14.2 Projetando contra fadiga
Várias precauções podem ser tomadas para assegurar que uma aeronave tenha uma vida útil adequada à fadiga. Vimos, no Capítulo 10, que as primeiras ligas de alumínio-zinco possuíam altas tensões finais e de prova, mas eram suscetíveis a falhas precoces sob carga de fadiga; a escolha de materiais é, portanto, importante. As ligas de alumínio-cobre naturalmente envelhecidas possuem boa resistência à fadiga, mas com forças estáticas mais baixas. A pesquisa moderna está se concentrando em ligas que combinam alta resistência com alta resistência à fadiga.
A atenção aos detalhes do projeto é igualmente importante. Concentrações de tensão podem surgir em cantos afiados e mudanças abruptas na seção. Portanto, os filetes devem ser fornecidos em cantos reentrantes e os recortes, como janelas e painéis de acesso, devem ser reforçados. Nos painéis usinados, a espessura do material deve ser aumentada em torno dos furos dos parafusos, enquanto os furos das juntas aparafusadas primárias devem ser alargados para melhorar o acabamento superficial; riscos superficiais e marcas de máquina são fontes de iniciação de fissuras por fadiga. Devem ser evitadas manobras em membros altamente estressados, enquanto assimetrias podem causar tensões adicionais devido à flexão.
Além do projeto estrutural e detalhado, uma estimativa do número, freqüência e magnitude das cargas flutuantes que uma aeronave encontra é necessária. O espectro da carga de fadiga começa quando o táxi da aeronave chega à sua posição de decolagem. Durante a rolagem, a aeronave pode estar manobrando sobre um terreno irregular com uma carga útil total, de modo que as tensões das asas, por exemplo, são maiores do que no caso estático. Além disso, durante a decolagem, subida, descida e pouso, a aeronave está sujeita às maiores flutuações de carga. O trem de aterragem é retraído e baixado; os flaps são levantados e baixados; há o impacto no pouso; a aeronave tem que realizar manobras; e, finalmente, a aeronave, como veremos, experimenta um maior número de rajadas do que durante o cruzeiro.
As cargas correspondentes a estas várias fases devem ser calculadas antes que as tensões associadas possam ser obtidas. Por exemplo, durante a decolagem, as tensões de flexão das asas e as tensões de cisalhamento devidas ao cisalhamento e à torção são baseadas no peso total da aeronave, incluindo tanques de combustível cheios, e na carga útil máxima, todas fatoradas em 1,2 para permitir um choque durante cada decolagem em uma pista dura ou em 1,5 para uma decolagem de grama. As cargas produzidas durante o voo nivelado e as manobras simétricas são calculadas utilizando os métodos descritos na Secção 13.2. A partir destes valores, as distribuições de força de corte, momento de flexão e torque podem ser encontradas, digamos, na asa, integrando a distribuição do elevador. As cargas devidas a rajadas são calculadas utilizando os métodos descritos na Secção 13.4. Assim, devido a uma única rajada de arestas vivas equivalente, o fator de carga é dado por Eq. (13,25) ou (13,26).
Embora seja relativamente simples determinar o número de flutuações de carga durante um ciclo terra-ar-terra causado por operações padrão, tais como levantar e abaixar flaps ou retrair e abaixar o trem de pouso, é mais difícil estimar o número e a magnitude das rajadas que uma aeronave irá encontrar. Por exemplo, há um maior número de rajadas a baixa altitude (durante a decolagem, subida e descida) do que a alta altitude (durante o cruzeiro). O terreno (mar, terra plana, montanhas) também afeta o número e a magnitude das rajadas, assim como o clima. O uso do radar permite às aeronaves evitar o cúmulo, onde as rajadas são predominantes, mas tem pouco efeito a baixa altitude na subida e descida, onde as nuvens não podem ser facilmente evitadas. A ESDU (Engineering Sciences Data Unit) produziu dados de rajadas com base em informações coletadas por gravadores de rajadas transportadas por aeronaves. Estes mostram, em forma gráfica (l10 versus h curvas, h é altitude), a distância média voada em várias altitudes para uma rajada com velocidade superior a ±3,05 m/s a ser encontrada. Além disso, as curvas de freqüência de rajadas dão o número de rajadas de uma determinada velocidade por 1000 rajadas de velocidade de 3,05 m/s. A combinação dos dois conjuntos de dados permite calcular o excedente de rajadas, ou seja, o número de ciclos de rajadas com uma velocidade maior ou igual a uma dada velocidade encontrada por quilômetro de vôo.
Desde que uma aeronave esteja sujeita ao maior número de flutuações de carga durante a subida e descida de táxi, enquanto poucos danos são causados durante o cruzeiro, a vida útil de uma aeronave não depende do número de horas de vôo, mas do número de vôos. No entanto, os requisitos operacionais das aeronaves diferem de classe para classe. O Airbus é obrigado a ter uma vida útil livre de rachaduras de fadiga de 24.000 voos ou 30.000 horas, enquanto sua vida útil de reparo econômico é de 48.000 voos ou 60.000 horas; seu trem de pouso, entretanto, é projetado para uma vida útil segura de 32.000 voos, após o que deve ser substituído. Por outro lado, o BAe 146, com um maior número de vôos mais curtos por dia do que o Airbus, tem uma vida útil especificada sem fissuras de 40.000 vôos e uma vida útil de reparo econômico de 80.000 vôos. Embora estes números sejam requisitos operacionais, a natureza do cansaço é tal que é improvável que todo um determinado tipo de aeronave os satisfaça. Do número total de aeronaves Airbus, pelo menos 90% atingem esses valores e 50% são melhores; claramente, inspeções freqüentes são necessárias durante a vida útil de uma aeronave.