Únosnost leteckých kompozitní kompozitních konstrukcí konstrukcí Ing. Bohuslav Cabrnoch, Cabrnoch, PhD. TC InterInter-Informatics, Informatics, a.s.
Metody hodnocení hodnocení únosnosti kompozitní kompozitních konstrukcí konstrukcí 11. 11. listopadu 2010 Seminá Seminář ČSM, Praha, raha, Česká eská republika
Úvod Únosnost letecké letecké konstrukce
» Zatížení, při kterém se letecká konstrukce právě poruší » Mez pevnosti » Katastrofická ztráta stability Stavební Stavební předpisy Obsahují požadavky na vlastnosti letadla pro dosažení letové způsobilosti » Účelem stavebních předpisů je stanovit minimální požadavky na letoun tak, aby byla zajištěna dostatečná pevnost a tuhost draku přiměřená jeho určení v provozu » Stavební předpisy rozdělují letadla do různých kategorií (např. – normální, užitkové, akrobatické, cvičné, ……).
»
Civilní předpisy > FAR – USA, státy FAA (Federal Aviation Administration) > EASA CS (dříve JAR) – Evropa, státy EASA (European Aviation Safety Agency)
»
Vojenské předpisy > MIL – USA > NP CAGI – Rusko Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
2
Pevnostní výpočty Pevnostní Pevnostní výpoč výpočty
»Standardní konstrukce »
Porovnání napjatosti v konstrukci s dovoleným napětí vztaženým k > mezi pevnosti σP > mezi kluzu σK
σPr ov ≤ σDov =
»Letecké konstrukce » » » » »
σP σ nebo K f f
Početní zatížení (ultimate load) FPoč Poč FPoč = FPr ov ⋅ f ⋅ fz ≤ Fu Provozní zatížení (limit load) FProv Součinitel bezpečnosti (factor of safety) f Zvyšující součinitel bezpečnosti (special factor of safety) fz Únosnost konstrukce (failure) Fu
»
Součinitel rezervy, jistota (reserve factor) RF
»
Míra bezpečnosti (margin of safety) MS
RF =
Fu ≥1 FPoč
MS = RF − 1 ≥ 0
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
3
Pevnostní výpočty Pevnostní Pevnostní výpoč výpočty
»
Provozní Provozní zatí zatížení ení
»
»
Maximální zatížení, které se při normálním v provozu letadla může vyskytnout
Souč Součinitel bezpeč bezpečnosti
» »
»
Dle stavebních předpisů vždy 1,5 Zvyšující součinitel bezpečnosti fz = (1,15 až 3,33) > Používá se v některých závažných případech (možnost většího rozptylu charakteristik materiálů, zatížení, provozního opotřebení) > Např. odlitky, spojovací kování, kluzná ložiska, zatížení kabiny od přetlaku, upevnění sedadel, … Výjimku tvoří tzv. havarijn havarijníí případy pady, v nichž se používá f = 1. V těchto případech může dojít k trvalým deformacím konstrukce > Např. zatížením, která se předpokládají jako poslední v provozu letounu (nouzové přistání)
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
4
Pevnostní kritéria Pevnostní Pevnostní krité kritéria pro laminá lamináty
»
Neinteraktivní
»
»
Kritérium maximálního napětí
FLc ... podélná tlaková pevnost
Tsai-Hillovo kritérium pevnosti Tsai-Wu kritérium pevnosti Hoffmanovo kritérium pevnosti
FTt ... příčná tahová pevnost
Interaktivní
» » »
FLt ... podélná tahová pevnost
σT
FLT ... smyková pevnost
σLT σL
σL
σLT
FTc ... příčná tlaková pevnost
σL ... napětí ve směru vláken σT ... napětí kolmo na vlákna σLT ... smykové napětí
σT Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
5
Pevnostní kritéria Krité Kritérium maximá maximální lního napě napětí
» Pevnostní podmínka σ max L FLt
σL
σ , L FLc >0
σL
σ , T FTt <0
σT
σ , T FTc >0
σ LT , <1 FLT σ T <0
» Odvození RF RF ⋅ σ L FLt
σL
RF ⋅ σ L , FLc >0
σL
RF ⋅ σ T , FTt <0
σT
RF ⋅ σ T , FTc >0
RF ⋅ σ LT , =1 FLT σ T <0
» Vztah pro RF F RF = min Lt σL
σL
F , Lc σL >0
σL
F , Tt σT <0
σT
F , Tc σT >0
FLT , σ LT σ T <0
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
6
Pevnostní kritéria TsaiTsai-Hillovo krité kritérium pevnosti
» Pevnostní podmínka σL FL
2
2
σ σ + T + LT FT FLT
2
σ ⋅σ − L 2 T < 1 FL
» Odvození RF RF ⋅ σ L FL
2
RF ⋅ σ T + FT
2
RF ⋅ σ LT + FLT
(RF ⋅ σ L ) ⋅ (RF ⋅ σ T ) = 1 − FL2 2
» Vztah pro RF 1
RF = σL FL
2
2
σ σ + T + LT FT FLT
2
σ ⋅σ − L 2 T FL
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
7
Pevnostní kritéria TsaiTsai-Wu krité kritérium pevnosti
» Pevnostní podmínka
2 1 1 σL2 σ2T σLT σ ⋅σ 1 1 ⋅ σL + ⋅ σT < 1 + + 2 + 2 ⋅ f12 ⋅ L T + − − FLt ⋅ FLc FTt ⋅ FTc FLT FLt ⋅ FLc FLt FLc FTt FTc
» Odvození RF 2 1 σ L2 1 σ 2T σ LT σ ⋅σ σ ⋅σ 1 1 ⋅ σ L + RF ⋅ + + 2 − L T + 2 ⋅ f12 ⋅ L T + RF ⋅ − − FLt ⋅ FLc FTt FTc FLt ⋅ FLc FTt ⋅ FTc FLT FLt ⋅ FLc FLt FLc 2
⋅ σ T = 1
» Vztah pro RF − B + B2 + 4 ⋅ A RF = 2⋅A 2 σ L2 σ 2T σ LT σ ⋅σ σ ⋅σ A= + + 2 − L T + 2 ⋅ f12 ⋅ L T FLt ⋅ FLc FTt ⋅ FTc FLT FLt ⋅ FLc FLt ⋅ FLc
1 1 1 1 ⋅ σ L + B = − − FLt FLc FTt FTc
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
⋅ σ T
8
Pevnostní kritéria Hoffmanovo kritérium pevnosti
» Pevnostní podmínka 2 1 1 σ L2 σ 2T σ LT σ ⋅σ 1 1 ⋅ σL + + + 2 − L T + − − F FLt ⋅ FLc FTt ⋅ FTc FLT FLt ⋅ FLc FLt FLc Tt FTc
⋅ σT < 1
» Odvození RF 2 1 σL2 1 σ 2T σLT σL ⋅ σ T σL ⋅ σ T 1 1 RF ⋅ + + 2 − − − + RF ⋅ ⋅ σL + F − F ⋅ σ T = 1 F F F ⋅ F F ⋅ F F ⋅ F F F ⋅ F Tt Tc Lt Lc Lt Lc Lc Tc Tt LT Lt Lc Lt 2
» Vztah pro RF − B + B2 + 4 ⋅ A RF = 2⋅A 2 σ L2 σ 2T σ LT σ ⋅σ A= + + 2 − L T FLt ⋅ FLc FTt ⋅ FTc FLT FLt ⋅ FLc
1 1 1 1 ⋅ σ L + B = − − FLt FLc FTt FTc
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
⋅ σ T 9
Certifikace Certifikace
» »
Proká Prokázání naplně naplnění pož požadavků adavků stavební stavebních př předpisů edpisů Použ Použitelné itelné přístupy » zkouškou > zkouška kompletní konstrukce (full scale test) » analýzou » kombinací > nejrozšířenější přístup
»
Building Bu lding Block Approach (BBA) » systematický přístup k návrhu a certifikaci letecké konstrukce » životní cyklus kompozitní konstrukce je rozdělen do několika bloků
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
10
Certifikace Building Bu lding Block Approach (BBA)
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
11
Certifikace Building Bu lding Block Approach (BBA) Skupina A – materiá materiálové lové vlastnosti
» »
Definování obecného chování materiálu Zkoušky jsou obvykle prováděny na menších a jednodušších vzorcích
Výbě Výběr materiá materiálů (Block 1)
» » »
