18
  1 AERONAVES E ESTRUTURAS 0. SUMÁRIO a. Introdução Conceitos de Aeronaves/avião/Aerostatos b. Fuselagens Estruturada/Monocoque/Semi-monocoque c. Asas Quanto à Quantidade/Fixação//Cantilever/Sem i- Cantilever/Construção d. Empenagem Composição/Estabilizadores/Tipos/Profundores/le me/compensadores e. Trem de Pouso Convencional(Bequilha)/Triciclo f. Conjunto Motor Motor/Hélice/Nacele g. Esforços Estruturais  Tração/Compressão/Flexão/Torção/Cisalhamento h. Deformações  Elásticas/Permanentes i. Materiais Madeiras/Tecidos/Resinas/Alum ínio/Ligas de Alumínio/Alclad/Anodização/Honeycomb(Celulo se,Alumínio,Fibra de Vidro,Fibra de Carbono)/Magnésio/Aço Inoxidável/Fibras de Vidro e de Carbono  j. Aspectos Construtivos  Formatos/Perfis/Usinagem/Junções/Conformações  /Recortes

AERONAVES E ESTRUTURAS

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 1/18

 

1

AERONAVES E ESTRUTURAS

0. SUMÁRIO

a. IntroduçãoConceitos de Aeronaves/avião/Aerostatos

b. FuselagensEstruturada/Monocoque/Semi-monocoque

c. AsasQuanto à Quantidade/Fixação//Cantilever/Semi-

Cantilever/Construçãod. Empenagem Composição/Estabilizadores/Tipos/Profundores/leme/compensadores

e. Trem de Pouso Convencional(Bequilha)/Triciclo

f.  Conjunto Motor Motor/Hélice/Nacele

g. Esforços Estruturais Tração/Compressão/Flexão/Torção/Cisalhamento

h. Deformações Elásticas/Permanentes

i.  Materiais Madeiras/Tecidos/Resinas/Alumínio/Ligas deAlumínio/Alclad/Anodização/Honeycomb(Celulose,Alumínio,Fibra de Vidro,Fibra deCarbono)/Magnésio/Aço Inoxidável/Fibras deVidro e de Carbono

 j.  Aspectos Construtivos Formatos/Perfis/Usinagem/Junções/Conformações /Recortes

Page 2: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 2/18

 

2

1.  INTRODUÇÃOAeronave é uma unidade construída pelo homem com a finalidade de voar.As aeronaves são categorizadas para fins de certificação como: avião, helicóptero,planador e aeróstato (balões e dirigíveis).Avião – é uma aeronave motorizada, de asa fixa, mais pesada do que o ar que é

suportada no ar pela reação dinâmica do ar contra suas asas.

2.  PARTES PRINCIPAIS DE UM AVIÃOApesar de aviões serem projetados para uma variedade de funções, a maioria deles temos mesmos componentes maiores. As características gerais que diferenciam um aviãodo outro, em termos de sua função, são definidos em projeto, sendo que a maioria dosaviões é constituída de fuselagem, empenagem, trem de pouso e conjunto motor,conforme mostrado na figura 1 e 2. 

2.1. FUSELAGEM Constitui o corpo do avião, é onde se formam as cabines que contêm, os assentos

de passageiros e tripulante, os demais alojamentos para transportar carga, oscontroles para operar a aeronave e elementos de fixação dos demais componentes.Do ponto de vista da construção, existem basicamente dois tipos, monocoque esemi-monocoque, sendo que na fuselagem monocoque a distribuição das cargasdinâmicas e estáticas são suportadas pelo revestimento, os demais elementos são,basicamente apenas de definição de formato, enquanto que na estrutura semi-monocoque as cargas são suportadas, principalmente pelos elementos estruturaisque simultaneamente dão a forma da fuselagem, constituindo assim uma estruturade elementos estruturais primários e secundários.As figuras  3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 nos dão uma visão destes diferentes conceitos deconstrução.Aviões de pequeno porte costumam ser construídos com estruturas monocoque emque a estrutura primária é construída em tubos metálicos, em geral feitos em ligade alumínio, constituindo, com o auxílio de travessas ou estais com esticadores,uma cabine capaz de receber e suportar todas as cargas estáticas e dinâmicas.Nestes aviões o revestimento, primordialmente é de acabamento aerodinâmico edecorativo, constituído de tecido embebido em resina, tipo uma tela, ou ainda deuma chapa muito fina de liga de alumínio.A estrutura monocoque é muito resistente às cargas previstas em projeto, todavianão tolera deformação ou riscos profundos na superfície. Use-se como referênciadesta característica, uma lata vazia de refrigerante, ou um ovo, em que , sem

