Kompozyty w przemyśle lotniczym

To jest strona tematyczna . Appropedia koncentruje się na oryginalnych badaniach , ale ta strona zapewnia użyteczny kontekst i pomaga poruszać się po witrynie. Możesz pomóc Appropedii, ulepszając tę ​​stronę .Czytaj więcej...

Materiały kompozytowe ^W są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym i pozwoliły inżynierom pokonać przeszkody, które napotykano podczas indywidualnego stosowania materiałów. Materiały składowe zachowują swoją tożsamość w materiałach kompozytowych i nie rozpuszczają się ani nie łączą się ze sobą całkowicie. Razem materiały tworzą materiał „hybrydowy”, który ma ulepszone właściwości strukturalne.

Rozwój lekkich, odpornych na wysokie temperatury materiałów kompozytowych umożliwi materializację następnej generacji wydajnych, ekonomicznych projektów samolotów. Zastosowanie takich materiałów zmniejszy zużycie paliwa, poprawi wydajność i obniży bezpośrednie koszty operacyjne samolotów.

Materiały kompozytowe można formować w różne kształty, a jeśli jest to pożądane, włókna można ciasno zwijać, aby zwiększyć wytrzymałość. Przydatną cechą materiałów kompozytowych jest to, że można je układać warstwami, przy czym włókna w każdej warstwie biegną w innym kierunku. Pozwala to inżynierowi projektować struktury o unikalnych właściwościach. Na przykład strukturę można zaprojektować tak, aby zginała się w jednym kierunku, ale nie w innym. ^[2]

Synteza kompozytów podstawowych

W podstawowym kompozycie jeden materiał działa jako matryca nośna, podczas gdy inny materiał buduje na tym rusztowaniu bazowym i wzmacnia cały materiał. Formowanie materiału może być kosztownym i złożonym procesem. W istocie matryca materiału bazowego jest układana w formie pod wysoką temperaturą i ciśnieniem. Następnie na materiał bazowy wylewa się żywicę epoksydową lub żywicę , tworząc mocny materiał po schłodzeniu materiału kompozytowego. Kompozyt można również wytworzyć przez osadzanie włókien materiału wtórnego w matrycy bazowej.

Kompozyty mają dobrą wytrzymałość na rozciąganie i odporność na ściskanie, co czyni je odpowiednimi do stosowania w produkcji części lotniczych. Wytrzymałość na rozciąganie materiału wynika z jego włóknistej natury. Gdy zostanie przyłożona siła rozciągająca, włókna w kompozycie ustawiają się zgodnie z kierunkiem przyłożonej siły, co daje wytrzymałość na rozciąganie. Dobrą odporność na ściskanie można przypisać właściwościom adhezyjnym i sztywnościowym systemu matrycy bazowej. Rolą żywicy jest utrzymanie włókien jako prostych kolumn i zapobieganie ich wyboczeniu.

Lotnictwo i materiały kompozytowe

Materiały kompozytowe są ważne dla przemysłu lotniczego, ponieważ zapewniają wytrzymałość strukturalną porównywalną do stopów metali, ale przy mniejszej wadze. Prowadzi to do poprawy efektywności paliwowej i wydajności samolotu. ^{[3] [4]}

Rola materiałów kompozytowych w przemyśle lotniczym

Włókno szklane jest najpopularniejszym materiałem kompozytowym i składa się z włókien szklanych zatopionych w matrycy żywicznej. Włókno szklane po raz pierwszy szeroko zastosowano w latach 50. XX wieku w łodziach i samochodach. Włókno szklane po raz pierwszy zastosowano w samolocie pasażerskim Boeing 707 w latach 50. XX wieku, gdzie stanowiło około dwóch procent konstrukcji. Każda generacja nowych samolotów zbudowanych przez Boeinga miała zwiększony procent wykorzystania materiałów kompozytowych; najwyższy był 50% wykorzystania kompozytów w 787 Dreamliner .

