Considerações Gerais

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1 Considerações Gerais Aviões de transporte comercial são desenhados especificamente para o transporte de passageiros e carga de um aeroporto para outro. Por outro lado, aviões militares como caças e bombardeiros têm que resistir a manobras mais severas. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 1

2 Considerações Gerais As condições de carga são aquelas que são encontradas durante o uso operacional do avião, quer em voo quer em terra. Uma vez que é impossível investigar todas as condições de carga que uma aeronave pode encontrar no seu tempo de vida, é normal seleccionar aquelas que serão críticas para cada membro estrutural do veículo. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 2

3 Considerações Gerais Para garantir segurança, integridade estrutural, e fiabilidade das aeronaves, as agências governamentais, civis e militares, estabeleceram especificações e requisitos de acordo com a amplitude das cargas a serem usadas no desenho estrutural das várias aeronaves. As cargas limites usadas pelas agências civis, ou cargas aplicadas pelas militares são as cargas máximas a que o avião poderá estar sujeito ao longo de toda a sua vida útil. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 3

4 Considerações Gerais As cargas limites usadas pelas agências civis, ou cargas aplicadas pelas militares são as cargas máximas a que o avião poderá estar sujeito ao longo de toda a sua vida útil. Cargas máximas ou cargas de desenho são as cargas limites multiplicadas por um factor de segurança (FS) limite carga x FS = carga máxima Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 4

5 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Uma de quatro condições básicas irá produzir o maior carregamento possível em qualquer parte do avião para qualquer condição de voo. ângulo de ataque positivo elevado positive high angle of attack (PHAA) ângulo de ataque positivo pequeno positive low angle of attack (PLAA) ângulo de ataque negativo elevado negative high angle of attack (NHAA) ângulo de ataque negativo pequeno, negative low angle of attack (NLAA) Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 5

6 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque positivo elevado (PHAA) A condição PHAA é obtida numa subida com o maior a permitido pela asa. A componente C é máxima para o máximo valor de a. É utilizado um a correspondendo a um C L 1.25 vezes superior C lmax condições estacionárias, e assim os dados aerodinâmicos são extrapolados dos dados medidos em condições de escoamento estacionárias. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 6

7 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque positivo elevado (PHAA) Os momentos flectores provocados pelas forças N produzem compressões na parte superior da asa. As forças C produzem compressões no bordo de ataque da asa. Estas compressões serão transmitidas ao banzo superior da longarina frontal e aos stringers adjacentes a esta. Nesta condição, a carga positiva no estabilizador horizontal será maior do que para qualquer outra atitude de voo positiva, uma vez que as acelerações de picada são normalmente desprezáveis e o factor de carga no estabilizador tem de equilibrar os momentos de outras forças aerodinâmicas em torno do centro de gravidade do avião. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 7

8 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque positivo pequeno (PLAA) Para um dado L da asa, o a decresce à medida que a velocidade aumenta, logo a condição PLAA corresponde à velocidade indicada máxima ao qual o avião mergulha. Este limite na velocidade de mergulho permitida é normalmente de 1.2 a 1.25 vezes superior à velocidade máxima indicada em voo nivelado Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 8

9 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque positivo pequeno (PLAA) Os momentos flectores da asa nesta condição produzem tensões de compressão máximas na região superior e anterior da asa, ou seja no banzo superior da longarina traseira e stringers adjacentes O momento desta força em torno do centro de gravidade do avião tem o valor negativo máximo; logo o download (carga dirigida para baixo) no estabilizador horizontal requerido para equilibrar os outros momentos das forças aerodinâmicas irá ser maior do que para qualquer outra condição de voo positiva. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 9

