Articolul complet O nouă metodă de compensare a costurilor pentru deciziile privind materialele aeronavei bazate pe variabilă

articol de cercetare

Articol complet
Cifre și date
Referințe
Citații
Valori
Licențierea
Reimprimări și permisiuni
PDF

Abstract

Această lucrare prezintă o metodă simplă de analiză a compromisului monetar între costul crescător al materialului aeronavei și costul redus al combustibilului pentru avioane pentru sprijinirea procesului decizional în proiectarea de materiale noi ușoare, dar scumpe. Metoda ia în considerare factorul de creștere a greutății, ecuația gamei Breguet, rezistența specifică, costul materialului, prețul combustibilului și gama aeronavelor. O analiză a modelului relevă faptul că prețul în creștere al combustibilului poate schimba drastic materialele optime ale cadrului aerian de la aliaje de aluminiu vechi la materiale plastice armate cu fibră de carbon.

Declarație de interes public

Materiale noi ușoare, dar scumpe, cum ar fi materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP), sunt utilizate pe scară largă pentru cele mai noi căptușeli cu jet de economie de combustibil, cum ar fi Boeing B787 și Airbus A350. Cu toate acestea, în condițiile prețului scăzut al combustibilului după mijlocul anului 2014, sunt raportate vânzări constante pentru căptușelile de aluminiu vechi și mai puțin eficiente, la prețuri mai mici. Prin urmare, autorii au pus o întrebare dacă selectarea de noi materiale a contribuit la recompensarea afacerii și au propus o nouă metodă monetară de compromis care combină prețul combustibilului, gama aeronavelor, rezistența materialului și costul materialului pentru luarea deciziilor materiale pentru aeronave civile. O analiză model cu metoda relevă faptul că aliajele de aluminiu vechi sunt mai favorabile decât CFRP-urile pentru starea actuală, cu toate acestea, prețul mai ridicat al combustibilului, CFRP-urile cu costuri reduse și tehnologia îmbunătățită de fabricație aditivă (AM) pot aduce un avantaj drastic pentru CFRP-urile în viitoarele avioane proiecte.

1. Introducere

Prețurile țițeiului și combustibilului pentru avioane au atins un nivel maxim în 2008 și au rămas ridicate până la mijlocul anului 2014, datorită depășirii monetare și răspândirii tulburărilor în zonele de producție a țițeiului. Inginerii au fost astfel motivați să dezvolte o linie de zbor care să garanteze o eficiență excelentă a combustibilului prin schimbarea materialelor cadrelor aeriene de la aliaje de aluminiu vechi, cum ar fi Al-2024 și Al-7075, la noi materiale ușoare, dar mai scumpe, cum ar fi materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP) . (United States Governmental Accountability Office, 2014, 2016a; US Energy Information Administration, 2016b) (Figura 1).

Publicat online:

Figura 1. Prețurile lunare ale țițeiului și combustibilului pentru avioane, 1990–2015. (a) Prețul țițeiului, 1990-2016 (US Energy Information Administration,). (b) Prețul combustibilului pentru jet, 1990-2016 (Administrația SUA pentru informații energetice).

Fabricarea aditivă (AM) este o tehnologie care ajută la rezolvarea problemei de stagnare prin controlul muncii excesive, precum și oferind potențialul libertății de proiectare, fără necesitatea procesului de prelucrare a timpului și a operațiunilor la cerere pentru a permite un timp de inactivitate mai mic. Recenzii sistematice (Costabile, Fera, Fruggiero, Lambiase și Pham, 2017; Fera, Fruggiero, Lambiase și Maccharoli, 2016) și standardizarea (ASTM, 2012) sunt active pentru domeniile largi ale potențialelor aplicații AM, inclusiv CFRP (Kliftk, Koga, Todoroki, Ueda, Hirano și Matsuzaki, 2016), sugerând că reducerea drastică a costului ciclului de viață al aeronavei (CFCP) fabricat din CFRP a redus atât costul de producție, cât și cel de întreținere, reparații și revizie (MRO). Costul tipic de întreținere al unei aeronave CFRP a fost estimat la șapte procente din costul total de funcționare, cu intervale de trei ani pentru inspecția de bază (C-Check) și de 12 ani pentru întreținerea grea (D-Check) (Khwaja, 2006) . O astfel de întreținere nu va fi necesară în viitorul apropiat din cauza întreținerii la cerere bazate pe AM în timpul verificării de rutină după zbor. Astfel, metoda de analiză a compromisului pentru selectarea materialelor aeronavei trebuie să fie flexibilă în luarea în considerare a beneficiilor din punct de vedere al costului noilor tehnologii în evoluție rapidă legate de AM.

În această lucrare, studiem compromisul dintre costul combustibilului economisit saved C combustibil și creșterea costului structural structure Structura C, presupunând o schimbare a materialului structural al carcasei de la metale vechi la materiale noi, păstrând în același timp conceptul de design vechi. Aceasta a fost denumită abordarea „Black Metal”, în care componentele cadrelor au fost schimbate în CFRP tipice negre, păstrând în același timp conceptul de design al metalului din aluminiu de culoare argintie. Noile concepte de proiectare, cum ar fi ambarcațiunile „corpului aripii amestecate” (BWB), pot realiza pe deplin excelența CFRP-urilor în inovația aeronavei dincolo de designul convențional „tub și aripă”. Astfel, utilizarea abordării Black Metal poate fi o piatră de hotar în istoria proiectării aeronavelor. Cu toate acestea, deducem că conceptul Black Metal va continua cu proiectarea mainline a avioanelor pentru următoarele decenii, deoarece durata dezvoltării avioanelor comerciale folosind conceptul black metal este lungă. Începând cu subcomponenți mici din anii 1970, cum ar fi ușile de la trenul de aterizare, suprafețele de control și avioanele din spate, conceptul a progresat în anii 2010 către principalele componente ale aeronavelor cu rază lungă de acțiune, cum ar fi aripile principale și fuselajul.