Boeing 787 Dreamliner będzie pierwszym komercyjnym samolotem, w którym główne elementy konstrukcyjne wykonane są 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 warstwowych z włókna węglowego. Wystąpiły problemy z korpusem skrzydła Dreamlinera, które przypisano niewystarczającej sztywności materiałów kompozytowych użytych do budowy części. ^[1] Doprowadziło to do opóźnień w początkowych datach dostawy samolotu. Aby rozwiązać te problemy, Boeing usztywnia korpusy skrzydeł, dodając nowe wsporniki do już zbudowanych korpusów skrzydeł, jednocześnie modyfikując korpusy skrzydeł, które mają zostać jeszcze zbudowane. ^[1]

Badanie materiałów kompozytowych

Trudno jest dokładnie modelować wydajność części wykonanej z kompozytu za pomocą symulacji komputerowej ze względu na złożoną naturę materiału. Kompozyty są często układane warstwami jedna na drugiej w celu zwiększenia wytrzymałości, ale komplikuje to fazę testowania przed produkcją, ponieważ warstwy są zorientowane w różnych kierunkach, co utrudnia przewidywanie, jak będą się zachowywać podczas testów. ^[1]

Testy wytrzymałości mechanicznej można również przeprowadzać na częściach. Testy te zaczynają się od modeli w małej skali, następnie przechodzą do stopniowo większych części konstrukcji, a na końcu do całej konstrukcji. Części konstrukcyjne są umieszczane w maszynach hydraulicznych, które je wyginają i skręcają, aby naśladować naprężenia wykraczające daleko poza najgorsze oczekiwane warunki w rzeczywistych lotach.

Czynniki wykorzystania materiałów kompozytowych

Redukcja masy jest największą zaletą stosowania materiałów kompozytowych i jest jednym z kluczowych czynników w decyzjach dotyczących ich wyboru. Inne zalety to wysoka odporność na korozję i odporność na uszkodzenia spowodowane zmęczeniem. Czynniki te odgrywają rolę w redukcji kosztów eksploatacji samolotu w dłuższej perspektywie, dodatkowo poprawiając jego wydajność. Kompozyty mają tę zaletę, że można je formować w niemal dowolny kształt za pomocą procesu formowania, ale to pogłębia i tak już trudny problem modelowania.

Główną wadą stosowania materiałów kompozytowych jest to, że są one stosunkowo nowym materiałem, a jako takie są drogie. Wysokie koszty przypisuje się również pracochłonnemu i często złożonemu procesowi wytwarzania. Materiały kompozytowe trudno jest sprawdzić pod kątem wad, a niektóre z nich pochłaniają wilgoć.

Mimo że jest cięższe, aluminium jest łatwe w produkcji i naprawie. Można je wgiąć lub przebić i nadal trzymać się razem. Kompozyty nie są takie; jeśli zostaną uszkodzone, wymagają natychmiastowej naprawy, co jest trudne i kosztowne.

Oszczędność paliwa dzięki zmniejszonej masie

Zużycie paliwa zależy od kilku zmiennych, w tym: suchej masy samolotu, masy ładunku, wieku samolotu, jakości paliwa, prędkości powietrza, pogody i innych czynników. Masa elementów samolotu wykonanych z materiałów kompozytowych jest zmniejszona o około 20%, jak w przypadku 787 Dreamliner. ^[4]

Poniżej przedstawiono przykładowe obliczenia całkowitych oszczędności paliwa przy 20-procentowej redukcji masy własnej samolotu AirbusA340-300 .

