A Giovanni Di Giorgio Fondamenti di fenomenologia della fatica e della tensocorrosione nelle strutture aeronautiche Copyright © MMXIV ARACNE editrice S.r.l. www.aracneeditrice.it [email protected] via Raffaele Garofalo, /A–B Roma () ---- I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell’Editore. I edizione: aprile Questo testo è dedicato a mio padre Giuseppe ed a mia madre Wilma “Dovendo progettare ali occorre inserire una corda che deve contenere la trazione e aggiungerne una allentata nello stesso punto in modo che, qualora la prima si rompa sotto trazione, l’altra sia in posizione tale da poter svolgere lo stesso compito” Codice Atlantico, (1500) Leonardo da Vinci Indice Prefazione Sigle ed abbreviazioni Elenco dei simboli Capitolo 1 Introduzione alla fatica ed ai criteri di progetto delle strutture 1.1 Introduzione 1.2 Le origini degli studi sulla fatica delle strutture aeronautiche e l’evoluzione delle normative 1.3 Progettazione strutturale, fatica e corrosione 1.4 Metodologie e criteri di progettazione 1.4.1 Il criterio di progetto Safe Life 1.4.2 Il criterio di progetto Fail Safe 1.4.3 Il criterio di progetto Damage tolerance 1.4.4 Widespread fatigue damage Bibliografia Capitolo 2 15 17 19 21 22 26 28 28 28 29 32 33 Requisiti di missione degli aeromobili e spettri di carico 2.1 Le strutture ed i problemi della fatica e della corrosione 2.2 Missione dell’aeromobile e condizioni di carico 2.2.1 Impostazione metodologica per la determinazione delle condizioni di carico 2.2.2 Considerazioni relative alle manovre ed alle relative condizioni di carico 2.2.2.1 Sequenza e blocco di missioni 2.3 Le Prove di volo 2.4 Spettro di carico nelle prove di fatica 2.5 Il monitoraggio in servizio operativo 2.6 Missioni e spettri di manovra 2.6.1 Missioni e spettri di manovra per un velivolo intercettore 35 37 40 45 45 46 47 50 52 53 9 10 Indice 2.6.2 Missioni e spettri di manovra per gli aeromobili ad ala rotante 2.7 Condizioni ambientali in servizio e corrosione per le strutture 2.8 Sequenze di carico standard 2.9 Spettri di carico e metodi conteggio 2.9.1 Classificazione dei principali metodi di conteggio 2.9.2 Il metodo o algoritmo Rainflow Bibliografia Capitolo 3 60 62 64 65 66 70 Proprietà fondamentali di fatica e di frattura dei materiali metallici 3.1 Introduzione 3.1 Condizioni di carico cicliche e definizioni fondamentali 3.3 Regimi di fatica 3.3.1 Osservazioni sui regimi caratterizzati da deformazione plastica 3.4 Limite di fatica del materiale ed effetto scala 3.5 Nucleazione e propagazione dei fenomeni di fatica nei materiali metallici 3.5.1 ‘Chiusura’ della cricca attorno alla zona plastica 3.6 Richiami di meccanica della frattura dei materiali metallici Bibliografia Capitolo 4 57 73 74 78 80 82 82 86 87 90 La fatica nelle strutture aeronautiche in materiali metallici 4.1 Introduzione 4.2 Introduzione alla stima della vita a fatica 4.2.1 Equazioni basiche della velocità di propagazione delle cricche 4.2.2 Modelli empirici di Soderberg, Gerber, Goodman 4.2.2.1 Applicazione della regola di Goodman al dimensionamento preliminare di un componente 4.2.3 Stima della vita a fatica di un componente strutturale mediante la teoria del danno cumulativo 91 91 92 95 96 98 Indice 4.2.4 Spettro di manovra e vita a fatica 4.3 Metodologie di contrasto ai fenomeni di fatica 4.3.1 Concentrazione degli sforzi 4.3.1.1 Modellazione agli elementi finiti 4.3.1.2 Il fattore Kf 4.3.2 Induzione di tensioni residue di compressione mediante rullatura 4.3.3 Processo di pallinatura mediante getto di pallini metallici 4.3.3.1 La pallinatura nelle fasi di progettazione 4.3.3.2 Integrazione delle proprietà conferite dalla pallinatura con le ulteriori prestazioni dei componenti 4.3.3.3 La pallinatura e le fasi di costruzione 4.3.4 Processi avanzati di pallinatura 4.3.4.1 Pallinatura laser 4.4 Ulteriori fenomeni di fatica 4.5 Ulteriori considerazione sul fenomeno WFD Bibliografia Capitolo 5 11 100 101 103 106 106 107 108 109 113 114 115 115 116 117 121 La fatica nelle strutture aeronautiche in materiali compositi 5.1 Introduzione 5.2 Proprietà fondamentali dei materiali compositi 5.2.1 Richiami sui materiali compositi 5.2.1.1 Strutture sandwich 5.2.1.2 Laminati compositi 5.3 Fenomeni di fatica nei materiali compositi 5.3.1 Danneggiamento e cedimento dei laminati compositi 5.3.2 Danneggiamento di giunti strutturali con elementi di fissaggio 5.3.3 Danneggiamento progressivo delle strutture sandwich 5.3.4 Danneggiamento per impatto, effetto delle condizioni ambientali 5.4 Osservazioni sulla resistenza e fatica dei materiali metallici e dei materiali compositi 5.5 Modelli di calcolo della vita a fatica di laminati compositi 5.5.1 Metodologie di approccio alla stima della fatica per i laminati compositi 125 129 129 129 130 134 136 138 139 140 142 143 143 12 Indice 5.5.2 Distribuzione di Weibull a due parametri 5.5.3 Il modello di Sendeckyj 5.6 Alcuni approcci alle prove sulle strutture in composito Bibliografia Capitolo 6 147 150 La Corrosione nelle strutture aeronautiche 6.1 Introduzione 6.2 Morfologia e classificazione dei fenomeni di corrosione 6.2.1 Corrosione e fatica 6.3 I fattori che influenzano la corrosione 6.4 Progettazione e criteri di protezione dalla corrosione 6.4.1 Materiali metallici e proprietà di resistenza alla corrosione 6.4.1.1 Leghe di Alluminio 6.4.1.2 Acciai 6.4.1.3 Leghe di Titanio 6.4.1.4 Leghe di Magnesio 6.4.1.5 Serie galvanica e criteri di selezione dei materiali 6.4.2 Introduzione ai sistemi di protezione superficiale anticorrosione dei componenti aerospaziali 6.4.2.1 Analisi di casi di deterioramento dei sistemi di protezione 6.5 Zone tipiche di corrosione per un velivolo da trasporto 6.6 Il fenomeno fretting 6.6.1 Meccanismo di propagazione, effetti, cedimento 6.6.2 Criteri di progettazione 6.6.3 Analisi di casi di danneggiamento dovuti al fretting 6.7 Effetti della corrosione ed integrità strutturale 6.8 Alcune considerazioni sulla prevenzione della corrosione per l’aeromobile Bibliografia Capitolo 7 144 145 153 154 157 159 161 162 163 167 170 171 171 171 176 181 183 184 185 187 188 189 191 Fenomeni di tensocorrosione dei materiali metallici di impiego aeronautico 7.1 Introduzione 193 Indice 7.2 Condizioni di innesco e propagazione della corrosione 7.3 Analisi dei fattori della corrosione sotto sforzo 7.3.1 Condizioni di carico 7.3.1.1 Tensioni residue interne 7.3.2 Materiali metallici aerospaziali e suscettibilità tensocorrosione 7.3.2.1 Acciai 7.3.2.2 Leghe di titanio 7.3.2.3 Leghe di alluminio 7.3.2.4 Leghe di magnesio 7.3.3 Il fattore ambientale 7.4 Prove di suscettibilità a tensocorrosione 7.5 Conclusioni 7.6 Corrosione sotto sforzo, infragilimento da idrogeno e corrosione a fatica Bibliografia Capitolo 8 13 194 196 196 198 200 200 202 202 203 203 204 205 206 208 Danneggiamento, ispezione e tolleranza al danno 8.1 Introduzione 8.2 I controlli non distruttivi per le strutture aeronautiche 8.3 Controlli non distruttivi per i materiali metallici 8.3.1 Ispezione visiva 8.3.2 Introduzione all’ispezione ai liquidi penetranti ed all’ispezione magnetica 8.3.2.1 Ispezione ai liquidi penetranti 8.3.2.2 Ispezione magnetica 8.3.3 Ispezione mediante attacco chimico Nital degli acciai 8.3.4 Metodo di ispezione delle correnti indotte (Eddy current method) 8.3.5 Ispezione agli ultrasuoni 8.3.6 Ispezioni radiografiche 8.4 Controlli non distruttivi per i materiali compositi 8.4.1 Tap testing, ispezione sonora al martelletto 8.4.2 Ispezione agli ultrasuoni 8.4.3 Ispezioni radiografiche 8.5 Riepilogo sulle applicazioni dei controlli e sullo stato dei componenti 8.6 Riepilogo delle fonti di danneggiamento Bibliografia 211 212 215 215 216 217 219 221 222 223 225 226 226 226 227 228 231 234 14 Indice Appendice A - Evoluzione storica degli studi sulla fatica dei metalli Appendice B - Condizioni di trattamento termico delle leghe di alluminio di impiego aeronautico Glossario Indice delle figure Indice delle tabelle Indice analitico 237 239 241 245 251 255 Prefazione I fenomeni di fatica, corrosione generale e corrosione sotto sforzo dei materiali di costruzione degli aeromobili hanno un impatto diretto e critico sull’integrità delle strutture, durante la loro intera vita operativa. Inoltre, nell’ambito delle applicazioni delle strutture