Enomenul De Oboseala Pentru Structurile Aeronavelor - Referat

I. Introducere

Fenomenul de oboseală constă în modificarea caracteristicilor unui material supus la solicitări repetate. Modificarea proprietăţilor materialului este numită degradare. Datorită fenomenului de oboseală în structura materialului este posibilă apariţia unor fisuri care pot provoca ruperea elementului. Distrugerea unei piese datorită solicitării variabile periodic se produce in zonele cu concentratori de tensiune (microfisuri, incluziuni nemetalice, neomogenităti). În aceste zone, in timpul solicitării se produc vârfuri de tensiune, microfisurile înainteaza si datorită frecării se formează o zonă lucioasă, ruperea fiind casantă datorită micşorării secţiunii utile. Procedurile de testare la oboseală pentru proiectarea structurilor moderne au la bază tehnici care au fost descoperite de-a lungul a 100 de ani de cercetare. Primele atestări cu privire la acest fenomen au fost raportate în Germania, inginerul german W. A. S. Albert conducând în 1829 primele încercări la oboseală asupra unui lanţ de oţel. Dezvoltarea rapidă a industriei căilor ferate la mijlocul secolului XIX aduce noi provocări în studierea fenomenului de oboseală, mai ales din cauza cedărilor axurilor anumitor vagoane de transport, acestea fiind la originea unor accidente soldate cu pierderi de vieţi omeneşti şi materiale. Acest fenomen a început să devină tot mai cunoscut, datorită importanţei sale majore. Deoarece metalele sunt utilizate intr-o proporţie mare in constructia avioanelor, acest domeniu nu a fost ocolit de efectele oboselii suferind numeroase dezastre, insă fiecare pas greşit a dus la perfectionarea structurilor prin modificrea designului, utilizarea de noi materiale etc. II. Evenimente aviatice datorate oboselii structurilor II. 1. DeHavilland Comet In 1952 DeHavilland Comet a fost primul avion commercial care folosea propulsie turbo-jet, performanţele sale fiind superioare avioanelor cu elice. In afară de a avea viteză superioară Comet fost si primul avion de pasageri cu cabină presurizată, ceea ce îi permitea atingerea unei altitudini de croazieră mult mai mari. După doi ani de la inaugurare, două dintre avioane s-au dezintegrat in timp ce urcau spre altitudinea de croazieră. Pe 10 ianuarie 1954 unul din avioane a căzut in apropierea coastei insulei italiene Elba. În accident şiau pierdut viaţa toţi pasagerii de la bord. În urma cercetărilor nu s-a găsit un motiv pentru acest accident, dar s-au modificat câteva elemente care se presupunea că ar fi cauzat accidentul. Însa doar peste câteva luni un al doilea avion a fost implicat într-un accident in urma căruia intreaga flotă a fost menţinută la sol după care a urmat o serie de teste asupra aparatului. Testele au fost efectuate intr-un bazin cu apă pentru a favoriza ciclurile de presurizere-depresurizare si minimiza efectele în caz de explozie(fig 1). Dupa 1825 de presurizări cabina a cedat în timpul unei aplicaţii la doar 33% din capacitatea maximă. În urma acestui test s-au găsit urme de fisuri datorate oboselii care s-au extins din colţul din stanga jos al trapei de evacuare. În urma unei investigaţii minuţioase asupra aparatului s-au mai descoperit crăpături in zona geamurilor. Avionul testat a fost reparat şi la câteva din trape (fig. 2) şi la geamuri (fig. 3)au fost puse instrumente de măsurat tensiunile şi s-a observat că întradevăr în aceste zone a apărut o concentrare de tensiuni, model care nu a fost luat în calcul la proiectarea avionului. Structura Cometei nu prezenta benzi care să oprească extinderea eventualelor fisuri. Odată ce o fisură datorată oboselii structurii era iniţiată aceasta putea creşte nedetectată până când cabina presurizată ceda. În urma accidentelor aeronavei Comet si a investigaţiilor ulterioare principalele modele de design la oboseală a structurilor au fost schimbate fundamental. Înainte de accidente structurile erau proiectate după principiul SAFE – LIFE. Ceea ce inseamna că structura era proiectată pentru a obţine un număr satisfăcător de cicluri de folosire fară defecte importante, cum ar fi crăpături. Însă aceste accidente şi alte experienţe ulterioare au dovedit că aceste defecte pot apărea mult mai devreme decât anticipat. Aceasta din cauza limitărilor analizei la oboseală existente în perioada respectivă. Astfel, siguranţa nu putea fi garantată bazându-se pe acest principiu decât prin impunerea unor limite de folosire neeconomice pentru importante elemente ale structurii. Aceste probleme vor fi soluţionate prin introducerea principiului FAIL – SAFE la sfarşitul anilor ’50. Structurile proiectate pe acest principiu doreau obţinerea unei „vieţi” satisfăcătoare însa aceasta era proiectată astfel încat structura putea fi inspectata şi era capabilă să sufere avarii importante şi uşor de detectat inainte ca siguranţa să fie periclitată. Acest deziderat a fost îndeplinit prin impunerea unui concept cu mai multe direcţii de încărcare a structurii cu componente care să asigure o rezistenţă reziduală improtantă în cazul cedării unuia din elementele structurale.

