14.2 Proiectarea împotriva oboselii

Se pot lua diverse măsuri de precauție pentru a se asigura că o aeronavă are o durată de viață adecvată la oboseală. Am văzut, în capitolul 10, că primele aliaje de aluminiu-zinc posedau tensiuni de rupere și de rezistență ridicate, dar erau susceptibile de cedare timpurie sub sarcină de oboseală; alegerea materialelor este, prin urmare, importantă. Aliajele de aluminiu-cupru cu îmbătrânire naturală posedă o bună rezistență la oboseală, dar cu rezistențe statice mai mici. Cercetările moderne se concentrează asupra aliajelor care combină rezistența ridicată cu rezistența ridicată la oboseală.

Atenția la proiectarea detaliată este la fel de importantă. Concentrațiile de tensiuni pot apărea la colțuri ascuțite și la schimbări bruște de secțiune. Prin urmare, ar trebui prevăzute filete la colțurile reintrante, iar decupajele, cum ar fi ferestrele și panourile de acces, ar trebui să fie întărite. În cazul panourilor prelucrate, grosimea materialului ar trebui mărită în jurul găurilor pentru șuruburi, în timp ce găurile din îmbinările principale cu șuruburi ar trebui alezate pentru a îmbunătăți finisarea suprafeței; zgârieturile de suprafață și urmele de mașină sunt surse de inițiere a fisurilor de oboseală. Trebuie evitate zvâcnirile în elementele puternic solicitate, în timp ce asimetria poate cauza tensiuni suplimentare datorate încovoierii.

Pe lângă o proiectare structurală și de detaliu solidă, este necesară o estimare a numărului, frecvenței și magnitudinii sarcinilor fluctuante pe care le întâlnește o aeronavă. Spectrul de sarcini de oboseală începe atunci când aeronava rulează în poziția de decolare. În timpul rulării, aeronava poate efectua manevre pe un teren accidentat cu o sarcină utilă completă, astfel încât solicitările aripilor, de exemplu, sunt mai mari decât în cazul static. De asemenea, în timpul decolării, urcării, coborârii și aterizării, aeronava este supusă celor mai mari fluctuații de sarcină. Trenul de aterizare este retras și coborât; flapsurile sunt ridicate și coborâte; există impactul la aterizare; aeronava trebuie să efectueze manevre; și, în cele din urmă, aeronava, după cum vom vedea, experimentează un număr mai mare de rafale decât în timpul croazierei.

Încărcările corespunzătoare acestor diferite faze trebuie calculate înainte de a se putea obține tensiunile asociate. De exemplu, în timpul decolării, solicitările de încovoiere a aripilor și solicitările de forfecare datorate forfecării și torsiunii se bazează pe greutatea totală a aeronavei, inclusiv rezervoarele pline de combustibil, și sarcina utilă maximă, toate acestea fiind factorizate cu 1,2 pentru a permite o denivelare în timpul fiecărei decolări pe o pistă dură sau cu 1,5 pentru o decolare de pe iarbă. Sarcinile produse în timpul zborului la nivel și al manevrelor simetrice se calculează folosind metodele descrise în secțiunea 13.2. Pornind de la aceste valori, se pot găsi distribuțiile forței de forfecare, momentului de încovoiere ș i cuplului în aripă, de exemplu, prin integrarea distribuției portanței. Sarcinile datorate rafalelor se calculează folosind metodele descrise în secțiunea 13.4. Astfel, din cauza unei singure rafale echivalente cu muchii ascuțite, factorul de încărcare este dat fie de ecuația (13.25), fie de ecuația (13.26).

Deși este relativ simplu să se determine numărul de fluctuații de sarcină în timpul unui ciclu sol-aer-sol cauzate de operațiuni standard, cum ar fi ridicarea și coborârea flapsurilor sau retragerea și coborârea trenului de aterizare, este mai dificil să se estimeze numărul și magnitudinea rafalelor pe care le va întâlni o aeronavă. De exemplu, există un număr mai mare de rafale la altitudine joasă (în timpul decolării, urcării și coborârii) decât la altitudine mare (în timpul zborului de croazieră). Terenul (mare, teren plat, munți) afectează, de asemenea, numărul și magnitudinea rafalelor, la fel ca și vremea. Utilizarea radarului permite aeronavelor să evite cumulusurile, unde rafalele sunt predominante, dar are un efect redus la altitudine joasă în timpul urcării și coborârii, unde norii nu pot fi evitați cu ușurință. ESDU (Engineering Sciences Data Unit – Unitatea de date în domeniul științelor inginerești) a produs date privind rafalele pe baza informațiilor colectate de înregistratoarele de rafale transportate de aeronave. Acestea arată, în formă grafică (curbe l10 versus h, h fiind altitudinea), distanța medie parcursă la diferite altitudini pentru o rafală cu o viteză mai mare de ±3,05 m/s. În plus, curbele de frecvență a rafalelor indică numărul de rafale cu o anumită viteză la 1000 de rafale cu viteza de 3,05 m/s. Combinarea celor două seturi de date permite calcularea depășirii rafalelor, adică numărul de cicluri de rafale cu o viteză mai mare sau egală cu o anumită viteză întâlnită pe kilometru de zbor.

Din moment ce o aeronavă este supusă la cel mai mare număr de fluctuații de sarcină în timpul rulării-decolării- urcării și coborârii-debarcării-aterizării, în timp ce în timpul zborului de croazieră se produc puține daune, durata de viață la oboseală a unei aeronave nu depinde de numărul de ore de zbor, ci de numărul de zboruri. Cu toate acestea, cerințele operaționale ale aeronavelor diferă de la o clasă la alta. Airbusului i se cere să aibă o durată de viață fără fisuri de oboseală de 24.000 de zboruri sau 30.000 de ore, în timp ce durata de viață economică pentru reparații este de 48.000 de zboruri sau 60.000 de ore; cu toate acestea, trenul său de aterizare este proiectat pentru o durată de viață sigură de 32.000 de zboruri, după care trebuie să fie înlocuit. Pe de altă parte, BAe 146, cu un număr mai mare de zboruri mai scurte pe zi decât Airbus, are o durată de viață fără fisuri specificată de 40.000 de zboruri și o durată de viață economică pentru reparații de 80.000 de zboruri. Deși aceste cifre reprezintă cerințe operaționale, natura oboselii este de așa natură încât este puțin probabil ca toate aeronavele de un anumit tip să le satisfacă. Din numărul total de aeronave Airbus, cel puțin 90 la sută ating aceste valori și 50 la sută sunt mai bune; în mod clar, sunt necesare inspecții frecvente pe parcursul vieții unei aeronave.

.