Początkowe wartości próbek dla tego studium przypadku uzyskano ze źródła zewnętrznego. ^[5]

Dany:

• Masa własna pojazdu (OEW): 129 300 kg
• Maksymalna masa bez paliwa (MZFW): 178 000 kg
• Maksymalna masa startowa (MTOW): 275 000 kg
• Maksymalny zasięg przy maks. masie: 10 458 km

Na podstawie powyższych danych można obliczyć inne wielkości:

• 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 na podstawie maksymalnej masy paliwa i maksymalnego zasięgu = 97 000 kg/10 458 km = 9,275 kg/km

Poniżej przedstawiono obliczenia przewidywanych oszczędności paliwa przy 20-procentowej redukcji masy, co spowoduje zmniejszenie wartości OEW jedynie o 20%:

• OEW (nowy) = 129 300 kg * 0,8 = 103 440 kg, co daje oszczędność masy wynoszącą 25 860 kg.

Zakładając, że masa ładunku i paliwa pozostaje stała:

• MZFW (nowy) = MZFW - 25 680 kg = 152 320 kg
• MTOW (nowa) = MTOW - 25 680 kg = 249 320 kg

Masa paliwa wynosząca 97 000 kg wymaga zmniejszonej maksymalnej masy startowej (MTOW), a co za tym idzie, większego zasięgu, gdyż maksymalna masa i maksymalny zasięg to wartości odwrotnie proporcjonalne.

Oblicz nowy zakres, używając prostych współczynników:

249,320kG275,000kG=10,458kMXkM{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}

Rozwiązanie dla X daje nowy zakres:

• X = 11,535.18km

Daje to nową wartość zużycia paliwa przy zmniejszonej masie = 97 000 kg/11 535,18 km = 8,409 kg/km

Dla porównania, na trasie liczącej 10 000 km oszczędność paliwa wyniesie około 8660 kg , a masa własna zmniejszy się o 20%.

Wpływ środowiska

Coraz bardziej widoczna jest zmiana w kierunku Green Engineering . Dzisiejsze społeczeństwo poświęca naszemu środowisku więcej uwagi i myśli. Dotyczy to również produkcji materiałów kompozytowych.

Jak wspomniano wcześniej, materiały kompozytowe mają mniejszą wagę i podobne wartości wytrzymałości jak cięższe materiały. Gdy lżejszy kompozyt jest transportowany lub używany w transporcie, obciążenie środowiskowe jest mniejsze w porównaniu z cięższymi alternatywami. Materiały kompozytowe są również bardziej odporne na korozję niż materiały na bazie metali, co oznacza, że ​​części będą trwalsze. ^[7] Czynniki te łączą się, aby kompozyty były dobrymi materiałami alternatywnymi z perspektywy środowiskowej.

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 materiałów kompozytowych trafia na wysypisko śmieci po zakończeniu cyklu życia kompozytu. ^[8] Prowadzone są znaczące badania nad biodegradowalnymi materiałami kompozytowymi, które są wykonane z włókien naturalnych. ^[9] Odkrycie biodegradowalnych materiałów kompozytowych, które można łatwo produkować na dużą skalę i które mają właściwości podobne do konwencjonalnych materiałów kompozytowych, zrewolucjonizuje wiele gałęzi przemysłu, w tym przemysł lotniczy.

Alternatywną opcją w celu wsparcia wysiłków na rzecz ochrony środowiska byłoby recykling zużytych części z wycofanych z eksploatacji samolotów. „Odinżynierowanie” samolotu jest złożonym i kosztownym procesem, ale może zaoszczędzić firmom pieniądze ze względu na wysoki koszt zakupu części z pierwszej ręki. ^[6]

Przyszłe materiały kompozytowe

Kompozyty z matrycą ceramiczną

Trwają duże wysiłki w celu opracowania lekkich, wysokotemperaturowych materiałów kompozytowych w Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) do zastosowania w częściach samolotów. Przewiduje się, że wloty turbiny koncepcyjnego silnika będą miały temperatury sięgające 1650°C, na podstawie wstępnych obliczeń. ^[3] Aby materiały mogły wytrzymać takie temperatury, konieczne jest zastosowanie kompozytów z matrycą ceramiczną (CMC). Zastosowanie CMC w zaawansowanych silnikach umożliwi również zwiększenie temperatury, w której silnik może pracować, co doprowadzi do zwiększenia wydajności. ^[10] Chociaż CMC są obiecującymi materiałami konstrukcyjnymi, ich zastosowania są ograniczone ze względu na brak odpowiednich materiałów wzmacniających, trudności w przetwarzaniu, żywotność i koszty.

