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ESTRUCTURAS DEL AVION

CorFAP. Ing. Aer. Enrique Pasco Barriga

Setiembre 2015

SUMARIO GENERAL DEL CURSO 1. Historia aeronáutica 2. Partes del avión •

Términos relacionados (idioma)

3. Cargas sobre el avión •

En tierra y en vuelo (peso/aerodinámicas/inercia)

•

Presurización, aterrizaje, temp.,vibración.

4. Formas estructurales •

Diseño, Forma General

•

Sistemas básicos de carga

•

Tipos de esfuerzo (flexión, torsión, compresión)

5. Materiales •

Elección, propiedades, costos,

•

Compuestos

6. Operaciones mecánicas

• Fabricación • Uniones por: soldadura, pegado, remachado. 7. Corrosión • Tratamientos protección y control

• Factores que intervienen 8. Particularidades del diseño • Doblado, mecanizado, forjado. • Concentración de tensiones • Control de calidad y aeronavegabilidad • Sistema de mantenimiento • Programa de mantenimiento • Modificaciones y reparaciones

HISTORIA DE LAS ESTRUCTURAS AERONÁUTICAS

Estructuras arriostradas con cable •Dos planos con montantes •Mas fuerte y ligera •Rigidez basada en tensores •Evita elemento diagonal rígido •Material base : madera (balsa) •30 años de uso de madera y arriostrado •Resistente a torsión y flexión •Reemplazo por metal en 1933 1936

•Inicio de una gran industria •Gran salto cualitativo con la IIGM •Aparición de estructuras de ala y fuselaje con tubos de acero y arriostrado de cables cubierta de

tela

ESTRUCTURAS SEMIMONOCASCO

•Inicialmente empleados en hidroaviones •El revestimiento o recubrimiento forma parte integral de la estructura •Revestimiento resiste cargas •Armadura interna + revestimiento •En ALAS a partir de 1930 •USA pionero antes que Europeos •Emblematico DC3 / C47 •Empleo del aluminio

NOMENCLATURA

•Elementos verticales en las alas: Costillas •Elementos verticales en el fuselaje: Cuadernas o mamparos •Elementos horizontales: Largueros o larguerillos

ESTRUCTURAS SANDWICH •Ante la falta de rigidez en algunos sectores. •Laminas delgadas como controles de vuelo necesitan rigidez adicional. •Tipo panal de abeja como material central y adhesivos. •Se inicio con la madera contrachapada •Actualmente es un núcleo de metal en panal de celdillas unidos / pegados con planchas de aluminio laterales. •Problemas en elementos curvos como “cowling” de motor, compuertas de fuselaje y otros

PARTES DEL AVION ¿Existe relación entre este curso y la aerodinámica? ¿Por qué? •¿Que palabra debemos utilizar? Aeronave – avión – aeroplano •Planta motriz •Sustentación / Dispositivos estabilizadores •Peso •Unión ala-fuselaje •Empenaje •Superficies de control (tres 03 ejes)

•Compensadores

•Timón de profundidad

•Alerones •Timón de dirección

•Elementos hipersustentadores (flaps, slats, slots)

TERMINOS RELACIONADOS CON LA FORMA Y DIMENSIONES DEL AVION

•Unidades empleadas comúnmente: Pulgadas y/o centímetros •Conversiones

•División de la estructura de la aeronave (estaciones)(W, F, B+#) •Fabricante diseñador desarrolla con estos códigos un mapa estructural de la aeronave con el fin de ubicar partes. •Facilidades para los trabajos de mantenimiento

•Clasificación del trabajo •Aceleración de la tarea •Desarrollo de tarjetas de trabajo

CARGAS SOBRE EL AVION Principales cargas en vuelo

Caso del vuelo recto y nivelado

FACTORES

•Generación de MOMENTOS por Trayectoria del avión. Velocidad (vector)

Presión aerodinámica Resistencia aerodinámica Angulo de ataque Flexión, Torsión, Compresión

diferencia en los puntos de aplicación de las cargas •Tendencia a compensar (estabilizad.) •Sustentacion-Peso •Empuje-Resistencia •Este concepto es aplicado a todas las partes estructurales

En el caso del ALA se presenta una distribución de la sustentación, equilibrada por el peso, del ALA mismo y de la aeronave en su conjunto, es decir es la suma de pequeños vectores peso cuya resultante es aplicada en el CG

Caso en donde concurren Fuerzas de Inercia

+1

Velocidad máxima

Velocidad crucero

Factor n

Fuerza = Masa x Aceleración (conceptos básicos) Factor de carga (n) n= 1 en vuelo recto y nivelado

Vuelo nivelado

Velocidad

0

n= inercia o aceleración o factor “g”

Cargas de impacto

Típico caso de un aterrizaje de emergencia

Aterrizaje con sobre impacto (Hard Landing)

Por tanto estos factores determinaran que en el diseño estructural el fabricante haga cálculos para que la resistencia máxima se sitúe en estos valores. De lo contrario ingresan en una fase de solución de compromiso:

