14.2 Ontwerpen tegen vermoeiing
Er kunnen verschillende voorzorgsmaatregelen worden genomen om ervoor te zorgen dat een vliegtuig een voldoende vermoeiingslevensduur heeft. We zagen in hoofdstuk 10 dat de vroege aluminium-zinklegeringen hoge uiterste en trekspanningen bezaten, maar gevoelig waren voor vroegtijdige bezwijken onder vermoeiingsbelasting; de materiaalkeuze is daarom belangrijk. De natuurlijk verouderde aluminium-koper legeringen bezitten een goede weerstand tegen vermoeiing, maar met lagere statische sterktes. Modern onderzoek concentreert zich op legeringen die een hoge sterkte combineren met een hoge weerstand tegen vermoeiing.
Aandacht voor detailontwerp is even belangrijk. Spanningsconcentraties kunnen ontstaan bij scherpe hoeken en abrupte veranderingen in doorsnede. Daarom moeten in inspringende hoeken hoekprofielen worden aangebracht en moeten uitsparingen, zoals ramen en toegangspanelen, worden versterkt. In machinaal bewerkte panelen moet de materiaaldikte rond boutgaten worden vergroot, terwijl gaten in primaire boutverbindingen moeten worden geruimd om de oppervlakteafwerking te verbeteren; oppervlaktekrassen en machinale markeringen zijn bronnen van het ontstaan van vermoeiingsscheuren. Joggles in highly stressed members should be avoided, while asymmetry can cause additional stresses due to bending.
In addition to sound structural and detail design, an estimation of the number, frequency, and magnitude of the fluctuating loads an aircraft encounters is necessary. Het spectrum van vermoeiingsbelastingen begint wanneer het vliegtuig taxiet naar zijn startpositie. Tijdens het taxiën kan het vliegtuig over een oneffen ondergrond manoeuvreren met een volle lading, zodat bijvoorbeeld de vleugelspanningen groter zijn dan in het statische geval. Ook tijdens het opstijgen en klimmen en tijdens het dalen en landen is het vliegtuig onderhevig aan de grootste belastingsschommelingen. Het landingsgestel wordt ingetrokken en neergelaten; de vleugelkleppen worden op- en neergelaten; er is de impact bij de landing; het vliegtuig moet manoeuvres uitvoeren; en tenslotte ondervindt het vliegtuig, zoals we zullen zien, een groter aantal rukwinden dan tijdens de kruisvlucht.
De belastingen die overeenkomen met deze verschillende fasen moeten worden berekend voordat de bijbehorende spanningen kunnen worden verkregen. Bijvoorbeeld, tijdens de start zijn de vleugelbuigspanningen en de schuifspanningen als gevolg van afschuiving en torsie gebaseerd op het totale gewicht van het vliegtuig, met inbegrip van volle brandstoftanks, en het maximale laadvermogen, alle verdisconteerd met 1,2 om rekening te houden met een hobbel tijdens elke start op een harde startbaan of met 1,5 voor een start vanaf gras. De belastingen tijdens horizontale vlucht en symmetrische manoeuvres worden berekend met behulp van de in paragraaf 13.2 beschreven methoden. Uit deze waarden kunnen verdelingen van dwarskracht, buigmoment en koppel in, bijvoorbeeld, de vleugel worden gevonden door de liftverdeling te integreren. Belastingen ten gevolge van rukwinden worden berekend volgens de methoden beschreven in paragraaf 13.4. Aldus wordt, ten gevolge van een enkele equivalente scherpe rukwind, de belastingsfactor gegeven door Eq. (13.25) of (13.26).
Hoewel het een betrekkelijk eenvoudige zaak is om het aantal belastingsschommelingen tijdens een grond-lucht-grond cyclus te bepalen, veroorzaakt door standaard handelingen, zoals het op- en neerlaten van de vleugelkleppen of het intrekken en neerlaten van het landingsgestel, is het moeilijker om het aantal en de omvang van de rukwinden te schatten waarmee een vliegtuig te maken zal krijgen. Er zijn bijvoorbeeld meer windvlagen op lage hoogte (tijdens de start, de klim en de daling) dan op grote hoogte (tijdens de kruisvlucht). Ook het terrein (zee, vlak land, bergen) is van invloed op het aantal en de omvang van de windvlagen, evenals het weer. Het gebruik van radar stelt vliegtuigen in staat cumulus te vermijden, waar windvlagen heersen, maar heeft weinig effect op lage hoogte tijdens de klim en de daling, waar wolken niet gemakkelijk kunnen worden ontweken. De ESDU (Engineering Sciences Data Unit) heeft gegevens over windvlagen geproduceerd op basis van informatie die is verzameld door vlagenrecorders aan boord van vliegtuigen. Deze tonen in grafische vorm (l10 versus h-curves, waarbij h de hoogte is) de gemiddelde afstand die op verschillende hoogten wordt gevlogen voor een windvlaag met een snelheid van meer dan ±3,05 m/s. Bovendien geven de windvlaagfrequentiecurven het aantal windvlagen van een bepaalde snelheid per 1000 windvlagen met een snelheid van 3,05 m/s. Door beide reeksen gegevens te combineren kan de windvlaagoverschrijding worden berekend, d.w.z. het aantal windvlaagcycli met een snelheid groter dan of gelijk aan een bepaalde snelheid per vliegkilometer.
Omdat een vliegtuig tijdens het taxiën- opstijgen en dalen-landen aan het grootste aantal belastingsschommelingen wordt blootgesteld, terwijl tijdens de kruisvlucht weinig schade wordt veroorzaakt, hangt de vermoeiingslevensduur van een vliegtuig niet af van het aantal vlieguren, maar van het aantal vluchten. De operationele eisen voor vliegtuigen verschillen echter van klasse tot klasse. Voor de Airbus is een levensduur zonder vermoeiingsscheuren van 24.000 vluchten of 30.000 uren vereist, terwijl de economische reparatieduur 48.000 vluchten of 60.000 uren bedraagt; het landingsgestel daarentegen is ontworpen voor een veilige levensduur van 32.000 vluchten, waarna het moet worden vervangen. Anderzijds heeft de BAe 146, met een groter aantal kortere vluchten per dag dan de Airbus, een gespecificeerde levensduur zonder scheuren van 40.000 vluchten en een economische reparatieduur van 80.000 vluchten. Hoewel deze cijfers operationele eisen zijn, is de aard van vermoeiing zodanig dat het onwaarschijnlijk is dat alle vliegtuigen van een bepaald type hieraan voldoen. Van het totale aantal Airbus-vliegtuigen haalt ten minste 90 procent deze waarden en 50 procent is beter; het is duidelijk dat frequente inspecties tijdens de levensduur van een vliegtuig noodzakelijk zijn.