deformações resistem esforços de compressão longitudinal, mas basta umadeformação ou uma rachadura na casca para que qualquer pequena carga destrua aunidade.Esta estrutura monocoque também apresenta outro problema sério, qual seja, adificuldade de se construir um avião que tenha uma relação peso-robustezaceitável do ponto de vista custo inicial e custo operacional. Por estes motivos, naatualidade a estrutura semi-monocoque é predominante.Na estrutura semi-monocoque utiliza uma subestrutura constituída de cavernas,“stringers”, “longerons” de várias bitolas e algumas travessas formando uma

Page 3: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 3/18

 

3

estrutura primária capaz de absorver a predominância das cargas estáticas e

dinâmicas, tendo o revestimento uma função secundária.

Page 4: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 4/18

 

4

A seção central da fuselagem também inclui os elementos de fixação das asas euma parede de fogo dianteira, como pode ser visto na figura  5. Em aviõesmonomotores, o motor normalmente está afixado à fuselagem, a frente de umaparede de fogo que visa proteger pilotos e passageiros de uma eventual ocorrênciade fogo no motor. A parede de fogo deve resistir a altas temperaturas, por este

motivo é feita em lâmina de aço inoxidável ou equivalente.

Page 5: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 5/18

 

5

2.2.  ASAS

São aerofólios afixados à fuselagem que constituem os principais elementos desustentação do avião. Existem vários tipos de asas, quanto ao projeto do aerófilo,tamanho, perfil, forma de fixação à fuselagem e local de fixação à fuselagem.

Cada uma delas, certamente preenche as expectativas de performance previstaspelo projetista para o respectivo avião e sua função.O como a asa produz sustentação e todos os aspectos aerodinâmicos são objeto dadisciplina de teoria de vôo.O avião, quanto ao local de fixação das asas, pode ser classificado de asa alta, asacentral ou ainda asa baixa e quanto ao à quantidade de asas pode ser mono plano (uma asa de cada lado) e bi-plano (duas asas de casa lado), conforme pode servisto na figura 10. A asa pode ser afixada à fuselagem de tal forma que toda a carga seja transmitidapara a fuselagem sem necessidade de qualquer elemento estrutural externo à asa,neste caso a asa é dita do tipo “ cantilever” e quando a estrutura da asa, em sua

 junção com a fuselagem não é suficientemente robusta para transferir suas cargas,é necessário instalar reforços externos, seja na forma de hastes ou de cabos comesticadores, à esta asa denomina-se “semi-cantilever”, isto porque, estes reforços(estais) normalmente se estendem da metade da extensão da asa até a base dafuselagem (raiz da asa), conforme mostrado na figura 11. As principais partes estruturais de uma asa são longarina, nervura, falsanervura, estais e revestimento, como pode ser visto nas figuras 12, 13, 14 e 15. As nervuras determinam a forma do aerófilo. Na maioria dos aviões modernos ostanques de combustível estão contidos no interior das asas, podendo estes seremintegrais, quando são construídos mediante o uso dos próprios elementos deconstrução das asas e, flexíveis ou não-integrais, quando são constituídos decâmaras flexíveis e independentes, colocadas no interior das asas.A asa deve ter uma estrutura apropriada para receber superfícies de controle devôo primárias e, segundo o projeto, secundárias. Na parte posterioraproximadamente do centro da asa para a extremidade, deve receber o aileron e docentro da asa para sua raiz, deve receber os  flaps de bordo de fuga.Os aerelons trabalham em sentidos opostos para controlar, primariamente o avião,segundo seu eixo longitudinal (roll) e os  flaps normalmente planos com asuperfície das asas em vôo de cruzeiro, quando acionados eles se estendem paratrás e para baixo nas duas asas, adequando a sustentabilidade em baixasvelocidades e atuando como freio aerodinâmico no pouso.

Page 6: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 6/18

 

6

Page 7: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 7/18

 

7

Page 8: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 8/18

 

8

Page 9: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 9/18

 

9

2.3. EMPENAGEM

É a parte do avião que consiste do estabilizador vertical, estabilizador horizontal eas superfícies de controle associadas como o leme de direção e os profundores,com seus elementos de ajustes.