Estructura muy fuerte pero pesada

Estructura muy débil pero liviana

Características del diseño Material a emplear Estadísticas de falla Ensayos destructivos y No destructivos

Factor 9 g máximo

Otras cargas aerodinámicas La resistencia aumenta con el ángulo de ataque y aumenta, también el esfuerzo del ALA

Si el ángulo de ataque disminuye, también lo hace la sustentación, hasta hacerse nula e incluso negativa. (vuelo invertido) Centro de presión o centro aerodinámico 25% de la cuerda •Otros factores que influyen en la Sustentación: •Superficie alar •Densidad del aire •Velocidad del avión •Alargamiento =envergadura / cuerda

Compromiso del fabricante

Planeadores U2 Twin Otter

Superficies de control básicas Alerones Timon de profundidad (elevadores)

Timon de direccion (rudder) Flaps L

Compensadores

Flujo libre

Angulo de ataque

D

El mismo principio se presentara en : ALAS, FLAPS, TIMONES y Compensadores

Estas fuerzas generaran MOMENTOS flectores y torsores en la estructura de la superficie de control. Lo importante es el calculo de estos esfuerzos llevando al limite proyectado (teórico) a la estructura, para posteriormente efectuar el trazado dimensional. Asimismo, la totalidad de fabricantes asume un Margen de Seguridad, habitualmente situado en un factor adimensional de entre 1,25 y 1,5

Durante el vuelo:

Momento flector

Las capas superiores del ALA estarán sometidas a esfuerzos de compresión y las inferiores a tracción

En tierra los esfuerzos se transmiten de diferente manera a la estructura, a causa del peso propio, peso de carga y pasajeros y/o causados por el aterrizaje

CARGAS POR PRESURIZACION No todas las secciones del avión se encuentran presurizadas Las secciones presurizadas generalmente albergan tripulaciones, pasajeros, carga. La presurización genera presión de adentro hacia a fuera de la aeronave, por tal motivo las secciones estructurales se diseñan circulares para obtener una distribución de tensiones y carga uniforme y evitar concentración de tensiones en vigas y cuadernas. Concepto de fatiga Accidente de un B737 200 de Aloha Air. Desprendimiento del revestimiento y cuadernas en el fuselaje superior (Lap ts), durante vuelo rutinario de pasajeros entre Hawaii y Los Ángeles Agosto de 1988

CARGAS DURANTE EL ATERRIZAJE

Cargas que tienen gran influencia puntual sobre las estructuras En vuelo el peso de los motores, combustible, tren ppal., y el ALA misma están uniformemente distribuidos, contrarrestando a la sustentación. En tierra y aun mas durante un aterrizaje (brusco), todos estos pesos actúan directamente sobre la parte superior del tren de aterrizaje y transmiten el esfuerzo al empotramiento del tren.

OTRAS CARGAS ADICIONALES Calentamiento cinético. Cargas producidas por el vuelo a alta velocidad. Cargas sobre el revestimiento Distorsiones por el calor (150°C) Gradientes muy altos de temperatura Expansiones y contracciones

1,5 m. flexión

¿COMO DETERMINAR FACTORES DE CARGA ADICIONALES?

Cálculos de diseño Datos del Dpto. de aerodinámica Ensayos destructivos Ensayos en túnel de viento •Descomposición de la carga y distribución en la estructura

Dpto. de pruebas en vuelo R

•Concepto de carga Limite

Carga máxima

•Carga máxima

Carga Limite Carga de trabajo

•Carga de trabajo •Margen de seguridad Tensión de rotura

Zona elástica

r

T

Ejemplo: Un calculista investiga un soporte que sostiene una pieza de equipo de un peso de 10 Kg. Comprueba de acuerdo a los requerimientos y verifica que: Factor de carga (maniobra): 2,5 g Factor máximo: 1,5 Por tanto la carga de prueba en el soporte será= 10Kg x 2,5g = 25Kg. Carga máxima sobre el soporte=37,5 Kg.

AN 225 “MRIYA”

CARGAS SOBRE EL AVION

L

T: Tracción D: Resistencia L: Sustentación W: Peso

T

D

M

B: Fuerza de estabilización M: Momento

B W Nota: Para vuelo recto y nivelado

Factores de Inercia o factores de carga •En recto y nivelado el factor de carga es = 1g (coef. de aceleración) •Se aplica a todos los elementos del avión

Sirve para calcular un aumento o disminución aparente del peso L Lv

Angulo de banqueo

C

Lh

Peso aparente

W

ENTRADA EN PERDIDA

CAPA LIMITE Flujo laminar Flujo turbulento

Vibraciones Esfuerzos adicionales Aceleraciones infinitas Fatiga de material

Después de la perdida Sustentación cero o cercana a cero Caída libre del cuerpo

Rotación hacia picado Aumento velocidad Restablecimiento vuelo Aparición de cargas adicionales

L=0

Sustentación de la cola

W