Włókna jedwabiu pajęczego

Jedwab pajęczy to kolejny obiecujący materiał do wykorzystania w materiałach kompozytowych. Jedwab pajęczy wykazuje wysoką ciągliwość, umożliwiając rozciągnięcie włókna do 140% jego normalnej długości. ^[11] Jedwab pajęczy zachowuje również swoją wytrzymałość w temperaturach tak niskich jak -40°C. ^[11] Te właściwości sprawiają, że jedwab pajęczy idealnie nadaje się do wykorzystania jako materiał włóknisty w produkcji ciągliwych materiałów kompozytowych, które zachowają swoją wytrzymałość nawet w nienormalnych temperaturach. Ciągliwe materiały kompozytowe będą korzystne dla samolotu w częściach, które będą narażone na zmienne naprężenia, takie jak łączenie skrzydła z głównym kadłubem. Zwiększona wytrzymałość, wytrzymałość i ciągliwość takiego kompozytu pozwoli na zastosowanie większych naprężeń w części lub łączenie przed wystąpieniem katastrofalnej awarii. Kompozyty na bazie syntetycznego jedwabiu pajęczego będą miały również tę zaletę, że ich włókna będą biodegradowalne.

Podjęto wiele nieudanych prób odtworzenia jedwabiu pajęczego w laboratorium, ale do tej pory nie udało się osiągnąć idealnej resyntezy. ^[12]

Hybrydowe kompozytowe blachy stalowe

Innym obiecującym materiałem może być stal nierdzewna, która powstała z inspiracji kompozytami i włóknami nanotechnologicznymi oraz sklejką. Arkusze stali są wykonane z tego samego materiału i można je obrabiać i obrabiać dokładnie tak samo jak konwencjonalną stal. Ale są o kilka procent lżejsze przy tej samej wytrzymałości. Jest to szczególnie cenne w produkcji pojazdów. Oczekująca na patent, szwedzka firma Lamera jest spin-offem badań w Volvo Industries.

Wniosek

Ze względu na wyższy stosunek wytrzymałości do masy materiały kompozytowe mają przewagę nad konwencjonalnymi materiałami metalowymi; chociaż obecnie wytwarzanie materiałów kompozytowych jest drogie. Dopóki nie zostaną wprowadzone techniki obniżające początkowe koszty wdrożenia i nie zostaną rozwiązane kwestie niebiodegradowalności obecnych materiałów kompozytowych, ten stosunkowo nowy materiał nie będzie w stanie całkowicie zastąpić tradycyjnych stopów metali.

Bibliografia

Dane strony

Część	MECH370
Słowa kluczowe	samolot , materiały , obróbka materiałów
Autorski	BSKukreja , Johan Löfström
Licencja	CC-BY-SA-3.0
Organizacje	Uniwersytet Królowej
Język	Angielski (pl)
Tłumaczenia	Hiszpański , Włoski , Włoski , Portugalski , Słowacki , Rosyjski , Hebrajski , Holenderski , Francuski , Turecki
Powiązany	22 podstrony , 29 stron link tutaj
Skróty	Zastosowanie materiałów kompozytowych w przemyśle lotniczym
Uderzenie	86 287 odsłon
Utworzony	29 października 2009 przez BSKukreja
Zmodyfikowany	31 maja 2024 przez Emilio Velis
Cytuj jako	BSKukreja , Johan Löfström (2009–2024). „Kompozyty w przemyśle lotniczym” . Dostępna w Appropedii . Pobrano 5 lipca 2024 r .
Zapytania API	podstawowy , semantyczny , html , pliki , więcej