10 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque negativo elevado (NHAA) Ocorrem em manobras intencionais no qual as cargas devido ao escoamento de ar são dirigidas para baixo ou quando o avião encontra rajadas no sentido descendente em voo nivelado. A asa é usualmente assumida estar no ângulo de perda negativo para condições de voo estacionários. Os factores de carga para atitudes de voo negativas são consideravelmente pequenos quando comparado com os de atitude de voo positiva. Factores de carga provocados por rajadas são também menores porque em voo nivelado o peso do avião subtrai-se á força de inércia Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 10

11 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque negativo elevado (NHAA) Os momentos de flexão da asa na condição NHAA produzem as maiores tensões de compressão na região inferior e posterior e de tracção na superior e anterior da secção transversal da asa. A linha de acção da resultante R encontra-se mais perto do bordo de fuga do que em qualquer outra atitude de voo negativa, e irá provavelmente produzir a maior carga no estabilizador horizontal para qualquer atitude de voo negativa. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 11

12 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque negativo pequeno (NLAA) Ocorre no limite da velocidade de mergulho do avião. Esta condição pode ocorrer numa manobra intencional produzindo um factor de carga negativo ou numa condição de rajada negativa. A força C é máxima comparativamente a qualquer outra atitude de voo negativa. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 12

13 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Ângulo de ataque negativo pequeno (NLAA) As tensões de compressão devido à flexão da asa são máximas na região inferior e do bordo de fuga, enquanto que as tracções são máximas na região superior de bordo de ataque da secção transversal da asa. A resultante R encontra-se mais perto do bordo de fuga do que em qualquer outra atitude de voo negativa, e o download no estabilizador horizontal será maior do que em qualquer outra atitude de voo negativa. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 13

14 Cargas provocadas por condições de Voo Básicas Resumo das quatro situações básicas Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 14

15 Cargas Aerodinâmicas numa aeronave z C z =C L cos q + C D sin q C x =C D cos q + C L sin q Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 15

16 Cargas Aerodinâmicas numa aeronave C L, C D e C m a-t são obtidos a partir de teste em túneis de vento com modelos sem cauda. Momento de Picada é dado por: C m a-t cqs c é a corda aerodinâmica média q é a pressão dinâmica S é a área da asa Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 16

17 Cargas Aerodinâmicas numa aeronave O equilibrio de carga devido ao escoamento de ar no estabilizador horizontal, é obtido a partir da hipótese de que não existe aceleração angular no avião. C qsl t C t t = = C c C L t Apesar de L t variar para diferentes valores de carregamento é usual assumir que é constante usando uma posição avançada do centro de pressão do estabilizador horizontal m a-t m a-t cqs Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 17

18 Cargas Aerodinâmicas numa aeronave A força aerodinâmica total no avião na direcção de z é igual à soma da força no avião sem estabilizador com a força referente ao estabilizador: C z a qs C z a = = C qs Para condições de voo com propulsão, devem ser considerados termos relativos ao hélice ou jacto em torno do centro de gravidade do avião. z C z + + C C qs t t Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 18

19 Cargas Aerodinâmicas numa aeronave Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 19

20 Cargas Inerciais numa Aeronave A carga máxima em qualquer parte de uma estrutura de aeronave ocorre quando o veículo sobre uma aceleração. A carga produzida pelo impacto da aterragem, manobras, rajadas, lançamentos, e reabastecimentos aéreos são sempre maiores do que as cargas que ocorrem quando todas as forças no veículo estão em equilíbrio. Antes que qualquer componente estrutural possa ser desenhado, é necessário determinar as cargas inerciais que actuam na aeronave. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 20

21 Cargas Inerciais numa Aeronave Considerando que os elementos de um corpo rígido se movem segundo uma trajectória curva de tal modo que cada elemento move-se num único plano e todos os elementos movem-se em planos paralelos. Este tipo de movimento é chamado movimento no plano, e ocorre, por exemplo, quando uma aeronave se encontra em movimento de picada e não tem movimento de rolamento ou guinada. Neste caso, todos os elementos da aeronave movem-se em planos paralelos ao plano de simetria. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 21

22 Cargas Inerciais numa Aeronave Para um corpo de massa m a realizar uma trajectória circular com velocidade e aceleração angular e, respectivamente e com coordenadas do centro de massa x e y pode-se demonstrar que as forças inerciais serão: = -ma x + mw O binário de inércia resultante, em torno do eixo de rotação I Em que é o momento de inércia central F F y x = ma y + mw ( 2 2 T = -Ia - m x + )a 0 y Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 22 2 x 2 y

23 Factores de Carga no movimento de translação Quando a aeronave é sujeita a uma aceleração vertical para cima, o peso w e a inércia somam-se e são equilibrados pela sustentação L: À L -W L = mg = ma À L = mg ma À ( 1+ a / g) = W ( 1+ a / g) = nw + Teremos então para o caso de uma aeronave com aceleração vertical que o factor de carga n a utilizar é: n = 1+ a / g Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 23

24 Factores de Carga no movimento de translação No caso de um avião em voo nivelado sem aceleração, a força desenvolvida pelo motor iguala as forças de resistência do avião, e a componente de inércia é nula. L = nw L = W á ân ã = 1 Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 24

25 Factores de Carga no movimento de translação Se a força propulsiva T que é superior à resistência D do avião, todo o elemento de massa no avião fica sob o efeito de uma força de inércia horizontal igual ao produto da massa pela aceleração horizontal. T - D Este factor de carga horizontal, muitas vezes chamado factor de carga de impulso é obtido através do equilíbrio das forças horizontais Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 25 = n ma x = a = W g T - D W = n x W

26 Factores de Carga no movimento de translação Um caso mais geral da aceleração de translação no qual a linha do impulso (força de propulsão) não é horizontal. É conveniente calcular as componentes das forças nos eixos x e z os quais são respectivamente paralelo e perpendicular à linha de propulsão Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 26

27 Factores de Carga no movimento de translação A combinação da carga inercial e do peso em cada elemento tem uma componente ao longo do eixo z com o seguinte módulo L - Wcosq = (W / g)a n z À = cosq + ( a ) z q + Como a força propulsiva e a resistência têm de estar em equilíbrio com as componentes do peso e forças de inércia segundo o eixo x, tem-se T - D + Wsin q = n L a z = g W cos Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 27 = L W ( W g) a x À T - D = ( a x g - sin q) = a g - sin q = ( T - D) W x x g = nw W = n x W

28 Factores de Carga no movimento de translação No caso de uma aterragem, o factor de carga de aterragem é definido como a reacção vertical dividida pelo peso do avião. O factor de carga na direcção horizontal é definido similarmente como a reacção horizontal dividida pelo peso do avião: n n z x = = R R z x w w Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 28

29 Diagrama Velocidade - Factor de Carga ( V- n ) As varias condições de carga de um avião são normalmente representadas num gráfico de factor de carga limite n velocidade V. Este diagrama é muitas vezes referido como diagrama Vn, uma vez que o factor de carga n está relacionado com a aceleração da gravidade g. A componente z da resultante da força de inércia e gravítica é a força nw actuando no centro de gravidade. O factor de carga n é obtido pela soma das forças segundo o eixo z Cz r SV a Cz qs = nw À n = a 2W Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 29 2

30 Diagrama Velocidade - Factor de Carga ( V- n ) Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 30

31 Factores de Carga de Rajada Quando um avião se encontra em voo nivelado em ar calmo, o ângulo de ataque a é medido da linha da corda da asa com a horizontal. Se o avião subitamente encontra uma corrente ascendente que tem uma velocidade vertical KU, o ângulo de ataque é aumentado de Da. O ângulo Da é pequeno, e em radianos pode ser considerado igual à sua tangente: Da = ku V Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 31

32 Factores de Carga de Rajada A alteração em C za, resultando de da mudança Da, pode ser obtida da curva de C za versus a. Esta curva é aproximadamente uma linha recta, e tem um declive b que pode ser considerado constante: DCza b = Da Depois de se encontrar a rajada, o C za do avião aumenta: bku DC za = bda = V O aumento Dn pode ser obtido a partir do valor DC za Dn = DCzarSV 2W rsbkuv 2W Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 32 2 =

33 Factores de Carga de Rajada Para realizar o cálculo é mais conveniente determinar a declive b em graus e a IAS (V) em km/h. Obtém-se: Dn bkuv = Quando o avião se encontra em voo nivelado e antes de ser atingido por uma rajada de vento, o factor de carga é unitário. Dn tem de ser combinado com a unidade de maneira a se obter o factor de carga devido a rajada b kuv w S Dn = w S Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 33

34 Factores de Carga de Rajada No caso da rajada ser instantânea, k=1 e a velocidade de rajada é U. O avião fica sujeito a uma aceleração no sentido vertical com uma aceleração inicial a 0 e ficará com uma velocidade vertical variável v. Agora dependendo do tempo têm-se as seguintes situações: Ã ( t 1 = 0 ) Da tem um valor máximo igual a U/V. Ã ( t 2 > t 1 ) Da vai decrescendo até (U-v)/V devido à componente vertical v. Ã ( t 3 > t 2 ) Quando v=u, Da é igual a zero, ou seja, o avião encontra-se na situação de voo inicial Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 34

35 Factores de Carga de Rajada Após alguma manipulação podemos obter: qsb U a 0 = M V qsb U - v a = M V Que permite obter a variação da aceleração, durante a rajada, com o tempo: a = a 0 e -a 0 t / U Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 35

36 Factores de Carga de Rajada Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 36

37 EXERCÍCIOS Um avião de lb é desacelerado de 3g (96.6 ft/s 2 ) por meio de um cabo e um gancho ao aterrar num porta-aviões. a)achar a tensão no cabo, a reacção R, e a distância e do centro de gravidade à linha de acção do cabo. b)achar a tensão na fuselagem nas secções verticais AA e BB se a porção de avião à frente de AA pesa 3000 lb e a parte de avião atrás de BB pesa 1000 lb. c)achar a distância de aterragem se a velocidade de aterragem for de 80 ft/s. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 37

38 EXERCÍCIOS Um avião com peso de 35.6 kn tem uma desaceleração vertical de 3g quando está a aterrar. 1 m 1 m 35.6 kn 6 m a) Quais serão os valores das reacções das rodas R 1 e R 2? b) Qual será o tempo necessário para desacelerar o avião de uma velocidade de 3.7 m/s até parar c) Qual será o momento de flexão bem como o esforço transverso na secção vertical AA se o peso da parte dianteira desta secção for de 8900 N e tiver um centro de gravidade 1 m do corte da secção? Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 38

39 EXERCÍCIOS Um avião está a efectuar uma aterragem com o gancho no convés de uma porta-aviões. V C.G. é de 3.66 m/s e w é 0.5 rad/s no sentido anti-horário. O R gir. do avião em relação ao C.G. é de 1.5m m m 44.5 kn 2m 0.5m 133 kn 89 kn a) Determine os factores de carga n e n x perpendiculares e paralelos à pista, para o C.G., num ponto 0.5m à frente C.G. e num ponto 0.25m atrás do C.G. f) Qual a velocidade relativa com que a roda do nariz do avião toca no convés Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 39

40 EXERCÍCIOS Um avião de transporte está a fazer uma aterragem nivelada. O peso do avião é de 660 kn, e o seu momento de inércia em relação ao movimento de picada (I y ) é de 5.65x10 6 kg m 2 em relação C.G. 6m 3m 10m 2.5m A reacção no trem de aterragem traseiro é de 1.56x10 6 N com um ângulo de 15º com a vertical. Determinar qual o passageiro que suporta maior carga, se o A ou o B. Assumir que cada passageiro pesa 750 N e desprezar a sustentação do avião. Estruturas Aeroespaciais Cargas impostas em Aeronaves 40