Повна стаття Новий метод компромісу з ваговою вагою для прийняття рішень щодо матеріалів планера на основі змінних

Стаття дослідження

Повна стаття
Цифри та дані
Список літератури
Цитати
Метрики
Ліцензування
Передруки та дозволи
PDF

Анотація

У цій роботі представлений простий метод для аналізу грошового компромісу між зростанням вартості матеріалів планера та зниженою вартістю реактивного палива для підтримки прийняття рішень при розробці легких, але дорогих нових матеріалів. Метод враховує коефіцієнт зростання ваги, рівняння дальності Бреге, питому міцність, вартість матеріалу, ціну палива та дальність літака. Модельний аналіз показує, що зростання ціни на паливо може кардинально змінити оптимальні матеріали планера від застарілих алюмінієвих сплавів до армованих вуглецевим волокном пластмас.

Заява про суспільний інтерес

Легкі, але дорогі нові матеріали, такі як армовані вуглецевими волокнами пластмаси (CFRP), широко застосовуються для найновіших реактивних лайнерів, що економить паливо, таких як Boeing B787 та Airbus A350. Однак за умов низьких цін на паливо після середини 2014 року повідомляється про постійні продажі дешевших, старих та менш ефективних застарілих алюмінієвих вкладишів. Тому автори поставили питання, чи відбір нових матеріалів сприяв вигідності бізнесу, і запропонували новий метод грошової компроміси, що поєднує ціну палива, дальність літака, міцність матеріалу та матеріальні витрати для прийняття рішення матеріали цивільної авіації. Аналіз моделі за допомогою цього методу виявляє, що застарілі алюмінієві сплави вигідніші за CFRP для нинішніх умов, однак більш висока ціна палива, CFRP із зниженою вартістю та вдосконалена технологія виробництва добавок (AM) можуть забезпечити значну перевагу для CFRP у майбутніх авіаційних проектах.

1. Вступ

Ціни на сиру нафту та реактивне паливо досягли максимуму в 2008 році і залишалися високими до середини 2014 року через перевищення грошової маси та розповсюдження заворушень у районах видобутку сирої нафти. Таким чином, інженерів було спонукано розробити авіалайнер, який гарантує чудову економію палива, замінюючи матеріали планера із старих алюмінієвих сплавів, таких як Al-2024 та Al-7075, на нові легкі, але більш дорогі матеріали, такі як армовані вуглецевим волокном пластмаси (CFRP) (Управління урядової відповідальності США, 2014, 2016a; Адміністрація з питань енергетичної інформації США, 2016b) (Малюнок 1).

Опубліковано в Інтернеті:

Рисунок 1. Щомісячні ціни на сиру нафту та реактивне паливо, 1990–2015 рр. (а) Ціна на сиру нафту, 1990-2016 (Управління енергетичної інформації США,). (b) Ціна реактивного палива, 1990-2016 рр. (Управління енергетичної інформації США,).

Аддитивне виробництво (АМ) - це технологія, яка допомагає вирішити проблему стагнації, контролюючи надмірну роботу, а також забезпечуючи потенціал дизайнерської свободи, відсутність необхідності витрачати час на процес обробки та операції за запитом, щоб зменшити час простою. Систематичні огляди (Costabile, Fera, Fruggiero, Lambiase, & Pham, 2017; Fera, Fruggiero, Lambiase, & Maccharoli, 2016) та стандартизація (ASTM, 2012) активні для широких сфер потенційних застосувань AM, включаючи CFRP (Kliftk, Koga, Todoroki, Ueda, Hirano, & Matsuzaki, 2016), маючи на увазі, що різке зменшення витрат на життєвий цикл планера, виготовлених CFRP, знизило вартість виробництва, а також вартість обслуговування, ремонту та капітального ремонту (MRO). Типові витрати на технічне обслуговування планера CFRP оцінюються у сім відсотків загальних експлуатаційних витрат, з інтервалами у три роки для базової інспекції (C-Check) та 12 років для важкого технічного обслуговування (D-Check) (Khwaja, 2006) . Таке технічне обслуговування найближчим часом не знадобиться через технічне обслуговування на вимогу під час регулярної післяпольової перевірки. Таким чином, метод аналізу компромісу для вибору матеріалів планера повинен бути гнучким, враховуючи економічну вигоду швидко розвиваються нових технологій, що стосуються AM.

У цій роботі ми вивчаємо компроміс між заощадженою вартістю палива Δ C палива та зростанням структурної вартості Δ C структури, припускаючи зміну конструкційного матеріалу планера від старих металів до нових матеріалів, зберігаючи при цьому застарілу концепцію дизайну. Це було названо підходом "Чорний метал", при якому компоненти планера були замінені на типово чорні CFRP, зберігаючи концепцію дизайну алюмінієвого металу срібного кольору. Нові дизайнерські концепції, такі як "змішане тіло крила" (BWB), можуть повністю усвідомити досконалість CFRP в інноваційних конструкціях планера за рамками звичайної конструкції "труби і крила". Таким чином, використання підходу Black Metal може стати віхою в історії проектування літаків. Однак ми прийшли до висновку, що концепція Black Metal буде продовжувати працювати з основним дизайном авіалайнерів протягом наступних кількох десятиліть, оскільки тривалість розробки комерційних реактивних лайнерів із використанням концепції black metal тривала. Починаючи з невеликих підкомпонентів у 1970-х роках, таких як двері відсіку шасі, контрольні поверхні та хвостові площини, в 2010-х концепція перейшла до основних компонентів літаків великої дальності, таких як основні крила та фюзеляж.