aeronautiche, essi possono presentarsi interconnessi ed in varie forme di sinergia. L’intento principale del testo è quello di fornire gli elementi di introduzione a tali problematiche, analizzando le loro dinamiche ed i fattori di innesco e sviluppo, nelle varie evoluzioni in cui si presentano, e quindi le metodologie ed i criteri di contrasto e mitigazione nell’ambito degli aspetti di base e sostanzialmente comuni ai vari tipi di aeromobile. La trattazione si sviluppa attraverso otto capitoli, con il primo ed il secondo capitolo relativi all’introduzione ai problemi della fatica ed all’esposizione dello scenario in cui ci si imbatte per la determinazione delle condizioni di carico e degli spettri di carico. Il terzo ed il quarto capitolo introducono gli aspetti della fatica delle strutture in materiali metallici, dalle proprietà dei materiali alle caratteristiche principali richieste agli elementi strutturali, e preparano la trattazione affrontata nel quinto capitolo, relativo ai materiali compositi. Il sesto capitolo si occupa della corrosione e delle sue diverse morfologie che interessano i materiali di impiego aeronautico, dei metodi e dei criteri di contrasto, ed introduce di conseguenza il settimo capitolo che affronta in modo specifico la corrosione sotto sforzo, nelle sue manifestazioni tipiche. L’ottavo capitolo chiude la trattazione mediante l’esposizione delle metodologie di ispezione non distruttive, e completa le discipline coinvolte particolarmente nell’ambito dell’approccio di tolleranza al danno. Per il lettore che dovrà approfondire aspetti specifici, al termine di ogni capitolo è riportata un’ampia ed aggiornata bibliografia che consentirà anche di apprezzare le peculiarità che si presentano per i diversi 15 16 Prefazione tipi di aeromobile (questi ultimi, nascendo da requisiti di progetto differenti, si distinguono in termini di missioni di volo tipiche richieste e da svolgere, e pertanto per condizioni e storia di carico, e per specifica esposizione ambientale). Il testo è rivolto sia agli studenti, sia agli ingegneri ed ai tecnici che iniziano il proprio lavoro nei settori della progettazione, costruzione e manutenzione delle strutture aeronautiche. Roma, 8 Dicembre 2013 Giovanni Di Giorgio Sigle ed abbreviazioni CND Controllo non distruttivo DFCS Digital Flight Control System EASA European Aeronautics Safety Agency FAA Federal Aviation Administration FALSTAFF Fighter aircraft loading standard for fatigue GAG Ground-air-ground HCF High cycle fatigue ISA International Standard Atmosphere LCF Low cycle fatigue LEFM Linear elastic fracture mechanics MED Multiple element damage MLP Multiple path load MSD Multiple site damage NDE Nondestructive evaluation NDI Nondestructive inspection 17 18 Sigle ed abbreviazioni NDT Nondestructive testing POD Probability of detection RAE Royal Aircraft Establishment TOGW Take-off gross weight TWIST Transport wing standard VID Visible impact damage WCD Widespread corrosion damage WFD Widespread fatigue damage Elenco dei simboli Simbolo ε Deformazione totale - εe Deformazione elastica - εp Deformazione plastica - σa Ampiezza sforzo N/m2 σm Sforzo medio N/m2 σmax Sforzo massimo (riferito al ciclo di carico) N/m2 σmin Sforzo minimo (riferito al ciclo di carico) N/m2 σty Sforzo di snervamento a trazione (longitudinale) N/m2 σtu Sforzo di rottura a trazione (longitudinale) N/m2 Δσ Intervallo o variazione degli sforzi N/m2 a Lunghezza iniziale della cricca m a0 Lunghezza iniziale della cricca m ac Lunghezza finale, critica, della cricca m f Frequenza del carico applicato n Numero di cicli di carico applicati - A Rateo di ampiezza di sforzo - D Danno cumulativo - E Modulo di elasticità (longitudinale) N Numero di cicli per il cedimento K Fattore di intensità degli sforzi Hz N/m2 N/m3/2 19 20 Elenco dei simboli Kf Fattore di forma effettivo - Kt Fattore teorico di concentrazione degli sforzi - KISCC Fattore di intensità della sollecitazione limite (per la rottura da tensocorrosione) - R Rateo o rapporto degli sforzi ΔK Variazione del fattore di intensità degli sforzi N/m 3/2
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