. Spider silk exhibits high ductility, allowing stretching of a fibre up to 140% of its normal length.[11] Spider silk also holds its strength at temperatures as low as -40°C.[11] These properties make spider silk ideal for use as a fibre material in the production of ductile composite materials that will retain their strength even at abnormal temperatures. Ductile composite materials will be beneficial to an aircraft in parts that will be subject to variable stresses, such as the joining of a wing with the main fuselage. The increased strength, toughness and ductility of such a composite will allow greater stresses to be applied to the part or joining before catastrophic failure occurs. Synthetic spider silk based composites will also have the advantage that their fibres will be biodegradable.

Many unsuccessful attempts have been made at reproducing spider silk in a laboratory, but perfect re-synthesis has not yet been achieved.[12]

Hybrid composite steel sheets

Another promising material can be stainless steel constructed with inspiration from composites and nanontech-fibres and plywood. The sheets of steel is made of same material and is able to handle and tool exactly the same way as conventional steel. But is some percent lighter for the same strengths. This is especially valuable for vehicle manufacturing. Patent pending, swedish company Lamera is a spinoff from research within Volvo Industries.

Conclusion

Due to their higher strength-to-weight ratios, composite materials have an advantage over conventional metallic materials; although, currently it is expensive to fabricate composites. Until techniques are introduced to reduce initial implementation costs and address the issue of non-biodegradability of current composites, this relatively new material will not be able to completely replace traditional metallic alloys.

References

  1. Jump up to: 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Surface Modelling for Composite Materials - SIAG GD - Retrieved at http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
  2. A to Z of Materials - Composites: A Basic Introduction - Retrieved at http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
  3. Jump up to: 3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Retrieved at http://www.keytometals.com/Article103.htm
  4. Jump up to: 4.0 4.1 Boeing's 787 Dreamliner Has a Composite Problem - Zimbio - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
  5. Peeters, P.M. et al. - Fuel efficiency of commercial aircraft (pg. 16) - Retrieved at http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
  6. Jump up to: 6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Retrieved from http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
  7. A study of the environmental impact of composites - Retrieved at http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
  8. Jump up to: 8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - Retrieved at http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
  9. A to Z of Materials - High Performance Composite Materials Produced from Biodegradable Natural Fibre Reinforced Plastics - Retrieved at http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
  10. R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
  11. Jump up to: 11.0 11.1 Department of Chemistry - University of Bristol - Retrieved at http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
  12. Wired Science - Spiders Make Golden Silk - Retrieved at http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
Page data
Part of MECH370
Keywords aircraft, materials, materials processing
Authors B.S.Kukreja, Johan Löfström
Published 2009
License CC-BY-SA-4.0
Affiliations Queen's University
Derivatives Composites dans l'industrie aéronautique , Verbundwerkstoffe in der Flugzeugindustrie
Va chạmNumber of views to this page and its redirects. Updated once a month. Views by admins and bots are not counted. Multiple views during the same session are counted as one.123,499
Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies.