PROIECTAREA ȘI ANALIZA PERFORMANȚELOR AERODINAMICE ALE UNEI ARIPI CU BORD DE ATAC ONDULAT. [308256]

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAȘOV

Facultatea de Inginerie Tehnologică și Management Industrial

Departamentul de Ingineria Fabricației

PROIECT DE DIPLOMĂ

Student: [anonimizat]: Construcții Aerospațiale

nr. ……………..

Conducător științific: Șef lucr.dr.ing. SEBASTIAN MARIAN ZAHARIA

Brașov

PROIECTAREA ȘI ANALIZA PERFORMANȚELOR AERODINAMICE ALE UNEI ARIPI CU BORD DE ATAC ONDULAT.

TEHNICI DE REPARAȚIE ALE SUPRAFEȚELOR DE COMANDĂ.

Student: [anonimizat]: Construcții Aerospațiale

grupa 2641

Conducător științific: Șef lucr.dr.ing. SEBASTIAN MARIAN ZAHARIA

CUPRINS

CUPRINS 4

Partea I. Proiectarea și calculul aripi cu bord de atac ondulat 6

1. Studiu introductiv privind aripile cu structura neconvențională 6

1.1. Istoric 6

1.2. Structura aeronavei 7

1.3. Stadiul actual al aeronavelor cu aripa clasica 9

1.4. [anonimizat] 10

1.5. Obiectivele lucrării 18

2. Reglementări aeronautice specifice avioanelor de transport 19

3. Stabilirea și proiectarea soluției constructive propuse 22

3.1. Stabilirea soluției constructive propuse. 22

3.2 Proiectarea soluției constructive propuse 28

4. Calculul sarcinilor pe aripă 39

4.1. Calculul sarcinilor globale aerodinamici pe aripa 39

4.2. Calculul sarcinilor globale masice pe aripa 39

4.3. Calculul sarcinilor distribuite 40

5. Analiza aerodinamica a aripi. [anonimizat] 42

5.1. Analiza aerodinamica a aripi ondulate 42

5.2. Studiu comparativ între aripa clasică și aripa neconvențională 56

6. Analiza cu element finit al aripii ondulate 61

6.1. Descrierea analizei cu element finit 61

6.2. Analiza aripii ondulate 61

6.3. Analiza rezultatelor 64

Partea a II-a. Aspecte tehnologice. 67

7. Analiza principalelor tehnici de reparație specifice aripii 67

7.1. Pregătirea Aripii pentru reparația capitală 67

7.2. Reparația învelișului aripii 67

7.3. Reparatia bordului de atac al nervurilor 68

7.4. Reparatia lonjeroanelor 69

7.5. Reparația liselor Aripii 69

7.6. Reparația compartimentului etanș la aripile cu rezervoare integrate pentru combustibil 70

8. Proceduri de reparație a suprafețelor de comanda ale avionului confecționate din materiale compozite. Studiu de caz. 71

8.1. Identificarea schemei de reparație aplicabila 71

8.2. Stabilirea limitelor de defect acceptabil 72

8.3. Studiu de caz: Reparație flaps din material compozit 74

9. Tehnologia de printare 3D. Aplicație aripă ondulată 83

9.1. Tehnologia de printare 3D generalitati 83

9.2. Principii generale 83

9.3. Aplicație aripă ondulată 83

Concluzii 89

Bibliografie 90

ANEXE 92

Partea I. Proiectarea și calculul aripi cu bord de atac ondulat

1. Studiu introductiv privind aripile cu structura neconvențională

1.1. Istoric

Zborul a fost un fenomen care a fost in atenția omului încă din cele mai vechi timpuri. Istoria aviației are o durata de peste doua milenii de ani. Astfel cele mai vechi obiecte zburătoare de om pot fi considerate zmeiele realizate prin anul 200 ihr. in China si cu ajutorul lor o persoana putea survola teritoriul inamic. Dorința omului de a zbura este ilustrată și în literatura mitologică din diverse culturi. Un exemplu îl constituie mitul lui Icar care și-a construit aripi din pene și ceară. [anonimizat]. [anonimizat], este descris și în Biblie, în Cartea lui Ezechiel.

În secolul al IX-lea, savant arab Abbas Ibn Firnas construiește un planor cu care survolează dealul Jabal al-'arus. Încercând să revină la locul de plecare, se prăbușește rănindu-se. De aici ajunge la concluzia că aparatul de zbor trebuia să fie prevăzut și cu coadă, ce ar fi avut rol în menținerea echilibrului și stabilizarea direcției.

Aspirația spre zbor a lui Leonardo da Vinci a fost reprezentata prin diverse proiecte deși geniul renascentist nu a reușit sa-si pună in practica ideile. Leonardo da Vinci rămâne totuși cu conceptul lui de elicopter si de planor la care partea inferioara a aripilor era fixa, iar la extremități avea niște suprafețe pentru control.

Aviația in sensul modern ,implica zborul controlat cu aparate mult mai grele decât aerul.Frații Wright in 1900,inspirati de lucrările lui Lilienthal, experimentează zborul cu planorul. In conformitate cu Institutul Smithsonian și Federația Aeronautică Internațională (FAI),ei au realizat primul zbor controlat de la bord cu un aparat mai greu decât aerul. Prima traversare a Atlanticului a fost reușită de aviatorii britanici John Alcock și Arthur Brown în iunie 1919. Dar cea care a intrat în istorie este cea a lui Charles Lindbergh din 1927.

În perioada postbelică, în condițiile adâncirii interdependențelor economice internaționale, reglementarea relațiilor economice dintre state a devenit necesitate obiectivă, urmărindu-se prin aceasta coordonarea modului de acțiune a statelor în domeniul politicilor comerciale. Datorită importanței pe care o prezintă activitatea de transport aerian internațional, încă din perioada interbelică s-a pus problema codificării principiilor și regulilor după care să se desfășoare această activitate. Acest fapt a impus ca statele europene să încerce o organizare a zborurilor cu activități comerciale pe bază de norme, de legi și acorduri. Venind în sprijinul politicii comerciale internaționale, în cadrul activității cu caracter aeronautic, încă din perioada interbelică au fost adoptate primele acorduri și convenții între state. Astfel pentru efectuarea zborurilor între state, în anul 1919, la Paris, s-a pus problema reglementării activității internaționale, fapt care a dus la adoptarea Convenției de la Paris din 13.10.1919. Statele părți la această convenție au fost în număr de 27 și Convenția a fost adoptată la data de 13 octombrie 1919. Aceasta Convenție este primul instrument juridic internațional multilateral în domeniul dreptului aerian. Datorită insuficienței reglementărilor existente în Convenția de la Paris din 1919,Convenția de la Varșovia din 1929 și Comisia Internațională de Navigație Aeriană(C.I.N.A.), precum și după adoptarea unor convenții între state, guvernele statelor reunite în decembrie 1944 la Chicago, au ajuns la concluzia, că, pentru a se asigura dezvoltarea aviației civile internaționale într-un mod sigur și ordonat și pentru ca serviciile internaționale de transporturi aeriene să poată fi întemeiate pe o bază de posibilități egale pentru toți și să fie exploatate într-un mod sănătos și economic, este necesar încheierea convenției prin care conform articolului 43 “se instituie o organizație care va purta denumirea de Organizația Aviației Civile Internaționale”. Acesta convenție a intrat în vigoare la 4 aprilie 1947, totodată hotărându-se încetarea activității Comisiei Internaționale de Navigație Aeriană (C.I.N.A.) care a fost înlocuită cu Organizația Aviației Civile Internaționale (O.A.C.I.). România a aderat la această convenție în anul 1965.12 Ulterior transporturile aeriene civile internaționale s-au organizat și se desfășoară pe baza unor convenții guvernamentale internaționale sub egida Organizației Aviației Civile Internaționale.

1.2. Structura aeronavei

Aerodina este un vehicul aerian „mai greu decât aerul” care se menține în atmosferă datorită mișcării lui de înaintare[1], fiind construit pe principiul zborului mecanic, care desemnează toate mașinile aeriene capabile de zbor, dar care nu sunt aerostate (care nu se bazează pe principiul plutirii corpurilor). Aerodinele se împart in trei categorii: ornitoptere, elicoptere, aeroplane. In aceasta lucrare se vor aborda doar aeroplanele care se împarte in doua categorii: avioane si planoare. Astfel, avionul este o aerodină prevăzută cu o suprafață portantă ce asigură sustentația datorită vitezei de deplasare. Viteza de deplasare este asigurată de acțiunea unor grupuri motopropulsoare.[MIC 01]

Forma generală și structura inițială a avionului nu au suferit multe schimbări de-a lungul timpului, deși au fost îmbunătățite continuu. Diferite variații au fost aplicate pentru a răspunde mai bine cerințelor tehnologice și aerodinamice ale timpului. Forma, configurația și structura avionului este influențată și de forțele care acționează asupra lui în timpul zborului dar și la sol: greutatea, tracțiunea (dată de motoare), rezistența la înaintare și portanța. Portanța ( P ) și rezistența la înaintare ( R ) se calculează funcție de coeficienții de portanță ( C z ) și de rezistență la înaintare ( Cx) la o anumită incidențăα).Acești coeficienți se măsoară pe stand în tunele aerodinamice sau cu ajutorul programelor software specializate in curgerea fluidelor.

Forma exterioară a avionului, dimensiunile, motorizarea, organizarea structurală a componentelor sale îi influențează direct performanțele. Avionul este un aparat complex alcătuit în mod normal din patru subsisteme: structura de rezistență, sistemul de propulsie, echipamentele de bord și aparatele de comandă a zborului, instalațiile și mecanizarea aeronavei.

Ampenajele sunt elemente care reprezintă pentru aeronavă "organele" de echilibru, stabilitate și comandă. Se compun de regulă din ampenajul vertical format din direcție (partea fixă) și derivă (partea mobilă) și ampenajul orizontal format din stabilizator

(partea fixă) și profundor (partea mobilă).[BER 80]

Fuzelajul este partea aeronavei în care este plasată cabina piloților, cabina pasagerilor,

încărcătura de transport și cea mai mare parte a echipamentelor și instalațiilor de bord.

El reprezintă corpul central de care se leagă aripa, ampenajele și trenul de aterizare.

Fuzelajul trebuie să aibă o rezistentă la înaintare minimă. De aceea forma sa trebuie să

fie aerodinamică, să aibă cât mai puține proeminențe.

Aripa in zborul aerodinamic, bazat pe forța portantă, este cea mai importantă parte a avionului. Împreună un ampenajele, aripa asigură sustentația, stabilitatea și manevrabilitatea avionului. În general aripa este compusă din structura de rezistență, înveliș exterior, rezervoarele integrate de combustibil, aparatura hidro-pneumatică aferentă comenzilor de zbor si a dispozitivelor de hipersustentație care cresc portanța în fază de decolare și aterizare. La unele avioane motoarele sunt montate sub aripă sau chiar în aripă. Structura clasică a unei aripi este realizată din lonjeroane dispuse longitudinal de-a lungul aripii, rigidizate din loc în loc cu nervuri. Învelișul aripii este și el rigidizat cu lise.

Fig.1.1. Componența aripi [www 01]

1.3. Stadiul actual al aeronavelor cu aripa clasica

Aripa este una dintre cele mai importante componente ale avionului. Ea produce forța

necesară sustentației (portanța).

Condițiile ce se impun aripii decurg din rolul ei pe avion și pot fi sintetizate în:

– condiții aerodinamice (performante aerodinamice cât mai bune);

– condiții de rezistență (rezistență și rigiditate la o greutate minimă a structurii);

– condiții tehnologice (de fabricație și exploatare) și constructive. Acestea trebuie

astfel adoptate încât să permită o fabricație, exploatare și reparație ușoară.

Elementele constructive ale unei aripi de avion sunt: lonjeroanele, lisele, nervurile,

panourile de înveliș și alte piese componente, de rigidizare

Lonjeronul este principalul element de rezistență într-o aripă, preia cea mai mare parte

din forțele și momentele ce acționează asupra acesteia. Are aspectul unei grinzi

consolidate alcătuite din tălpi și inimă.

Nervurile sunt elemente de rigidizare transversală a aripii, montate de obicei perpendicular pe bordul de atac al aripii. Nervurile au rolul de a păstra forma aripii și de a transmite solicitările aerodinamice la lonjeroane și lise. Pot fi nervuri simple sau nervuri de forță, acestea din urmă având rolul suplimentar de a prelua forțele concentrate datorate diverselor echipamente și instalații acroșate de aripi.

Lisele sunt elemente de rigidizare montate în lungul aripii cu rolul de a prelua solicitările axiale datorate încovoierii aripii. Ele trebuie să fie rezistente la întindere și compresiune și măresc rezistența învelișului la deformație. Sunt obținute tehnologic prin extrudare sau îndoire

Învelișul are rolul de a menține forma aripii și de a prelua eforturile datorate distribuției

de presiune pe care le transmite către lise, nervuri și lonjeroane. Este realizat din tablă

de duraluminiu sau aliaje pe bază de titan, magneziu, materiale compozite etc.

1.4. Aripi cu structură neconvențională, structuri adaptive

1.4.1. Introducere

Cercetătorii încearcă să treacă prin limita configurației convenționale cu aripi fixe și să proiecteze o aripă care poate să se răsucească, să se plieze, să se mute sau să se transforme în timpul zborului. Pentru a face acest lucru, cercetătorii au primit ajutor de la cel mai mare învățător din toate timpurile – natura.(zborul pasărilor)De la începutul universului, omenirea s-a inspirat din zborul pasărilor. Cu adevărat morphing-ul aeronavelor începe la începutul aviației cu primul zbor al fraților Wright .

Majoritatea avioanelor de astăzi dispun de un design convențional cu aripi fixe care le permite sa facă un lucru foarte bine, dar au performante slabe in multe alte sarcini. De exemplu, un avion trebuie adesea să treacă de la un rol de atac la o misiune de survolare sau așteptare. Cu toate acestea, cele două sarcini se contrazic reciproc în ceea ce privește cerințele lor de proiectare, iar singura modalitate de a optimiza eficiența avionului este schimbarea formei aripii în zbor prin tehnologia de morphing. Avioanele morphing sunt avioane multi-rol care își pot schimba în mod semnificativ formele exterioare pentru a îndeplini cerințele misiunilor diferite în timpul zborului. Tehnologia de morfing poate varia de la morphing la scara mică, cum ar fi trenul de aterizare retractabil, flapsuri, voleti de bord de atac, pana la mophing la scara larga, cum ar fi aripile răsucite si aripile pliante.

1.4.2. Clasificarea aeronavelor morphing

Cercetările curente a aeronavelor cu morphing se concentrează asupra schimbării semnificative a formei aripi ce are ca efecte comportamentul diferit in timpul zborului. Aeronavele morphing se clasifică in doua categorii: aripa morphing si înveliș morphing.

Aripa morphing se subclasifica in trei categorii: modificarea formei aripi(unghiului de săgeata ,anverguri, corzi) , modificarea planului aripi din exterior(îndoirea aripi, răsucirea aripi, plierea aripilor),modificarea profilului aripi (curbura profilului, grosimea profilului)

a)Anvergura variabila

Un concept de aripa morphing este aripa cu anvergura variabila pentru o aripa fixa. Aripile cu anvergura mare sunt eficiente din punct de vedere al combustibilului si al razei de acțiune dar au o viteza de croaziera mica. Pe de alta parte aripile cu anvergura mica sunt bune la manevre de acrobație rapide dar sunt slabe din punct de vedere aerodinamic. O aripa cu lonjeron variabil poate integra ambele avantaje într-o singura aripa. Acest concept mărește calitățile aerodinamice , a razei de acțiune si a vitezei de croaziere, dar exista un risc la incastrarea aripi când aceasta se mărește apare un moment de îndoire ce trebuie luat in considerare. Atât aeroelastic cat si aerodinamic trebuie luat in seama. Idea este bazata pe un mecanism telescopic al lonjeronului.

Fig.1.2. Avion cu anvergura variabila [MIL 10]

b) Aripa cu unghi de săgeata variabil

Următorul exemplu al unei aripi de morfing este conceptul de aripă in săgeata variabila, in care o aripa poate sa își schimbe unghiul de săgeata in timpul zborului. Când un avion zboară cu o viteză apropiată de viteza sunetului, aripile vor începe să vibreze și un val de unda de șoc se va forma în spatele aripilor, ceea ce creează o rezistenta la înaintare mare. Pentru a minimiza forța de rezistenta la înaintare la viteze mari ,aripile se vor alungi schimbându-se unghiul de săgeata.

În 1948 a fost construit primul avion cu săgeată variabilă Bell X-5, capabil să-și modifice

săgeata aripii în zbor pe trei poziții 20°, 40° și 60°.

Cea mai recenta aeronava de producție care utilizează aripa in săgeata variabil este Tupolev Tu-160,a zburat prima oara in 1981.Dezavantajele asociate aripi in săgeata variabile sunt: mecanismele grele de transmisie si mecanismul de pivotare, care trebuie sa transmită încărcături foarte mari, precum și complexitatea sistemului cum ar fi necesitatea de a găzdui extremitatea aripii în interiorul fuzelajului.

Fig.1.3. Tupolev Tu-160 [MIL 10]

c) Aripa cu coarda variabila

Un alt concept care permite mărirea corzi aripi este găsit la aeronava LIG-7 făcută de Bakshaev. Aceasta tehnologie a fost pusa in practica in 1937,sectiunea telescopica extinsa din fuzelaj ajuta la mărirea suprafeței portante la viteze mici la aterizare/decolare . Succesul acestui concept este evident in reducerea distantei de decolare de la 250m la 135 m si reducerea distantei de aterizare de la 210 m la 110 m.

Fig.1.4. Avion cu aripa telescopica [MIL 10]

d) Aripi pliabile

Conceptul de aripi pliabile este o altă tehnologie populară de morfing. Conceptul a început în 1915, când Frederick Handley Page a inventat primul bombardier Handley page O/400 in primul război mondial. Mecanismul pliabil de aripa a permis avionului sa încapă într-un hangar de tip Bessoneau standard in ciuda aripilor mari. Mai târziu, in 1920 ,când a existat o nevoie tot mai mare în SUA pentru ca avioanele să ocupă mai puțin spațiu în portavioane, inginerii lui Grumman au inventat o aripă pliabilă numită aripa STO. Aripa STO a fost aplicat avionului Wildcat si a reușit sa sporească capacitatea de transport a portavioanelor din al doilea război mondial cu mai mult de 50%.

Fig.1.5. Avion cu aripii pliabila [MIL 10]

Următorul concept se refera la transformarea unui avion biplan in avion monoplan, prototipul este un avion militar IS-1 Shevchenko care a zburat prima data 1940.Aceasta aeronava folosea o configurație de aripa biplană în timpul decolări respectiv aterizări si sporirea manevrabilități in timpul misiuni militare. Pentru viteze de zbor mari ,aripa de jos se plia peste aripa de sus.

Fig.1.6. IS-1 by Shevchenko [MIL 10]

e) Aripi rasucibile

Un exemplu de aripă cu geometrie variabila este avionul jet cu aripa oblica. Prima teorie dezvoltata pentru aripa oblica a ajuns la concluzia ca, o aeronava de transport supersonica ar putea atinge un câștig de combustibil mai mare de doua ori decât a aeronavelor cu aripa obișnuita. La mijlocul anilor 1970 , NASA Dryden ,a început cercetarea unei aeronave cu aripa oblica. Aripa oblica ,pusa pe avionul AD-1 se putea roti din centrul ei de pivotare in cele mai eficiente unghiuri pentru viteza si misiunea de zbor.

Fig.1.7. Avion cu aripa oblica [WWW 03]

Aripa oblică a lui AD-1 pivotează în jurul fuzelajului, rămânând perpendiculară pe acesta în timpul zborului lent și modificându-se până la unghiuri de 60 de grade in timp ce viteza aeronavei a creste. Piloții de încercări de la Centrul de Cercetare a zborurilor din Dryden, au zburat cu aeronava de 79 ori. Deși aripa oblica este încă considerat un concept viabil pentru aeronavele de transport mari, caracteristicile neplăcute ale zborului AD-1 la unghiurile de aripa extreme ar fi putut descuraja designerii si inginerii de aeronave sa adopte aceasta configurație exceptând faptul ca rezultatele testelor in tunelurile aerodinamice au ieșit pozitive.

Un alt exemplu de aripa irascibilă este in cazul convertoplanului conceput de Canadair CL-84,acesta își rotește aripa dea lungul axei de anvergura, având ca efect in faza aterizări si decolări aeronavei. Aceasta abordare s-a realizat din cauza vitezelor mici de croaziera in cazul elicopterelor obisnuite.Cl-84 după faza decolări își modifica aria transformându-se într-un avion având si o viteza de croaziera mare. S-au realizat 4 astfel de aeronave in perioada 1970-1975,dintre care 1 a avut probleme tehnice si nu au zburat niciodată celelalte 3 au aduna in jur de 700 de zboruri pilotate de către piloți canadieni civili si militari.

Fig.1.8. Convertoplanul Canadair CL-84 [www 04]

f) Modificarea curburi profilului

Programul demarat de NASA ce avea misiunea de a crea aripi adaptive (Mission Adaptive Wing (MAW)) intre ani 1979 si 1984,a avut ca ținta proiectarea si testare unei aripi cu profile variabile atât pe intrados cat si pe extrados. Acest program s-a folosit de niște materiale flexibile si actuatori hidraulic pentru modificarea curburi profilului.Ca rezultat programul micșorarea rezistentei de înaintare in zborul subsonic, transonic si supersonic in toate fazele zborului.

Fig.1.9. Modele de aripi adaptive [MIL 10]

Caracteristicile aerodinamice ale unei aripi pot fi modificate prin ajustarea profilului aerodinamic. În proiectare a fost propusa o structura asemănătoare cu principiul șurub piuliță, actuatori electrici sau pneumatici au fost propuși pentru schimbarea profilelor aerodinamice. A fost propus un nou sistem ce depinde de actuatori interni si învelișul aripi. Aliajele cu memorie de forma si alături de servomotoare inteligente au fost implementate in aceste sisteme de modificare a profilelor .

Fig.1.10. Avion care își schimbă unghiul de săgeată [MIL 10]

g) Aeronave morphing în prezent și tendințe

Revenirea la aripa flexibilă, adaptivă, este un concept studiat în prezent de armata americană, NASA, organizații de cercetare, universități americane și europene:

Avionul Morphing Flight Model își schimbă săgeata și lungimea corzii, folosind pentru înveliș un material flexibil care se deformează după cum se modifică scheletul aripii și asigură astfel protecția acestuia chiar la viteze mari. Încercările făcute au arătat că avionul poate să-și modifice suprafața aripii cu 40%, anvergura cu 30% și unghiul de săgeată, de la 15° la 35°.[NIC 11]

Fig.1.11. MFX-1 Morphing Flight Model [WWW 06]

Conceptul Lockheed Martin, se orientează in domeniul aripii morphing spre o aripa pliabila care-si schimba forma din poziție complet extinsa in poziție de atac in 10-39 secunde. Avionul folosește învelișuri din silicon ranforsate cu metal care permit elongația de 150% in zona șarnierei.

Universitatea din Bristol a ales să se concentreze asupra avioanelor cu winglet-uri adaptive. Acestea, mișcate în tandem permit botului avionului să se pivoteze în sus sau în jos fată de profilul aripii și îl ajustează pentru un nou echilibru longitudinal. Când sunt mișcate diferențiat, winglet-urile adaptive fac posibilă înclinarea avionului deoarece o jumătate de aripă produce mai multă portanță decât cealaltă[NIC 11]

Fig.1.12. Avion cu winglet-uri adaptive [WWW 05]

În lumea științifică, există în prezent certitudinea că obiective precum îmbunătățirea

performanțelor nu pot fi realizate utilizând materiale și sisteme de acționare clasice. De

aceea, efortul de concepție și de realizare a avioanelor adaptive / morphing, are ca

fundament materialele inteligente, cu efect de memorie a formei, precum și a sistemelor

de acționare distribuită, a sistemelor adaptive. Pe alte direcții, oamenii de știință

încearcă dezvoltarea de noi tehnologii și mecanisme adaptive / morphing, care să își

poată modifica forma funcție de necesitățile si parametrii locali, astfel încât să răspundă

solicitărilor impuse într-un mod optim.

Morphing este o tehnologie minunata care se dovedește a fi o opțiune in conceptele viitoare. Dintr-o cercetare a Aibus, aeronava viitorului poate fi construita folosind structura bionica care poate fi văzută in structura osoasa a pasărilor. Este ușoara, puternica si creează spațiu suplimentar pentru o sarcina utila. Cercetarea continuă, NexGen spune ca prin utilizarea conceptului de pliere a învelișului astăzi, multe avioane militare își pot schimba unghiul de săgeata in timpul zborului neavând mari dificultăți. Folosind acest concept viitoarele aeronave vor fi capabile sa-si modifice performantele pentru viteze mari, aterizare, decolare, manevre si respectiv așteptare într-un mod cu randament crescut asupra consumului de combustibil si emiselor de CO2.

Fig.1.13. DARPA Morphing Program [WWW 06]

1.5. Obiectivele lucrării

Obiectivul principal al lucrări este reprezentat de studiul aerodinamic al unei aripi cu bord de atac ondulat în vederea determinări performantelor aerodinamice (coeficient de portantă, coeficient de rezistență la înaintare). Pentru îndeplinirea obiectivului principal au fost realizate câteva subobiective importante:

Proiectarea unei aripi cu bord de atac ondulat

Analiza performantelor aerodinamice. Studiu comparativ aripa convențională – aripă ondulată.

Calculul sarcinilor pe aripă

Analiza cu elemente finite a structurii de aripă

Procedurile de reparație a suprafețelor de comanda ale avionului confecționate din materiale compozite.

2. Reglementări aeronautice specifice avioanelor de transport

Agenția Europeană pentru siguranța aviației sau EASA este o agenție a Uniunii Europene cu responsabilitatea pentru siguranța aviației civile. Acesta efectuează certificarea, reglementarea și standardizarea și efectuează, de asemenea, investigații și monitorizare. Aceasta colectează și analizează date de siguranță, schițe și consiliază legislația privind siguranța și coordonează cu organizațiile similare din alte părți ale lumii.

Aplicabilitate pentru[CS-25].

Se regăsesc specificațiile de certificare pentru avioanele de transport mari, motopropulsoare cu turbina.

Limite de mase [CS-25]

Masa maxima trebuie stabilita corespunzător condițiilor de exploatare a avionului cum ar fi (rulajul, decolarea, aterizarea) , condițiilor de mediu cum ar fi (altitudinea si temperatura) si poziția centrului de greutate si nu mai mult de :

-Cea mai mare masa aleasa de proiectant pentru condițiile speciale;

-Cea mai mare masa la care structura de încărcare este in conformitate cu normele de siguranța;

-Cea mai mare masa la care nu se depășesc limitele de zgomot admise.

Masa minima este stabilită astfel încât să nu fie mai mică de:

-Cea mai mica masa aleasa de proiectant;

-Sa respecte condițiile de încărcare structurala minime;

-Cea mai scăzută masa la care zborul este posibil.

Cerințele minime și normele de stabilire a performanței referitoare la utilizarea sigura a aeronavei sunt stabilite în reglementările de navigabilitate și orice abatere în acest domeniu, în general, nu sunt permise.

Cerințele de bază pentru designul aripilor sunt asociate cu aspecte de performanță și operare, caracteristici de zbor și manipulare, proiectare structurală și considerații generale de proiectare.

Condițiile sunt derivate intre optimizarea încărcării aripilor a aeronavelor cu autonomie mare și în comparație cu restricțiile privind încărcarea aripilor impuse de cerințele de performanță cu viteză scăzută , volumul rezervoarelor si plafonul de zbor al avioanelor la viteze mari subsonice.

Informațiile privind cerințele de manipulare a aeronavei la viteze de angajare, caracteristicile de angajare a profilului și progresia vitezei de angajare pe aripa întreaga.

Din analize de curgere pe numere critice Mach, se găsesc combinații intre forma aripii si a raportului de grosime a aripii pentru a se ajunge la un consens intre viteza dorita si încărcarea aripii.

Cerințe generale de proiectare

Aeronava trebuie să satisfacă performanță stabilite din proiectare si design , în aceste limite, trebuie să obțină cel mai bun randament economic și flexibilitate operațională.

Caracteristicile zborului trebuie să fie satisfăcătoare atât la viteze mari, cât și la viteze mici, cat si la altitudini înalte și joase și la diverse configurații (unghiuri de flaps, setări de alimentare).

Trebuie să fie posibilă proiectarea unei structuri în cadrul aranjamentului general care îndeplinește cerințele privind rezistența, rigiditatea, greutatea, durata de viață, accesibilitatea, dezvoltarea și costurile de fabricație.

Trebuie să se prevadă un spațiu suficient pentru combustibil și să se permită atașarea și retragerea diverselor ansambluri mobile.(trenul de aterizare, suprafețe de comanda)

Toate cerințele pot fi îndeplinite, de asemenea, depinzând si de diverși alți factori, cum ar fi tracțiunea motorului (putere motorului) și consumul de combustibil, proiectarea ampenajelor, distribuția masei etc.

Pe aeronave de mare viteză designul structural poate fi complicat prin efecte aeroelastice puternice de exemplu, pot apărea diferite forme de flutter sau inversarea eleronului.

Aceste obstacole pot fi prevenite prin analize prin repoziționarea grupului moto-propulsor, folosind eleroane de mare viteză și spoilere. Obiectivul de proiectare a aripilor structurale preliminare este de a oferi un bun punct de plecare pentru proiectarea detaliată.

Calculul de rezistență al aripilor

Calculul de rezistență pentru structurile aeronautice are drept scop principal să determine exact modul în care structura se comportă sub sarcinile exterioare, respectiv să se demonstreze că aceasta satisface criteriile de rezistență impuse în reglementările aeronautice. Calculul de rezistență are două etape:

-Determinarea eforturilor efective din elementele structurii sub solicitările exterioare;

-Verificarea criteriilor de rezistență conform cerințelor impuse de reglementările aeronautice.

Solicitările pe aripă

După cum se cunoaște, pentru o aripă de avion cazul critic de calcul este resursa la factorul de sarcină maxim admis pentru avion. Într-o astfel de evoluție forțele care acționează pe aripă sunt:

Forțe aerodinamice: forța portantă, forța de rezistența la înaintare a aripii, momentul aerodinamice (forțe aerodinamice distribuite atât pe anvergură cât și în profunzimea acesteia);

Forțele masice care pot fi concentrate sau distribuite, provenite de la diverse componente (rezervoarele de combustibil, armamentul acroșat, greutatea proprie a motoarelor, trenul de aterizare, greutatea aripii). Aceste forțe vor fi multiplicate cu factorul de sarcină corespunzător evoluției aeronavei.

Dispozitive de hipersustentație si control al zborului

Dispozitivele de hipersustentație sunt necesare pentru ca vitezele de zbor sa nu atingă valori inacceptabile in timpul decolări, aproprieri si decolări. Aceste dispozitive sau dovedit vital de importante pentru operarea in siguranță a aeronavei si pentru reducerea consumului de combustibil prin reducerea rulajului la decolări/aterizări.

3. Stabilirea și proiectarea soluției constructive propuse

3.1. Stabilirea soluției constructive propuse.

In ultimii ani si nu numai, într-un sens foarte real, oamenii de știință și inginerii , au permis plantelor și animalelor să le instruiască Ei studiază și imită caracteristicile de design ale diverselor vietăți ,un domeniu cunoscut ca biomimetica , în efortul de a crea noi produse și de a îmbunătăți performanța celor existente. Biomimetica sau biomimetismul este imitarea de modele, sisteme și elemente ale naturii în scopul de a rezolva probleme umane complexe.

3.1.1. Trecutul si prezentul biomimetici

Natura a reprezentat o sursa de inspirație pentru inventatori, artiști, poeți si arhitecți de-a lungul timpului. Arhitecții egipteni s-au inspirat din frunzele plantelor de lotus și din structura palmierilor pentru a crea coloanele clădirilor.

Arhitectura nu a fost însă singurul domeniu influențat, de-a lungul timpului, de natură. Una dintre cele mai cunoscute invenții ale secolului al XX-lea, Velcro (banda scai) a fost inspirată de cârligele minuscule de pe suprafața scaieților și ciulinilor.

Un alt exemplu de biomimetism îl constituie adezivul din soia inspirat de proteinele lichide folosite de midii pentru a se atașa de stânci. Adezivul a fost creat de un cercetător de la Universitatea din Oregon, pe lângă ca nu are nici un efect secundar asupra sănătății umane este si mai ieftin.

Un concept de biomimetism este folosit in zilele noaste în construcția trenurilor de înaltă viteza, proiectanții din toata lumea au conceput locomotive pentru a seamănă cu ciocul pasărilor pentru a reduce rezistenta la înaintare si implicit la viteze mari.

Fig.3.1 Biomimica în industria constructoare de locomotive [WWW 07]

În industria constructoare de automobile ,s-a creat un prototip de autovehicul cu rezistență mica la înaintare ,acesta a fost inspirat de designul peștelui boxfish.

Fig.3.2. Biomimica peștelui boxfish[WWW 08]

Unul dintre primele exemple de biomimetica a fost studiul păsărilor pentru a permite zborul uman. Deși nu a reușit să creeze o "mașină zburătoare", Leonardo da Vinci (1452-1519) a fost un fin observator al anatomiei și al zborului păsărilor, făcând numeroase note și schițe de "mașini zburătoare". Frații Wright, care au reușit primul zbor cu un aparat mai greu decât aerul în 1903, s-au inspirat din zborul porumbeilor.

Tot mai des natura este sursa de inspirație pentru drone si roboti. Primul prototip al unei nanodrone ce imita zborul unei păsări-colibri a fost capabila sa zboare cu 18 km/h . Cercetătorii americani încearcă să reproducă zborul moliei colibri, o insectă ce poate plana la fel ca pasărea-colibri, dar la o scară mai mică. Se cunoaște faptul ca aripile avioanelor de astazi reproduc forma aripilor pasărilor. Recent niște cercetători de la Universitatea din Florida au construit un avion radio-telecomandat ce imita atât forma cat si caracteristicile aerodinamice a pescărușului de mare. Aceasta drona are capacitatea de a zbura ,urca si cobora foarte rapid.

Fig.3.3. Model inspirat de la pescarus[WWW 08]

3.1.2. Conceptul de dispozitiv pentru imbunatatirea stratului limita

Soluția constructiva ce va fi explicata in acest capitol, este inspirata de la balena cu cocoașa (Megaptera novaeangliae). O balena adulta care cântărește aproximativ 30 de tone si are o lungime de 12 m. Remarcabila agilitate pe care o are balena sub apa au ridicat semne de întrebare cu privire la forma ei. Înotătoarea laterala a balenei cu cocoașa nu este dreapta, are pe bordul de atac niște protuberante cu funcția de a spori portanta. Mai precis, atașarea fluxului de aer este menținută pe o gama mai mare de unghiuri de incidenta, întârziind angajarea (Fish and Battle, 1995) si creșterea coeficientului maxim de portanta Clmax, cu penalizări minime de rezistenta la înaintare (Miklosovic, Murray, Howle & Fish, 2004).Acestea sunt considerate caracteristici importante pentru înotul balenei cu cocoașă, care este implicata in întoarceri strânse pentru a capta prada in ciuda faptului ca înotătoarea laterala are o lungime de aproximativ 12-14 m si o masa de aproximativ 40 de kg.

Prin urmare, o adaptare morfologica pentru întârzierea angajări este foarte benefica balenei deoarece ar creste coeficientul de portanta maxim, ce permit viraje mai strânse. Un alt avantaj al întârzierii angajării este acela ca un coeficient de portanta echivalent se poate atinge la o viteza de curgere mai scăzută pentru un profil cu protuberante pe bordul de atac in comparație cu un profil nemodificat.

Fig.3.4. Balena cu cocoașa [FIS 06]

3.1.3. Funcționalitatea protuberantelor pe bordul de atac al aripi

Aceste protuberante inspirate din natura au fost descriși ca funcționând pe raza curentului de fluid într-o maniera comparabila cu cea produsa de strak-urile puse pe aeronave. Physics of Fluids a remarcat faptul ca aceste proeminente par a funcționa într-o maniera similara cu generatoarele de vârtejuri. In realitate, se pare ca ambele si generatoarele de vârtejuri și protuberantele energizează stratul limită ce curge pe aripa și o menține atașată îmbunătățind portanta la unghiuri mari de incidentă. Amândouă îmbunătățesc portanța prin generarea unor fluxuri spiralate contrarotaționale ce are ca efect întârzierea angajări și energizarea stratului limita.

Experimentele efectuate in tunelul aerodinamic, folosind doua modele de aripi una simpla si cealaltă cu protuberante sinusoidale pe bordul de atac au aratat că aripa cu bordul de atac sinusoidal întârzie apariția angajări la unghiuri foarte mari și mărește portanta fără a mari rezistenta la înaintare (Miklosovic et al. 2004).Unghiurile de angajare apar la 12 grade la aripa simpla si la cea cu forma sinusoidala apare la 16.3 grade. Coeficientul de portanta este ceva mai mare pentru modelul de aripa sinusoidal. Coeficientul de rezistenta la înaintare Cd este mai mic intre unghiurile de incidenta 12 si 17 grade, la aripa cu bord de atac sinusoidal ,si foarte puțin mai mare intre unghiurile de incidenta 10 si 12 grade. Vârful polarei a raportului Cl/Cd al aripii sinusoidale este mai mare pentru aripa sinusoidala.[FIS 06]

Fig.3.5. Comparație între înotătoarea ondulata/clasica [FIS 06]

În cele ce vor urma va prezint analiza de curgere a doua profile NACA 63-021 una cu bord de atac drept si a doua cu bord de atac sinusoidal. S-a folosit un curent de aer turbulent după legea Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS).Pe secțiunea aripii fără proeminente apare o linie de separare. Pentru aripa cu proeminente se vede cum vârtejurile se formează de-a lungul bordului de fuga iar fluxul posterior este arătat ca o linie dreapta fără separare.

Fig.3.6. Formarea de vârtej [FIS 06]

S-a aratat anterior ca mecanismul responsabil pentru imbunatatirea performantei este generarea de vartejuri in flux,care sporesc schimbul de impulsuri in interiorul stratului limita. (Fish and Battle, 1995; Miklosovic et al., 2004).Prin urmare, exista o similitudine intre proeminentele de pe bordul de atac si dispozitivele generatoare de vortex in prezent utilizate cum ar fi strake- urile sau micile aripioare in forma de delta (Fish, Howle & Murray, 2008).

Fig.3.7. Dispozitive de vartej [WWW 09]

Datorita potențialelor avantaje de crestere a portantei ale acestor protuberante sunt neglijabile penalitățile a rezistei la înaintare produse de acestea. Se anticipa ca acestea vor fi adoptate pe scara larga pentru diverse sisteme in viitorul apropiat.

Dispozitivele ce utizeaza acest concept folosite în ziua de azi

Ca urmare ,la aplicarea proeminentelor inspirate de la balena cu cocoașă, pe bordul de atac pentru controlul fluxului de aer in stratul limita pasiv, are potențial in proiectarea: suprafețelor de control, ventilatoarelor si palelor turbinelor eoliene.

Fig.3.8. Protuberante sinusoidale in suprafețe de comanda[FIS 06]

Submarin propulsat de om care pe suprafețele de comanda au aceste ondulați pentru reducerea rezistentei la înaintare.

Cele mai des întâlnite dispozitive ce folosesc acest concept sunt in domeniul automobilistic de mare viteza si in industria constructoare de turbine eoliene.

In formula 1 eleronul de sus al numeroaselor mașini de curse ce au aceste proeminențe pe bordul de atac ce permite fluxului de aer sa treacă prin secțiunile mai scurte. Acestea sunt considerate generatoare de vârtej ce reduc rezistenta la înaintare prin destabilizarea fluxului de aer.

Fig.3.9. Eleronul mașinilor cu ondulații [www 10]

Turbina eoliană cu protuberanțe abordează limitările fundamentale ale performatei aerodinamice convenționale cum ar fi instabilitatea generări de energie ca urmare a vântului slab. Aceste proeminente ajuta la atașarea aerului de palele turbinei eoliene întârziind astfel angajarea ei si sporirea generări energiei electrice cu vanturi slabe.

Fig.3.10. Turbina eoliana cu ondulații [www 11]

3.2 Proiectarea soluției constructive propuse

In acest proiect, se va lua in considerare modelarea unei aripi neconvenționale, cu protuberante pe bordul de atac , inspirat de la înotătoarea balenei cu cocoașa cu scopul de a îmbunătăți calitățile aerodinamice si comportări ei la unghiuri mari de incidenta.

Soft-ul de modelare 3D folosit este Solid Works 2016.

Construcția unei aripi reprezintă în general, o combinație de elemente tip, ce se pot clasifica astfel:

-Înveliș;

-Structura interioară (schelet) la care se deosebesc elementele: longitudinale (lonjeroane, lise);

transversale (nervuri)

Modelarea învelișului

Prima operație in vederea realizări învelișului este delimitarea exterioara a aripii.

Într-un 3DSketch s-au trasat liniile ce delimitează aripa si s-au introdus in fiecare plan profilul preferat pentru tronsonul respectiv. Pentru aceasta aripa se va folosi un număr de trei profile distincte. Aceste profile au fost preluate din documentate de la avionul Boeing 737-800.

Fig.3.11. Profilele. Delimitarea aripii. Inserarea de profile specifice tronsonului

S-au creat planurile in vederea poziționări pofilelor ce v-or urma. S-a avut ca reper planul frontal(Front plane).

Fig.3.12. Inserarea de planuri

S-a inserat si poziționat in fiecare plan creat precedent profilul alocat pentru formarea protuberantelor.

Fig.3.13. Inserarea de profile

Din modulul Surface din Solid Works se folosește comanda Surface-Loft pentru a crea suprafața după profilele precedente.

Fig.3.14. Folosirea comenzi Surface-Loft

Rezultatul folosiri comenzii.

Fig.3.15. Suprafața învelișului din doua vederi

În primul 3DSketch se trasează liniile pe care se v-or face decupările din suprafața in urma împărțiri învelișului, delimitarea suprafețelor de comanda

Fig.3.16. Crearea de linii ajutătoare

Cu ajutorul comenzii Split din Features se decupează o prima parte din înveliș, urmat de folosirea următoarei comenzi numita Thicken care are rolul de a da grosimea suprafeței respectiv învelișului. Se alege o grosime de 3mm si se bifează căsuța de dialog cu extrudare în afara suprafeței pentru nu a interfera cu viitoarele modificări si astfel s-a modelat învelișul. În final se mai folosește încă odată comanda split pentru a decupa si delimita porțiunile de înveliș.

Fig.3.17. Invelisul final

Modelarea lonjeronului principal

Primul pas in realizarea lonjeronului este crearea conturului lonjeronului la extremitate si la încastrare într-un sketch.

Fig.3.18. Sketch-urile de la incastrare si extremitate

Al doilea pas în urma realizării lonjeronului principal este acela de a crea 8 sketch-uri dea lungul lonjeronului pentru o extrudare mai precisă.

Fig.3.19. Crearea de sketch-uri cu forma lonjeronului

Al treilea pas este folosirea comenzi din Features Lofted Boss/Base în care alegem formele din sketch-uri.

Fig.3.20. Lonjeronul principal finalizat

Modelarea lonjeronului secundar

În mod similar ca la lonjeronul principal s-a creat conturul exterior in planul de la incastrare si in planul de la extremitate a viitorului lonjeron.

Fig.3.21. Forma profilului

Apoi s-au creat și celelalte sketch-uri de ajutor pentru extrudarea mai exactă și mai conforma cu grosimea învelișului pe care vine prinsă.

Fig.3.22. Sketch-urile de ajutor pentru lonjeronul principal

Folosind din Features comanda Lofted Boss/Base s-a extrudat lonjeronul folosindu-ne și de acele linii ajutătoare ce se pot vedea din poza de mai sus

Fig.3.23. Lonjeronul secundar finalizat

Modelarea nervurilor

Pentru realizarea nervurilor aripii m-am ajutat de modelarea învelișului mai exact de construcția de profile de la început.

Fig.3.24. Inserare de profile

S-a folosit de comanda din Features Lofted Boss/Base cu diferența dintre cea de la înveliș ca extrudarea de aceasta data se face către interiorul profilului nu în exteriorul profilului ca la înveliș.

Fig.3.25. Suprafața de lucru pentru nervuri

După câteva decupări din suprafața de lucru s-a tăiat locul în care o sa vină lonjeronul principal.

Fig.3.26. Pregătirea nervurilor

S-a inserat planele de referință în vederea decupări ulterioare

Fig.3.27. Crearea de plane in vederea decupări

Folosind planele făcute anterior și cu ajutorul comenzi Split s-a decupat definitiv nervurile la dimensiunile dorite.

Fig.3.28. Nervurile după tăierea cu ajutorul comenzi split

Cunoscând dimensiunile lonjeronului secundar și după crearea unei suprafețe de taiere s-a putut să se decupeze cu ajutorul comenzi Split nervurile la dimensiunile finale.

Fig.3.29. Nervurile dimensionate

După aplicări repetate a comenzii Shell s-a format nervurile cu interior subțire pentru ușurarea greutăți..

Fig.3.30. Nervurile după aplicarea comenzi Shell

Pentru ușurarea masei nervurilor am optat pentru efectuare unor găuri de diametru 400 mm.

Fig.3.31. Nervura finală

În modulul Assembly se asamblează aripa cu toate elementele constituente și se aleg materialele aferente acestora.

Fig.3.30. ansamblu final aripă ondulată

4. Calculul sarcinilor pe aripă

4.1. Calculul sarcinilor globale aerodinamici pe aripa

În următorul capitol o sa va prezint calculul sarcinilor aripi ondulate plasate pe aeronava de transport pasageri Boeing 737-800.

Calculul desfășurat îl veți găsi in anexa in cele ce urmează vă prezint relațiile de baza, cu rezultatele obtinute. Calculul a fost făcut cu ajutorul programului Mathcad iar relațiile au fost preluate din Grosu.

Coeficientul de portanță al aripii s-a preluat din analiza făcută in flow simulation.

Coeficientul de rezistență la înaintare s-a preluat din analiza făcută in SolidWorks.

Unghiul de incidență al aripii in grade.

[grade]

În toate calculele in care apare densitatea aerului s-a calculat pentru un regim de croaziera la altitudine de 2000 m.

(4.1.)

(4.2.)

4.2. Calculul sarcinilor globale masice pe aripa

Sarcinile globale sunt distribuite pe suprafața aripii. Distribuția lor depinde de forma in plan a aripii, pe de o parte, iar pe de alta parte, de modul cum se distribuie in lungul anverguri.[GRO 61]

T=52000 [N]-tracțiunea motorului

Ga = 1850[kg]-greutatea aripi

Gtr = 200 [Kg] – greutate tren principal de aterizare

G = 30000 [Kg] – greutatea maximă a avionului Boeing 737

(4.3.)

(4.4.)

(4.5.)

(4.6.)

(4.7.)

(4.8.)

(4.9.)

(4.10.)

(4.11.)

(4.12.)

4.3. Calculul sarcinilor distribuite

Structura de rezistenta a aripii se construiește totdeauna raportând-o la coarda profilului, vom raporta si noi in calcule pentru sarcinile globale.

Se cunoaște coarda la incastrare este de 5.4 m, iar coarda la extremitate de 1.26 m.

Se aleg 10 secțiuni de calcul de la incastrare pana la extremitate:

j = 1.2…8 , i = 0,1..9, n = 0..3 ,

unghiul de sageata:1.7 [grade]

b = 15.8 [m]

Distanța la care se află fiecare secțiune, în funcție de lungimea aripi [m].

(4.13.)

(4.14.)

(4.15.)

(4.16.)

(4.17.)

(4.18.)

(4.19.)

(4.20.)

(4.21.)

(4.22.)

(4.23.)

(4.24.)

Distribuția sarcinii aerodinamice pe aripa in lungul corzii se cunoaste ca debinde de unghiul de incidenta, iar când avem de-a face cu un bracaj de flaps sau volet depinde si de unghiul de bracaj. S-a calculat doar pentru aripa fără voleți.

Pentru a efectua analiza FEA a structuri aripii ondulate s-au efectuat o serie de calcule pentru a determina presiunile aferente. Aceste presiunii au fost obținute după împărțirea anverguri aripii in 10 suprafețe începând de la incastrare pana la extremitate. Aceste valori au fost măsurate in Solid Works.

Tabelul 4.1. Reprezintă presiunile pe secțiunile aripii

În anexa se va găsi calculul complet și detaliat făcut în Mathcad.

5. Analiza aerodinamica a aripi. Studiul comparativ aripa convențională-aripa neconvențională

În cadrul acestui capitol va voi vorbi despre calitățile aerodinamice a aripi modelate si investigate din capitolele precedente si comparația ei cu aripa clasica mai exact comparația dintre aripa neconvenționala si aripa clasica cea fără proeminentele de pe bordul de atac.

De menționat ca toate dimensiunile de gabarit a aripi clasice cat si cele ondulate sunt identice pentru a se putea compara exact din toate punctele de vedere.

Softul utilizat pentru analizele de curgere este Solid Works 2016 Flow Simulation.

5.1. Analiza aerodinamica a aripi ondulate

Analiza aerodinamica a aripi neconvenționale sau ondulate s-a efectuat pe un model simplificat pentru a evita posibilele inadvertentele, acesta a fost realizat in SolidWorks 2016.

Așadar va voi prezenta modelarea aripi simplificate in vederea supuneri ei la testele de curgere.

5.1.1. Modelarea aripi ondulate

S-a preluat construcția, scheletul de la modelul realizat anterior.

Fig.5.1. Profilele dimensionate

Având scheletul copiat de la modelările precedente mi-a mai rămas sa crez corpul propriu-zis. Folosind comanda din Features Loft Boss/Base selectând fiecare profil in ordine si utilizând si liniile ajutătoare ce delimitează profilele pentru a se asigura o extrudare perfecta astfel se creează aripa pentru testele de curgere.

Fig.5.2. Modelul de aripa ondulata

Modelul acesta este creat special pentru analizele de curgere si din aceasta cauza aripa este plina sa nu influențeze in vreun fel curgerea aerului, deoarece spatiile mici, găurile pot influenta curgerea si implicit apar si erorile in rezultate.

5.1.2. Efectuarea analizei de curgere

În modulul Flow Simulation se folosește comanda Wizard. Aceasta comanda deschide niște ferestre de dialog ce au rolul de a alege diferite opțiuni de analizare:

-sistemul de măsura dorit. S-a ales sistemul internațional de măsura (m,kg,s)

-tipul analizei-a ales analiza exterioara si s-a bifat căsuța sa excludă cavitățile si spatiile interne pentru o analiza mai exacta a exteriorului aripi.

Fig.5.3. Tipul analizei

-tipul fluidul cu care o sa se facă analiza s-a ales din biblioteca de fluide ,respectiv de la tabul gaze aer. S-a bifat și căsuța cu regimul de curgere turbulent.

Fig.5.4. Tipul fluidului

-parametri și caracteristicile generale a fluidului s-a ales presiunea, densitatea, viteza și nivelul de turbulentă a fluidului. Viteza la care se fac analize este de 221 m/s.

Fig.5.5. Parametri fluidului

Pentru a putea face analiza la diferite unghiuri de incidenta si sa nu se mărească considerabil timpul de calcul s-a clonat primul proiect prin comanda Clone Project din modulul Flow simulation și s-a modificat doar vectorul viteza după cum urmează.

Tabelul 5.1. Unghiurile de incidenta si vitezele aferente acestora.

Alegerea domeniului de calcul s-a făcut după cum este ilustrat in figura de mai jos din modulul Imput Data->Computational Domain. De precizat ca toate valorile sunt in metri.

Fig.5.6. Domeniul de calcul

Următorul pas este de a seta obiectivele analizei. Pentru a putea sa se calculeze forța portanta si rezistenta la înaintare se bifează din modulul Imput Data->Goals->Global Goals fortele Normal Force (x) pentru rezistenta la înaintare si respectiv Normal force (y) pentru a se calcula forța portanta.

Fig.5.7. Alegerea obiectivelor analizei

Pentru a se calcula coeficienții aerodinamici Cx si Cz s-a notat în tabul Equation Goal relațiile celor doi coeficienții prezentate mai jos.

Coeficientul de rezistenta la înaintare se calculează după relația:

(5.1)

unde: Fx este rezistenta la înaintare;

ρ – densitatea aerului;

V – viteza ;

S – suprafața.

Coeficientul de portanță se calculează după relația:

(5.2)

unde: Fz este forța portantă;

ρ – densitatea aerului;

V – viteza ;

S – suprafața.

Suprafața aripi este de 97,3 m2

Fig.5.8. Suprafața aripi

Iar densitatea aerului aleasa este de 1204 kg/m3

Ultimul pas în vederea realizări analizei este definirea discretizări în care se bifează nivelul de discretizare-a optat pentru un mesh global mediu .

Fig.5.9. Discretizarea

5.1.3. Interpretarea rezultatelor

Durata de calcul a analizei a fost de 40 de ore în aceasta perioada s-a făcut analiza aripi cu proeminente pe bordul de atac la opt unghiuri de incidenta diferite și s-a calculat coeficienții aerodinamici.

Pentru a vizualiza curgerea pe suprafața aripi s-a folosit comanda Surface plots în care s-a ales conturul și viteza de curgere ca parametri principali și suprafața pe care sa se face analiza.

În cele ce urmează o să vă prezint presiunea pe suprafața și vectorul viteză la diferite unghiuri de incidență.

Fig.5.10. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 0 grade

Fig.5.11. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 5 grade

Fig.5.12. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 10 grade

Fig.5.13. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 15 grade

Fig.5.14. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 20 grade

Fig.5.15. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 30 grade

Fig.5.16. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 35 grade

Fig.5.17. Presiunea și curgerea aerului pe suprafața aripi la 40 grade

Se poate observa ca presiunea maxima este pe bordul de atac iar la unghiuri mari de incidenta aerul tinde în continuare sa se duca spre bordul de fuga .

În următoarele figurii o sa va prezint presiunea pe o porțiune din aripa si traiectoria de curgere a aerului. Din meniul de rezultate folosim comanda Cut plot.

Fig.5.18. Presiunea și traiectoria fluidului la 5 grade

Fig.5.19. Presiunea și traiectoria fluidului la 10 grade

Fig.5.20. Presiunea și traiectoria fluidului la 30 grade

Fig.5.21. Presiunea și traiectoria fluidului la 40 grade

În cele ce urmează o sa prezint într-un tabel coeficienții aerodinamici calculați si graficele aferente acestora.

Tabelul 5.2. Unghiurile de incidență și coeficienții aerodinamici

Fig.5.22. Graficul coeficientului de rezistentă la înaintare în funcție de unghiul de incidentă

Fig.5.23. Graficul coeficientului de portanța în funcție de unghiul de incidență

5.2. Studiu comparativ între aripa clasică și aripa neconvențională

Pentru a se putea face comparația intre aripa clasica și aripa ondulata a trebuit să se modeleze aripa clasica și să o supunem la aceleași analiza aerodinamica. Parametri prezentați în capitolul efectuarea analizei au rămas identici, cu precizarea ca unghiurile de atac, vitezele și densitatea sunt aceleași pentru amândouă aripile diferind suprafața aerodinamică și forțele aferente aerodinamice totale.

Pentru modelarea aripi clasice s-a folosit aceeași construcție de baza de tip schelet cu modificarea ca pentru modelarea aripi clasice s-au folosit doar 3 profile puse la extremitățile celor 2 tronsoane de aripa și folosirea celor doua segmente de linii ajutătoare.

Fig.5.24. Construcția aripi clasice

Folosind comanda din Features Loft Boss/Base s-a extrudat aripa.

Fig.5.25. Modelul aripi

O prima diferența importantă ce are efect și în analiza rezultatelor este suprafața aerodinamică mărită în comparație cu aripa ondulată. Această diferență se datorează lipsei proeminențelor de pe bordul de atac. O altă concluzie putem trage din această caracteristică a aripi ondulate ,masa aripi ondulate este mai mică decât la cea clasică. Efectul acestei diferențe de masă se caracterizează prin mărirea masei de combustibil total implicit si mărirea razei de acțiune a aeronavei, scăderea costului de materiale prime prin micșorarea suprafeței învelișului și a celorlalte elemente componente.

Fig.5.26. Suprafața aripi clasice

În continuare v-oi face un studiu comparativ asupra curgeri aerului și presiuni pe cele doua aripi.

La unghiuri mari de incidenta aripa ondulata își păstrează calitățile aerodinamice, în schimb aripa clasică încă de la unghiuri de 15 de grade se face simțită prezența vârtejurilor și a turbulentelor aerodinamice ce duce la pierdere a portantei, implicit a angajări timpuri a aripi.

Fig.5.27. Presiunea și curgerea aerului la un unghi de atac 15 ͦ

În figura din stânga este reprezentata curgerea aerului si presiunea pe aripa ondulata iar in dreapta este aripa clasica analizata la aceeași parametri.

Se poate observa cum pe aripa ondulata aerul in continuare curge normal pe profil, in schimb pe aripa clasica se pot observa apariția vârtejurilor.

Fig.5.28. Presiunea și curgerea aerului la un unghi de atac 20 ͦ

Fig.5.29. Presiunea și curgerea aerului la un unghi de atac 30 ͦ

Se poate observa că la unghiuri de 30 grade încep sa apară vârtejuri si pe aripa ondulata iar pe aripa clasica s-au mărit considerabil numărul si amplitudinea vârtejurilor, astfel încât putem spune că din punct de vedere aerodinamic cele doua aripi se aseamănă începând la unghiuri mari de incidență .La unghiuri de incidență pană la 20 de grade aripa ondulată este mult superioara aripi clasice prin ne dezlipirea aerului în interiorul stratului limită și neapariția de vârtejuri distructive pe suprafață din imediata apropriere a aripi.

In cele ce urmează o sa va prezint coeficienții aerodinamici ale celor doua aripi reprezentate in doua grafice. Datele au fost prelucrate și analizate in Excel după ce au fost exportate din Flow simulation prin intermediul comenzi de Compare.

Fig.5.30. Coeficienții de rezistenta la înaintare a celor doua aripi

Fig.5.31. Coeficienții forței portante a celor doua aripi

Din graficul coeficienților de rezistenta la înaintare se poate spune ca valorile coeficienților pana la unghiuri de incidenta de 10 grade sunt similare. La unghiurile mai mari de 10 grade aripa ondulata are valori mai mici așadar se poate spune ca aripa ondulata are o rezistenta la înaintare mai buna fata de cea clasica.

Din graficul coeficienților forței portante se poate spune ca valorile coeficienților sunt considerabili mai mari la aripa ondulata începând cu unghiurile de 20 de grade de incidenta.

Analizând polarele celor doua aripi concluzionez că aripa cu protuberante pe bordul de atac este mai buna din punct de vedere aerodinamic față de aripa clasică .

6. Analiza cu element finit al aripii ondulate

6.1. Descrierea analizei cu element finit

În acest capitol s-a făcut o analiza cu element finit a aripi ondulate analizate in softul Ansys14.5.

Metoda elementului finit (FEM) sau analiza elementelor finite este o metodă numerică pentru rezolvarea problemelor de inginerie și fizică matematică. Zonele de interes tipice includ analiza structurală, transferul de căldură, fluxul de fluide, transportul în masă și potențialul electromagnetic etc.

6.2. Analiza aripii ondulate

Componentele aripii sunt:

2 lonjeroane;

învelișul format din 15 bucăți;

32 de tronsoane de nervuri;

Materialul ales pentru analiza este un aliaj de aluminiu.

In aceasta analiza ,se vor calcula următoarele:

deformația totala;

deformația specifica (raportul dintre deformația aripii totale si lungimea ei);

tensiunea maxima de rupere;

Modelul 3D al bielei este realizat in SolidWorks 2016 in modulul Assembly convertit si salvat in formatul neutru IGS pentru a putea fi compatibil cu softul Ansys.

Analiza s-a realizat in modulul Static Structural și s-a importat modelul in submodul Geometry.

În submodulul Models, s-a realizat cu adevărat analiza propriu-zisă a aripii. S-a discretizat in mod automat modelul 3D din cauze de performanta a unități de lucru. Discretizarea a durat 5 ore.

Fig.6.1. Geometria aripii

Fig.6.2. Discretizarea aripii

Următorul pas după introducerea geometriei aripi și realizarea discretizări s-a realizat încastrarea aripi de cele 2 lonjeroane și s-a simulat Keel Beam-ul și Wing box-ul cu prima nervura al aripii.

Fig.6.3. Încastrarea aripii

S-a introdus presiunea pe întreg învelișul calculată în capitolul de sarcinii de 0.048338 MPa.

Fig.6.4. Aplicarea presiunii

6.3. Analiza rezultatelor

Deformația aripii reprezintă modificarea dimensiunilor geometrice constructive sub acțiunea unor forțe.

Fig.6.5. Deformația totală a aripi

Deformația maximă (zona roșie) este de 1267,5 mm in zona de extremitate (capăt). Ea scade treptat cu cât se aproprie de incastrare până la valoare minima care este 0 mm.

Fig.6.6. Deformația totala x30

Se poate observa la figura de mai sus, deformațiile totale mărite de 30 ori și se poate observa structura internă a aripii în poziție nedeformată.

Deformația specifica a aripi este raportul dintre deformația aripi și lungimea inițiala a lui. Aceasta deformație este adimensionala dar softul o reprezintă sub forma de mm/mm.

Fig.6.7. Deformația specifica a aripi

Deformația specifica a aripi este maxima in zona capătului aripii și este de 0,084656 mm/mm aceasta valoare maxima se datorează micșorări suprafeței și a creșteri deformaților maxime.

Fig.6.8. Vedere din apropriere a deformației specifice

Tensiunea maxima de rupere este tensiunea la care materialul se rupe. Ea se măsoară in N/mm2 (MPa)

Fig.6.9. Tensiunea maxima de rupere la tracțiune

Tensiunea maxima de rupere la tracțiune este de 98,092 care este poziționata identic ca la deformațiile specifice in extremitatea aripi pe lonjeronul principal.

S-a ales ca material din programul Ansys aliaj de aluminiu care are tensiunea maxima de 280 MPa

Fig.6.10. Caracteristici aluminiu Ansys

În concluzie, aripa rezistă la forța de presiunea aplicată fără să se rupă sau să se deformeze plastic.

Partea a II-a. Aspecte tehnologice.

7. Analiza principalelor tehnici de reparație specifice aripii

7.1. Pregătirea Aripii pentru reparația capitală

La reparația capitala, controlul si reparația structurii aripii se executa după demontarea acesteia de pe avion. Aripa se demontează de pe avion în special la avioanele medii și mijlocii, cu ajutorul unei macarale și se așază în poziție orizontală pe capre suporturi speciale.

Înainte de a se efectua lucrările de reparație a structurii la aripa demontată este necesar să se execute lucrările de demontare a capacelor de control , trapele tehnologice ,rezervoarele pentru combustibil și elementele sistemelor de comandă (cablaje, agregate instalaților electrice existente în aripă).

7.2. Reparația învelișului aripii

Învelișul aripii poate avea următoarele defecte sau uzuri: spărturi, crăpături, coroziuni, umflături.

În general, se recomandă ca porțiunea de înveliș pe care există unul din defectele de mai sus să fie decupată după un contur eliptic sau dreptunghiular cu racordări la colturi. Peste aceasta decupare se va nitui un petec de reparație, denumit eclisă, ale cărui dimensiuni, precum si numărul de nituri necesar sunt menționate in manualul de reparați de la producătorul aeronavei.

Învelișul aripii in anumite zone este de rezistenta, iar in alte zone este solicitat la eforturi foarte mici. De obicei, învelișul de rezistenta este numai , învelișul dintre longeroanele aripii, atât la intrados cit si la extrados, iar învelișul bordului de atac și al bordului de fuga sunt solicitate la eforturi foarte mici, De aceea , la montarea ec1isclor de reparație, in zone1e cu înveliș de rezistenta, nituirea se executa în mai multe rânduri de nituri, iar în zonele cu înveliș care nu este de rezistență, nituirea se execută cu un singur rând de nituri pe contur.

Pași în vederea reparării învelișului

Zona degradată a învelișului se decupează după ce, in prealabil, a fost trasat un contur regulat dreptunghiular care încadrează complet suprafața avariată;

Pe conturul trasat se executa găuri de 4 sau 5 mm diametru, cu o mașina de găurit de mana, pneumatica sau electrica, în așa fel, ca marginile găurilor sa fie cat mai aproape una de alta ;

Se decupează o eclisa la dimensiunile prevăzute in desen dintr-o foaie de tabla din același material din care este confecționat învelișul ce se repară;

Se aplica eclisa peste înveliș si se contragăuresc doua din găurile de pe eclisa prin înveliș, se fixează cu agrafe cele doua găuri si se contragăuresc și celelalte găuri;

Se demontează eclisa si se debavurează găurile din înveliș și eclisa;

Se eloxează și se grunduiește eclisa;

După uscarea grundului se nituiește eclisa de înveliș, ordinea de nituire fiind, pe fiecare latură, de la mijloc spre extremități.

7.3. Reparatia bordului de atac al nervurilor

Bordul de atac al aripii este cel mai expus la deformații și degradări prin lovituri ce se pot întâmpla în timpul exploatării. Reparația unei fisuri pe nervură, cauzată de o lovitura puternică pe învelișul bordului de atac.

Se decupează porțiunea degradata de înveliș

În funcție de gravitatea uzurii , vârful nervurii se desface in vederea înlocuirii, sau se taie numai zona deformată și fisurată a vârfului de nervură.

Se confecționează un detaliu nou de vârf de nervura care se va monta in locul celui uzat.

Fig.7.1 Reparație nervura de bord de atac[ZAH 17]

7.4. Reparatia lonjeroanelor

Lonjeroanele aripii constituie elementele de rezistenta cele mai importante din structura avionului. In mod normal, uzurile sau deteriorările acestora nu sunt cauzate de eforturile si solicitările obișnuite ce se produc in timpul funcționarii avionului , ci de unele avarii accidentale sau din cauza unei exploatări necorespunzătoare.

Daca este degradata o mică porțiune a inimii lonjeronului (de exemplu: cel mult 1/3 din înălțimea inimii si cel mult 2/3 din deschiderea dintre nervuri in sensul anvergurii), inima se repara prin aplicarea unei eclise din aluminiu cu grosimea egală cu grosimea inimii degradate. Înainte de a se aplica eclisa , trebuie decupata porțiunea degradata din inima , imprimându-se o formă dreptunghiulară cu colțurile rotunjite cu o rază minima de 10 mm sau o formă eliptica.

Înainte de a se începe reparația tălpilor longeroanelor, trebuie deznituit învelișul in locul defectului si examinate cu atenție toate elementele construcției in zona degradării, pentru a se vedea daca tălpile nu sunt încovoiate, daca nu s-a produs o forfecare totală sau parțială a niturilor de fixare a tălpilor și daca nu sunt crăpături în tălpile lonjeronului.

În cazul unei încovoieri locale, neînsemnate a tălpii lonjeronului, pe o lungime de maximum 120-150 mm și o săgeată mai mică de 3,5 – 4% la tălpile inferioare care lucrează la compresiune, fără pierderea stabilității inimii lonjeronului și fără forfecarea niturilor de fixare a tălpilor, se admite îndreptarea tălpii la rece cu ajutorul unei prese de mana cu șurub. Înainte de îndreptare, trebuie scoase, cu burghiul, niturile de fixare ale tălpii la inimă, pe toată porțiunea încovoierii.

7.5. Reparația liselor Aripii

Lisele completează scheletul de rezistenta a aripii, preluând o parte din eforturile de încovoiere si de răsucire care se produc in structura aripii. De obicei, reparațiile necesare la lise sunt ranforsări ale unor zone de uzuri locale sau înlocuiri de tronsoane prin montarea unui profil nou și aplicarea unor eclise de înnădire la capete.

Secțiunile liselor sunt profile de diverse forme: corniere simple, corm ere cu secțiuni speciale, profile Z, profile omega sau U etc.

Daca degradarea nu depășește distanta dintre nituri atunci se decupează defectul și se ajustează sa nu rămână muchii ascuțite și se montează o ranforsare.

Când degradarea lisei cuprinde o lungime mai mare , atunci reparația se execută prin decuparea completa a porțiunii de lisa si ranforsarea ei cu eclisa .

7.6. Reparația compartimentului etanș la aripile cu rezervoare integrate pentru combustibil

O soluție modernă, des folosita în ultimul timp la construcția avioanelor, o constituie amenajarea în interiorul structurii aripii a unui compartiment etanș care să constituie rezervor pentru combustibil. Acest compartiment poartă denumirea de rezervor integrat. Avantajul acestei soluții constructive consta in simplificarea structurii -interioare, in folosirea mai judicioasa a spațiului, in sensul ea se poate înmagazinată o cantitate mult sporita de combustibil, ceea ce, rn-a.i ales in cazul avioanelor cu motoare reactive ce au un consum mare de petrol, este foarte important. De asemenea, un alt avantaj îl constituie prețul de cost mai mic al acestei soluții față de construcțiile clasice eu rezervoare demontabile.

Ermetizarea rezervoarelor de combustibil integrate se execută prin aplicarea unei pelicule de pastă de etanșare în spatiile libere tuturor îmbinărilor din compartimentul respectiv. Exista câteva rețete de preparare a acestor etanșați, toate au la baza diverse amestecuri din cauciuc sintetic care se vulcanizează după ce a fost aplicat. De obicei, pasta se prepară înainte de aplicare din doi sau trei constituenți.

Amestecul preparat trebuie folosit imediat, deoarece, in funcție de proporția de soluție de vulcanizare și accelerator introdusă, el se menține în stare vâscoasă un timp limitat, apoi se vulcanizează și se întărește.

Este de remarcat ca toate pastele de etanșare pentru rezervoarele de combustibil din aripa sunt materiale toxice; din aceasta cauză, prepararea, manipulare și păstrarea lor trebuie făcute cu foarte mare atenție.

8. Proceduri de reparație a suprafețelor de comanda ale avionului confecționate din materiale compozite. Studiu de caz.

8.1. Identificarea schemei de reparație aplicabila

Orice capitol din manualul de reparație SRM are trei mari parți componente:

Identificarea

Stabilirea limitelor de defect acceptabile

Scheme de reparație specifice piesei defecte

Identificarea piesei defecte se face in SRM, la capitolul ATA din care face parte piesa, capitol explicitat prin codul IDENTIFICATION. Funcție de complexitatea ansamblului pot exista mai multe capitole de identificare notate IDENTIFICATIONn, unde n este propriu unui ansamblu .

Informațiile importante din acest capitol care se vor folosi ulterior in reparație sunt:

Tipul de material

Tratamentul termic aplicat

Tipul de fagure, in cazul materialelor compozite

Modul de așezare a pliurilor materialelor compozite

Temperatura de polimerizare (cura) in cazul materialelor compozite

După identificarea completa a materialului piesei de reparat se verifica in funcție de efectivitatea avionului care este tipul de material al piesei care se repara.

Informația referitoare la tipul de material va fi folosita ulterior pentru identificarea materialului, dublorilor de reparație si/sau alte piese de reparație indicate in schema de reparație aprobata.

Informația referitoare la grosimea piesei de reparat este folosita in alegerea grosimii pieselor/dublorilor de reparație cat si pentru stabilirea procedeelor tehnologice de fabricație a pieselor de reparație: îndoire, matrițare, formare, ambutisare etc.

8.2. Stabilirea limitelor de defect acceptabil

Din manualul SRM capitolul care stabilește limitele acceptabile de defect pentru fiecare capitol ATA este identificat cu ADn=Allowable Damage, unde n este numărul de subcapitol AD.

Allowable Damage= (Defect admisibil) este definit ca un defect fără restricții de zbor.

Repairable Damage= (Defect reparabil) este definit ca un defect reparabil.

Replacement of Damaged Parts= (Inlocuirea reperului defect) este definit ca un defect unde este necesara înlocuirea piesei vizate.

În funcție de localizarea piesei defecte pe aeronava se va utiliza doar (Capitolul SRM si subcapitolul AD indicat in identificarea piesei defecte.

În funcție de tipul de defect si localizarea acestuia pe avion se identifica paragraful care indica limitele minime si maxime admisibile pentru tipul de defect.

În situația în care limitele maxim admisibile pentru defectul identificat nu sunt depășite piesa nu se repara și se aplică masurile de protecție de suprafață indicate în SRM, paragraful AD aplicabil:

a) Reprotejarea prin metode chimice a aliajului de aluminiu ,oțel, titan , magneziu..

b) Aplicarea de grunduri de protecție.

c) Aplicarea de strat exterior de vopsea poliuretanică.

În situația în care limitele maxim admisibile pentru defectul identificat sunt depășite atunci se consultă capitolul de reparații specific din cadrul capitolul SRM aplicabil piesei defecte.

Ca regula generala nu se folosesc metode de reparație cu caracter general (SRM Cap ATA-51-Structures General) fără a fi indicate in capitolul SRM de reparații aplicabil piesei defecte.

Scheme de reparație specifice piesei defecte

Schemele de reparație aprobate de producătorul aeronavei se găsesc in capitolul specific ATA specific piesei de reparat sub denumirea SRM-Repairn, unde n este numărul schemei de reparat aplicabil componentei respective,

Fiecare schema de reparație are niște limite de aplicabilitate în funcție de: Serial No. si Line No. unice ale aeronavei.

Nu se utilizează scheme de reparație pentru componente a căror date de identificare sunt in afara limitelor de aplicabilitate a schemei respective.

Pentru reparațiile aprobate de producătorul aeronavei exista următoarele trei categorii

Reparație permanentă: Este o reparație permanentă în care nu e nevoie de nici o altă inspecție înafara de inspecția normală periodică a operatorului.

Reparație interim: Este o reparație permanentă în care este necesară inspecții suplimentare periodice la timp bine stabilit și refăcută daca este detectat o neconformitate, această reparație are rezistență structurală necesară și poate să rămână pe aeronava în termen nelimitat.

Reparație temporala: Este o reparație cu timp limitat care trebuie reluata și refăcută într-un timp specificat de regula la zboruri ciclici ,ore de zbor de funcționare, aceasta reparație are rezistență structurală necesară dar nu are duritate suficientă..

În situația in care pentru piesa defecta nu sunt descrise reparații specifice, reparații generale și nici limite de evaluare a defectului se va solicita direct producătorului aeronavei o schema de reparație aplicabilă.

Datele care se transmit la producătorul aeronavei pentru emiterea unei scheme de reparație sunt:

Informațiile avionului: date de identificare, LN, SN, Var.No

Informațiile avionului: date de identificare, LN, SN, Var.No

Descrierea generală a defectului

Localizarea si mărimea defectului

Ce operații s-au efectuat pentru îndepărtarea defectului

Propunere de reparație și instrucțiuni de instalare specifice localizării defectului

În situația în care nici producătorul aeronavei nu poate furniza o schema de reparație aplicabila defectului identificat atunci singura soluție este înlocuirea piesei defecte cu una noua.

8.3. Studiu de caz: Reparație flaps din material compozit

1. Identificare suprafață de comanda defecta

LH INBOARD AFT FLAP

P/N: 113A2700-17

S/N: 0-0808

Fig.8.1. Flaps-ul de reparat

2. Identificare și evaluare defecte

Fig.8.2. Coroziunea pe flaps

Pentru identificarea defectelor se efectuează următoarele inspecții:

-Se inspectează vizual piesa, pentru a se găsi neconformitățile, eroziunile, si suprafețele rupte.

-Se face inspecția la Tap test conform SRM Boeing 737 NDT Manual.

-Se face inspecția ultrasonica cu instrumente avizate si indicate in manual .Inspecția se face pentru a detecta dezlipiri, incluziuni, fisuri.

3. Alegerea procedurei de reparație.

Conform manual SRM 57-53-01, reparația aplicabila este REPAIR 4: Inboard and Outboard AFT Flap Trailing Edge Wedge repair, si suntem ghidați in a utiliza principiile generale de reparație a materialelor compozite enumerate in SRM51-70-10, REPAIR 2.

4. Execuție și montare dublori de reparație

Conform SRM 51-70-10, Repair General, Paragraf 8: Asigurați-vă ca dubloarele de reparație și petecele sunt făcute din același material sau aliaj echivalent cu tratamentul termic identic cu piesa originală. Grosimea se alege din identificare .Eliminați toate zgârieturile, scobiturile, marginile ascuțite și alte impurități de pe petecele ce se v-or folosi în reparație.

5. Inspecție repere de reparație și zona de reparație

Conform SRM 51-70-10, Repair General, Paragraf 10:

Vizualizați sa nu fie deformate zonele de contact intre dublor și zona de instalare a dublorului.

Se folosesc tehnici de detectare NDT în vederea aflări defectului .

6. Pregătirea suprafețelor în contact pentru reparație (AC-130)

Fig.8.3. Decuparea zonei cu defect

Conform SRM 51-70-10, Repair General, Paragraf 14:

Procedura de pregătire a suprafeței pe care se va aplica un grund adeziv bazată pe o soluție solubilă în apa care acționează ca un agent de curățare chimică a suprafeței

Modul de pregătire mecanică a suprafeței și de aplicare a soluției este precizat în instructiunile producatorului Boegel (AC-130).

7. Aplicare grund adeziv

Fig.8.4. Aplicarea grundului adeziv

Conform SRM 51-70-10, Repair General, Paragraf 15:

Alegerea grundului adeziv se face după următoarele criterii;

1. temperatura de polimerizare a piesei din timpul fabricației inițiale a acesteia

2. tipul de film adeziv, ales funcție de temperatura de polimerizare inițială și mărimea reparației

3. tipul substanței folosite la pregătirea suprafețelor de reparație (vezi pct.6)

Producătorul aeronavei furnizează in documentația de reparatei date detaliate referitoare la grunduri adezive. Datorita multitudinii de reparații autorizate in SRM fiecare specificație de grund adeziv este împărțita pe Type și Class.

Type semnifica in principal temperatura de polimerizare folosita la reparatei; 200, 250. 300 grade F

Class semnifica tipul de grund adeziv si modul de codificare.

Înainte de aplicare se asigura că toate echipamentele de pulverizare și alte instrumente de aplicare sunt complet curate înainte de a le utiliza pentru a aplica grundul adeziv.

După scoaterea grundului adeziv din condiția de stocare se măsoară temperatura acestuia și sa ajungă la temperatura ambientala de 65° sau 90°F (18°and 32°C).

Se utilizează instrucțiunile fabricantului pentru a amesteca adezivul.

Se aplica adezivul.

Se lasă să se usuce adezivul.

Încălziți zona cu o lampa de căldura sau cuptor grundul adeziv conform indicațiilor producătorului.

Se măsoară grosimea grundului după ce grundul s-a răcit la temperatura ambientală.

8. Execuția polimerizării filmului adeziv

Fig.8.5. Aplicarea de film adeziv si folia de întărire

Fig.8.6. Primul strat de petec

Fig.8.7. Al doilea strat de petec

Fig.8.8. Așezarea stratului de fibra de sticla

Fig.8.9. Montarea păturii termice

Fig.8.10. Montarea finala a sacului de vid

Procedura sacului de vid și a păturii termice

Scoate-ti o parte din aer înainte de a începe reparația.

Utilizați un vid inițial de 3 pana la 5 inci (7,6 la 12,7 cm) coloana de mercur timp de 15 minute

Se aplica un vid minimum 56 de cm coloana de mercur timp de 1 minut

A se face o inspecție a sacului de vid pentru a detecta posibilele scurgeri.

Se începe repararea cum este specificat in SRM pentru tipul de film adeziv ales

Se aplica si se păstrează un vid de minim 50 cm coloana de mercur in timpul ciclului de funcționare

Când s-a scurs timpul se micșorează temperatura la o rata de 5 grade pe minut. Lăsa-ți partea reparată să scadă la temperaturi de 150 ° f (66 ° c) sau mai puțin înainte de a elibera presiunea

.

9. Inspecție si protecție finală

Fig.8.11. După efectuarea polimerizări

Conform SRM 51-70-10, Repair General, Paragraf 21:

Se efectuează inspecția NDT de tip ultrasonic. Pentru calibrarea echipamentelor se folosesc etaloane dedicate fiecărui tip de material compozit. Producătorul aeronavei indica echipamentele, etaloanele, procedura de verificare si modul de interpretare a rezultatelor într-un manual separat de mentenanță denumit NTM = Non Destructive Testing Manual (Manualul testelor ne distructive)

În cazul nostru s-a folosit metoda ultrasonic definita de NTM capitolul 51-00-00 Part 6

10. Curățarea, refacerea si protecția exterioara

Fig.8.12. Curățarea finală

Conform SRM 51-70-10, Repair General, Paragraf 22:

Daca după inspecția NDT nu se găsesc delaminari, dezlipiri, deformări mecanice sau abateri de la profilul aerodinamic al componentei, atunci se curata suprafața reparată in vederea etanșări si finisări în funcție de locație (interior-exterior), poziție pe avion (vopsita sau nevopsita):

Alodinare – eloxare exterioară a dublorului de reparație

Se aplică etanșant pe marginile dublorului de reparație. Se grunduiește si se vopsește cu materiale indicate in AMM în funcție de localizarea pe avion si in funcție de indicațiile producătorului (tipul de vopsea, culoarea, aspectul: lucios/mat).

9. Tehnologia de printare 3D. Aplicație aripă ondulată

9.1. Tehnologia de printare 3D generalitati

Imprimarea 3D este un proces de formare a unui obiect solid tridimensional de orice formă, realizat printr-un proces aditiv, în cazul în care straturi succesive de material sunt stabilite în diferite forme. Imprimarea 3D este de asemenea, distinctă de tehnicile de prelucrare tradiționale, care se bazează în principal pe eliminarea materialelor prin metode cum ar fi taiere sau de așchiere, procese care elimina material.

Imprimantele 3D permit designilor să producă într-un timp foarte scurt un prototip. În consecință prototipul poate fi testat pentru diferite sarcini cum ar fi analiza (CFD, FEM) si remodelat rapid în cazul în care rezultatele testelor nu corespund cu cerințele sau atribuțiile produsului proiectat.

Termenul de imprimare 3D original se referă la un proces în care se depozitează un material liant pe o masa de lucru cu un jet de cerneala strat cu strat.

9.2. Principii generale

O imprimanta 3D este un tip de robot industrial, care este capabil sa efectueze aceste procese sub control computerizat.

Modelele 3D imprimabile pot fi create cu un pachet de modelat asistat de computer (CAD), prin intermediul unui scaner 3D sau printr-un aparat foto simplu si prin softurile specializate de photogrametrie.

Modelele imprimate 3D create cu ajutorul softurilor specializate CAD adeseori pot avea erori, din aceasta cauză se prestează corectarea și verificarea lor înainte de tipărire. Pentru corectarea modelelor si minimizarea erorilor ce pot aparea se convertesc toate fiseriele CAD in extensia STL.

Odată finalizat, fișierul STL trebuie să fie prelucrate de către software-ul numit "Slicer, ", care convertește modelul într-o serie de straturi subțiri și produce un fișier G-Code care conține instrucțiuni adaptate la un anumit tip de imprimantă 3D.

Construcția unui model cu metode contemporane poate dura de la câteva ore la câteva zile in funcție de metoda utilizata și de mărimea și complexitatea modelului. Sistemele aditive pot reduce de obicei acest timp la câteva ore, deși variază foarte mult in funcție de tipul de mașina utilizată și dimensiunea și numărul de modele fiind produse simultan.

9.3. Aplicație aripă ondulată

În cele ce urmează o să vă prezint procedeele urmate în vederea realizări modelului fizic, imprimării aripii ondulate cu ajutorul unei imprimate 3D.

Procedura 1. Crearea modelului CAD si scalarea lui in vederea convertiri lui in format STL.

Pentru crearea modelului si pentru eliminarea viitoarelor erori ce pot apărea s-a reconstruit modelul 3D folosind aceleași pași ca la modelarea propriu-zisa de la capitolul 3.

Fig.9.1. Linii ajutătoare

Se creează într-un sketch 3D linii ajutătoare cu scopul de a forma aripa și ondulațiile.

Fig.9.2. Profilele aripii

Se creează plane paralele cu Frontal panel și apoi se inserează profilele potrivite pentru tronsonul respectiv. Se folosesc 3 tipuri de profele distincte.

În cele din urma se folosește comanda Loft boss/base pentru crearea aripii simple pline.

Fig.9.3. Aripa plină

Având în vedere că aripa are o anvergură egala cu 15 m , acesta trebuie scalat pentru a se putea crea modelul prin imprimare la o imprimanta 3D de mici dimensiuni.

După folosirea funcției Scale și utilizarea unui factor de scalare de 0,015 s-a ajuns ca aripa să aibă 215 mm în anvergură.

Fig.9.4. Scalarea aripii

În vederea salvării în format STL se folosesc următori pași: Save As-Se alege formatul STL apoi în tabul Options se alege cea mai mare rezoluție pentru modelul nostru și se salvează modelul.

Fig.9.5. Parametrii de salvare

Procedura 2. Introducerea modelului CAD in format STL în programul de parametrizare si control al imprimantei .In acest program denumit și slicer se poate modifica dimensiunile modelului și a filamentului, grosimea stratului, viteza de printare, temperatura de topire a filamentului, temperatura masei de lucru și tipul de suport folosit.

În acest program se v-or cunoaște lungimea filamentului folosit, masa modelului final și durata finalizări produsului.

Fig.9.6. Modelul in program

De remarcat în imagine un al doilea model acela este o secțiune din aripa în vederea vizualizări clare a subansamblurile aripii.

Fig.9.7. Parametrizarea imprimării

Procedura 3. Imprimarea propriu-zisa a aripii ondulate și a secțiunii de aripă.

Fig.9.8. Crearea suportului

Imprimanta își creează suporți pentru a putea să imprime modelul fără apariția defectelor și erorilor.

Fig.9.9. Depunerea de straturi

Depunerea de straturi la diferite unghiuri.

Fig.9.10. Finalizarea procesului

Pentru dezlipirea produsului de masa de lucru se folosește programul de finalizare a imprimantei care încălzește masa de lucru la temperaturi de 60-80 de grade pentru a ajuta la dezlipire.

Fig.9.11. Dezlipirea produsului de pe masa de lucru

Concluzii

Scopul acestui proiect de diplomă a fost pentru a îmbunătăți caracteristicile aerodinamice a unei aripi și mărirea portanței la unghiuri mari de incidenta.

Pentru a reuși acest lucru m-am inspirat din natura de la balena cu cocoașa, mai exact de la înotătoarea dorsala care are niște perturbații pe bordul de atac care o ajuta pe balena sa facă întoarceri rapide pentru a prinde prada in ciuda gabaritului si dimensiuni mari. După modelarea aripi 3D ondulata si a celei convenționale, acestea au fost supuse la analize de curgere ce au arătat o îmbunătățire a stratului limita pentru aripa ondulata in detrimentul aripi clasice deci coeficienți de portanta mari la unghiuri mari de incidentă.

Aceste ondulații pe bordul de atac, folosite în mai multe domenii din industrie, ajută la întârzierea angajări chiar și la unghiuri de incidenta de pana la 40 grade.

Aceste ondulați inspirate din natura au un impact pozitiv asupra curgeri aerului. Cauza pentru îmbunătățirea stratului limita este acela de a impulsiona stratul limita prin crearea de vârtejuri in flux.

Cel mai mare dezavantaj al aripi ondulate este fabricația pârți ondulate propriu-zise, dar cu trecere timpului și evoluare tehnologiilor de fabricare cum ar fi cele aditive ,cu ajutorul imprimantelor 3D ,acestea pot fi create fără mari probleme și într-un timp scurt.

Aceste ondulații pe bordul de atac pot fi puse pe dispozitive de hipersustentație numite valeți de bord de atac. Aceste dispozitive de hipersustentație cu ondulați nu numai ca au rolul bine definit asemenea celor clasice ci și ajuta la curgerea aerului la unghiuri mari de atac.

Bibliografie

[PRE 01] PREOTU, O., Calculul și construcția avionului, Editura Tehnică, București, 2001.

[MIC 01]  MICLAUS L., Glosar Aviatic, Editura Marineasa, Timișoara, 2001

[BER 80] BERBENTE, C., Construcția aeronavelor – Manual pentru licee industriale, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1980.

[MIL 10] MILLER,S.,J., Adaptiv wing structures for aeroelastic drag reduction and loads alleviation, School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, 2010.

[CS 25] EUROPEAN AVIATION SAFETY AGENCY – Certification Specifications for Large Aeroplanes CS-25, Amendment 1, 12 December 2005.

[FIS 06] FISH,F.,E.,LAUDER,G.,V., Passive and active flow control by swimming fishes and mamals, Annual review of fluid mechanics, 2006.

[EGB 76] EGBERT, T., Synthesis of subsonic ariplane design,Delft University Press,1976.

[NIC 11] NICULITA,C., Theoretical and experimental contributions regarding aircraft’s adaptiv wing (morpging). Editura Universității Transilvania din Brașov, 2011.

[HAN 12] HANSEN,K.,L., Efect of leading edge tubercles on airfoil performance, The University of Adelaide,2012.

[GRO 65] GROSU, I., Calculul și construcția avionului Vol. I, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1965.

[NIU 11] NIU, M.C., Airframe Stress Analysis and Sizing, Adaso/Adastra Engineering Center, New York, 2011.

[ZAH 17] ZAHARIA, S.M. – Notițe de curs, Calculul și proiectarea structurilor aeronautice

[UDR 06] UDROIU, R., Materiale compozite. Tehnologii si aplicații in aviație, Editura

Universității „Transilvania” din Brașov, 2006.

[SRM] Structural Repair manual, Boeing 737-800.

[WWW 01] Cheson de rezistență, Componentele principale ale chesonului https://ro.wikipedia.org/wiki/Avion.

[WWW 02] MAK-123 https://www.pinterest.ca/pin/582723639254992793/?lp=true.

[WWW 03] Oblique wing https://www.nasa.gov/centers/dryden/multimedia/imagegallery/AD-1/ECN-15846.html.

[WWW 04] CL-84 CF-VTO-X during testing, https://en.wikipedia.org/wiki/Canadair_CL-84.

[WWW 05] Morphing https://www.theengineer.co.uk/issues/20-june-2011/morphing-materials-form-the-shape-of-wings-to-come/.

[WWW 06] DARPA's Morphing Program http://dnc.tamu.edu/projects/flowcontrol/Morphing/public_html/darpa.html.

[WWW 07] Train http://www.levinegabriella.com/exploringbiomimicry/ciid/wp-content/uploads/2013/07/train_kingfisher_550x216.jpg

[WWW 08] Biomimica https://wol.jw.org/en/wol/d/r1/lp-e/1102010232 .

[WWW 09] Vortex generators http://www.boldmethod.com/learn-to-fly/aerodynamics/vortex-generators/.

[WWW 10] Tubercles on aileron http://www.somersf1.co.uk/2014/07/bite-size-tech-mclaren-mp4-29-new.html.

[WWW 11] Whale power tubercle technology https://designtoimprovelife.dk/whalepower-tubercle-technology/.

ANEXE

Anexele sunt în felul următor:

Desenul aripi (Planșa 1)

Comparație aripă ondulată/aripă clasică (Planșa 2)

Analiza cu element finit (Planșa 3)

Tehnica de reparație flaps (Planșa 4)

Imprimarea 3D (Planșa 5)