14.2 Design mod træthed
Der kan træffes forskellige forholdsregler for at sikre, at et fly har en passende træthedslevetid. Vi så i kapitel 10, at de tidlige aluminium-zinklegeringer besad høje brud- og prøvebelastninger, men var modtagelige for tidlig svigt under udmattelsesbelastning; valg af materialer er derfor vigtigt. De naturligt ældede aluminium-kobberlegeringer har en god træthedsbestandighed, men med lavere statisk styrke. Moderne forskning koncentrerer sig om legeringer, der kombinerer høj styrke med høj udmattelsesmodstand.
Det er lige så vigtigt at være opmærksom på detaljerne i konstruktionen. Der kan opstå spændingskoncentrationer ved skarpe hjørner og pludselige ændringer i snit. Der bør derfor være fileter ved indadgående hjørner, og udskæringer, f.eks. vinduer og adgangspaneler, bør forstærkes. I bearbejdede paneler bør materialetykkelsen øges omkring bolthuller, mens huller i primære boltforbindelser bør rømmes for at forbedre overfladekvaliteten; overfladeridser og maskinmærker er kilder til initiering af træthedssprækker. Joggles i stærkt belastede elementer bør undgås, mens asymmetri kan forårsage yderligere spændinger som følge af bøjning.
Ud over en forsvarlig strukturel og detaljeret udformning er det nødvendigt med en vurdering af antallet, frekvensen og størrelsen af de svingende belastninger, som et luftfartøj udsættes for. Træthedsbelastningsspektret begynder, når luftfartøjet taxerer til sin startposition. Under rulning kan flyet manøvrere over ujævnt terræn med fuld nyttelast, således at f.eks. vingespændingerne er større end i det statiske tilfælde. Under start og stigning og under nedstigning og landing er flyet også udsat for de største belastningsudsving. Understellet trækkes ind og ud, flapsene hæves og sænkes, der er stød ved landing, flyet skal udføre manøvrer, og endelig oplever flyet, som vi skal se, et større antal vindstød end under marchflyvning.
De belastninger, der svarer til disse forskellige faser, skal beregnes, før de tilhørende belastninger kan fås. F.eks. er vingernes bøjningsspændinger og forskydningsspændinger som følge af forskydning og torsion under starten baseret på flyets samlede vægt, herunder fulde brændstoftanke, og den maksimale nyttelast, alle faktoriseret med 1,2 for at tage højde for et bump under hver start på en hård bane eller med 1,5 for en start fra græs. De belastninger, der opstår under jævnflyvning og symmetriske manøvrer, beregnes ved hjælp af de metoder, der er beskrevet i afsnit 13.2. Ud fra disse værdier kan fordelinger af forskydningskraft, bøjningsmoment og drejningsmoment findes i f.eks. vingen ved at integrere løftefordelingen. Belastninger som følge af vindstød beregnes ved hjælp af de metoder, der er beskrevet i afsnit 13.4. Således er belastningsfaktoren som følge af et enkelt ækvivalent skarptkantet vindstød givet ved enten Eq. (13.25) eller (13.26).
Men selv om det er relativt enkelt at bestemme antallet af belastningsudsving i løbet af en jord-luft-jord-cyklus forårsaget af standardoperationer som f.eks. at køre flaps op og ned eller at køre ind og ud af understellet, er det vanskeligere at vurdere antallet og størrelsen af vindstød, som et fly vil møde. F.eks. er der et større antal vindstød i lav højde (under start, stigning og nedstigning) end i høj højde (under marchflyvning). Terrænet (hav, fladt land, bjerge) har også indflydelse på antallet og størrelsen af vindstød, og det samme gælder vejret. Anvendelse af radar gør det muligt for flyene at undgå cumulus, hvor vindstød er fremherskende, men har kun ringe effekt i lav højde under stigningen og nedstigningen, hvor skyerne ikke let kan undgås. ESDU (Engineering Sciences Data Unit) har udarbejdet vindstøddata på grundlag af oplysninger, der er indsamlet af vindstødoptagere, som flyene medbringer. Disse viser i grafisk form (l10 versus h-kurver, hvor h er højden) den gennemsnitlige afstand, der flyves i forskellige højder for at støde på en vindstød med en hastighed på mere end ±3,05 m/s. Desuden angiver vindstødfrekvenskurverne antallet af vindstød med en given hastighed pr. 1000 vindstød med en hastighed på 3,05 m/s. Ved at kombinere begge datasæt kan vindstødoverskridelsen beregnes, dvs. antallet af vindstødcyklusser med en hastighed større end eller lig med en given hastighed pr. flyvekilometer.
Da et luftfartøj er udsat for det største antal belastningsudsving under taxi-take-off-climb og descent-standoff-landing, mens der kun sker få skader under cruise, afhænger et luftfartøjs udmattelseslevetid ikke af antallet af flyvetimer, men af antallet af flyvninger. Flyenes operationelle krav er imidlertid forskellige fra klasse til klasse. Airbus skal have en levetid uden udmattelsesrevner på 24.000 flyvninger eller 30.000 timer, mens dens økonomiske reparationslevetid er 48.000 flyvninger eller 60.000 timer; dens landingsstel er derimod konstrueret til en sikker levetid på 32.000 flyvninger, hvorefter det skal udskiftes. På den anden side har BAe 146, som har et større antal kortere flyvninger pr. dag end Airbus, en specificeret levetid uden revner på 40.000 flyvninger og en økonomisk reparationslevetid på 80.000 flyvninger. Selv om disse tal er operationelle krav, er træthed af en sådan art, at det er usandsynligt, at alle fly af en given type opfylder dem. Af det samlede antal Airbus-fly opfylder mindst 90 procent disse værdier, og 50 procent er bedre; det er klart, at hyppige inspektioner er nødvendige i løbet af et flys levetid.