Este important de menţionat că nu toate elementele trebuie supuse unui design bazat pe principiul FAIL – SAFE. Principala excepţie o face trenul de aterizare care în mod frecvent este proiectat folosind oţeluri de înalta rezistenţă şi bazându-se pe principiul SAFE – LIFE.

II. 2. Japan Airlines flight 123 Pe 12 august 1985 linia cu numarul 123 a companiei aeriene Japan Airlines, un Beoing 747, se loveşte de versantul muntelui Takamagahara la 100 km de Tokyo. Toţi cei 15 membri ai echipajului şi 505 din cei 509 pasageri mor, rezultând în cel mai grav accident din istorie în care este implicat un singur avion şi al doilea după cel din Tenerife (unde s-au ciocnit două avioane pe pistă, cu 583 de victime). Avionul a decolat de pe Aeroportul International Tokyo în jurul orei 6:12. După aproximativ 12 minute de la decolare, la altitudinea de croazieră, membrana de presurizare din coada avionului cedează. Aeronava suferă o decompresie explozivă care rupe ampenajului vertical si distruge toate cele 4 sisteme hidraulice ale avionului (fig. 4 si fig. 5). În urma acestui incident căpitanul aeronavei seteaza transimiţătorul pe un semnal de avarie si primeşte o nouă direcţie pentru aterizarea de urgenţă. Cu suprafeţe de control lipsă avionul începe să oscileze urcând şi coborând într-un ciclu cunoscut sub numele de “phugoid”. La ora 6:56 p.m. avionul dispare de pe radar. În urma investigaţiilor asupra acestui caz s-a descoperit că in 1978 avionul a fost implicat intr-un aşanumit “tailstrike”, în care partea din spate a avionului a atins solul în timpul unei manevre de decolare sau aterizare, avariind membrana de presurizare (fig. 6). În urma reparaţiilor efectuate asupra acesteia una din plăcile membranei a fost asamblata incorect. Au fost utilizate două placi cu un singur rând de nituri in loc de o singură placă cu două rânduri de nituri astfel reducând rezistenţa la oboseală a structurii la aproximativ 70%. Inginerii au calculat că monterea incorectă a membranei ducea viaţa acesteia la aproximativ 10.000 de cicluri de presurizare, avionul ajungând la 12.319 decolari de la instalare pana la accidentul final (fig 7). Acest accident a pus in evidenţă câteva vulnerabilităţi ale avionului Beoing 747: -lipsa de independenţă a celor patru sisteme hidraulice in cazul unei distrugeri locale -o „aerisire” inadecvată a cozii avionului, ceea ce duce la vulnerabilitate in cazul unei decompresii rapide -reparaţii incorecte efectuate asupra membranei reduc in mod important rezistenţa la obosealş a acesteia Astfel s-au introdus noi reglementări cu privire la mentenanţa acestei membrane, impunând-se o mai amplă investigaţie şi recunoaştere a crăpăturilor formate. Structura acestei membrane a fost creată in aşa fel incât crăpăturile să nu se extindă de la o porţiune la alta şi să fie foarte uşor de localizat in caz de apariţie. Al patrulea sistem hidraulic a fost prevăzut cu valve speciale care în caz de distrugere a conductelor spre ampenajul orizontal nu prmit să se piardă intreg uleiul şi astfel incapacitatea de utilizare a acestuia.