Zkoušky potenciálních materiálů Selekce vhodných materiálů Předběžné materiálové parametry
Tvorba materiá materiálových specifikací specifikací (Block 2)
» »
Validace materiálových vlastností v závislosti na výrobním procesu Kvalifikace materiálu
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
12
Certifikace Building Block Approach (BBA)
Skupina A – materiá materiálové lové vlastnosti
Zjiš Zjišťová ování návrhových hodnot (Block (Block 3)
»
»
Databáze naměřených hodnot musí být dostatečně široká pro zjištění A nebo B – hodnot » A-hodnoty > Konstrukce safe-life > 99% pravděpodobnost porušení s 95% spolehlivostí » B-hodnoty > Konstrukce fail - safe > 90% pravděpodobnost porušení s 95% spolehlivostí » několik výrobních dávek » několik šarží materiálu Určení vlivu prostředí (teplota, vlhkost, ...) » určení součinitele prostředí vztaženého k NT podmínkám > Boeing 777 - 60°C / 85% r.v. > Eurocopter – 70°C / 85% r.v. » materiál + konstrukční uzly Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
13
Certifikace Building Bu lding Block Approach (BBA)
Skupina A – materiá materiálové lové vlastnosti
Zjiš Zjišťová ování návrhových hodnot (Block (Block 3) » Určení vlivu vrubů » otevřené a vyplněné otvory » vliv svěrné síly spojovacího materiálu » Určení vlivu skladby » procentuální zastoupení orientace vrstev, sled vrstev, tloušťka laminátu, ... ucture. This includes » Vliv výrobních vad » dovolená velikost vady » Vliv výrobního procesu » citlivost konstrukce na parametry výrobního procesu
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
14
Certifikace Building Block Approach (BBA)
»
ocasní ocasní plochy Boeing 777
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
15
Certifikace Klasifikace leteckých konstrukcí konstrukcí dle DOD/NASA vs. pož požadavky na rozsah zkouš zkoušek polymerní polymerních kompozitů kompozitů pro vývoj (EMD) a výrobu (production (production) production)
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
16
Certifikace Klasifikace leteckých konstrukcí konstrukcí dle DOD/NASA vs. pož požadavky na max. výrobní výrobní vady polymerní polymerních kompozitů kompozitů
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
17
Certifikace Damage Tolerance
» Stavební předpisy vyžadují prokázání přístupu damage tolerance u primární kompozitní včetně zahrnutí vlivu prostředí
» Poškození » BVID (Barely Visible Impact Damage) - vizuálně nezjistitelná poškození » VID (Visible Impact Damage) - vizuálně zjistitelná poškození » Výrobní vady » Definování max. velikosti nedetekovatelné výrobní vady » Návrh NDT metod a postupů
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
18
Certifikace Damage Tolerance
»
full-scale zkuš zkušební ební program ocasní ocasních ploch Boeing 777
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
19
Certifikace Zbytková Zbytková pevnost v zá závislosti na velikosti poruchy
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
20
Závěr
Děkuji za pozornost
Metody hodnocení únosnosti kompozitních konstrukcí Seminář ČSM, 11. listopadu 2010
21