II. 3. United Airlines Flight 232 Aparatul companiei aeriene United Airlines, un Douglas DC-10, programat pe ruta Denver – Philadelphia via Chicago, pe 19 iulie 1989 suferă la motorul al doilea o defecţiune importantă care distruge sistemul hidraulic. Neavând controlul asupra suprafetelor de comandă şi doar utilizând cele doua motoare rămase, avionul se rupe la aterizarea de urgenţă pe aeroport. Datorită indemânării extraodinare a piloţilor 175 de pasageri din cei 285 şi 10 din cei 11 membri ai echipajului au supravieţuit accidentului. În timpul zborului la o altitudine de apoximtiv 10.000 m vârful elicei propulsorului de pe coada avionului sa rupt provocând avarii importante. Deoarece fragmentele desprinse nu au fost oprite de carcasă, ele au distrus ambele stabilizatoare orizontale. Una din bucăţile de metal care a lovit stabilizatorul din dreapta a rupt şi unul din furtunele de la sistemele hidraulice care nu au mai putut funcţiona din cauza pierderii integrale a cantităii de ulei (fig. 8). Piloţii au făcut eforturi mari de a menţine avionul doar cu ajutorul reglării turaţiei celor doua motoare rămase şi au încercat să aterizeze pe un aeroport din Sioux City dar la aterizare aripa dreaptă a atins pista şi avionul s-a rostogolit. În urma investigaţiilor s-a descoperit că o crăpătură la elicea din titan a turbomotorului din spate este responsabilă de acest accident, aceasta prezenta urme de lichid de penetrare care nu a fost observat la inspectie, lucru care a permis crapaturii formate sa se extinda pana cand piesa cedeaza. S-a descoperit că acea crapatură apăruse datorită procesului de purificare a titaniului, ceea ce a cauzat crearea de incluzuni in lingoul de metal. Astfel, au fost luate măsuri importante cu privire la mentenanţă şi în special la descoperea fisurilor. Ca şi în cazul precedent, sistemului hidraulic a fost modificat pentru a permite să nu se piardă întreaga cantitate de fluid in cazul unei defecţiuni locale.

III. Concluzii În urma acestui material s-a dorit prezentarea importanţei calculului la oboseală pentru structurile aeronavelor si progresele făcute în domeniu. Se doreşte ca în continuare să se micşoreze cât mai mult factorul uman in detecterea defectelor cât si utilizarea mai largă a unor materiale care permit mici defecte fară pierderea proprietaţilor de bază ale structurii prin conceptul “damage tolerant aircraft structure”. Utilizarea materialelor compozite permite reducerea efectelor oboselii.

Fig. 1 Prezinta avionul in bazinul de apa

Fig. 2 Probabila origine a crapaturilor pentru modelul G-ALYP

Fig. 3 Probabila origine a crapaturiii pentru modelul G-ALYU

Fig. 4 imagine luata de un fotograf amator

Fig. 5 Portiunea de amenaj distursa

Fig. 6 zona in care a cedat membrana

Fig. 7 crapatura propagandu-se de la nit la nit

Fig. 8 prezinta cele 3 sisteme hidraulice aflate in coada avionului