As figuras 16, 17, 18, 10 e 20 nos mostram aspectos relevantes da composição econstrução da empenagem. Note-se que na figura  17 temos um estabilizadormóvel e a dispensa do profundo, assim, o estabilizador integra as duas funções, ouseja, estabilizador e profundor, recebendo o nome de “ stabilator”, e neste caso assuperfícies de ajuste fino foram substituídas por uma apenas interligando os doisestabilizadores horizontais, denominado de “anti- servo”. O anti-servo se deslocana mesma direção do bordo de fuga do stabilator , funcionando comocompensador para trimagem, para reduzir a pressão de carga aerodinâmica docontrole e ajudando ao stabilator a se manter na posição selecionada.O leme fixado à parte traseira do estabilizador vertical, durante o vôo, nos aviõesmenores, permite o controle do avião em torno de seu eixo vertical. O leme

também é usado em coordenação com os aileron para comandar curvas.Os profundores são usados para comandar o avião para subir ou descer. Oscompensadores são pequenas superfícies de bordo de fuga das superfícies decomando, controladas da cabine de comando, têm como função aliviar a pressãoaerodinâmica sobre os controles.

2.4. TREM DE POUSOÉ o elemento que suporta o avião quando no solo, sendo comum consistir de rodase amortecedores, podendo em alguns casos usar esquis ou flutuadores.O trem de pouso é constituído de três sistemas de rodas, duas principais e umaterceira de direção, podendo esta estar instalada na cauda ou no nariz do avião.A instalação em que a terceira roda está localizada na cauda, empenagem, é aconvencional, quando instalada no nariz, o avião é dito triciclo.A manobrabilidade do avião no solo é feita mediante a disponibilização de umcontrole para comandar a roda do nariz ou da bequilha (cauda).

2.5. CONJUNTO MOTORÉ constituído pelo motor, hélice, montantes e carenagens que compõe o invólucrotérmico e aerodinâmico do motor ( nacelle).O conjunto motor além de prover a potência para tracionar o avião, também acionaacessórios para a geração de energia elétrica, energia hidráulica, energia

pneumática e térmica.A nacelle além do acabamento aerodinâmico , tem por função orientar a circulaçãode ar sobre o motor para sua aeração. A figura 21 mostra o conjunto motor de umaaeronave monomotora.

3.  ESFORÇOS ESTRUTURAIS

Um avião está submetido, predominantemente a cinco tipos de esforços, sendo doisprimários enquanto que os outros três podem recair nos primeiros.

Tração – é o esforço que tende a fazer com que um corpo se rompa

longitudinalmente. Quando um corpo está suspenso por uma corrente, esta estásubmetida a um esforço de tração.

Page 10: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 10/18

 

10

Page 11: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 11/18

 

11

Page 12: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 12/18

 

12

Compressão – é o esforço que tende a amassar o corpo no sentido longitudinal.

Flexão – é o esforço no qual existe a tendência de sua ruptura de um lado e decompressão do outro. Ocorre na dobradura de uma chapa.

Torção – é o esforço aplicado segundo a diagonal do corpo, onde o esforço decompressão trabalha em quadratura com o esforço de tração. O virabrequim de ummotor alternativo está sob este esforço quando acionando uma hélice.

Cisalhamento – é o esforço que agindo no corpo tende a provocar sua separação.É o caso dos fixadores, como por exemplo, rebites que fazem a união de duaspeças sob tração, tendem a ser cortados pela ação deste esforço.As figuras  11, 22, 23, 24 e 25  nos mostram diferentes ocorrências de esforços,comumente existentes nas diferentes partes de um avião.Na construção de uma estrutura o projeto deve prever a transferência dos esforços,para que as partes não se danifiquem ou se deformem de forma permanente.

A deformação é permitida, tolerada e necessária, caso ela não existisse haveriam asrupturas e decorrentes incidentes ou acidentes, mas ela deve ser mantida dentro delimites de elasticidade, próprio de cada material, constituindo as deformaçõesnão-permanentes, é o caso notável da flexibilidade das asas, que se não fossepermitida, levaria a asa à ruptura.Caso excedermos o limite de flexibilidade dos materiais, ocorrerá a deformaçãopermanente ou a ruptura, o que não é desejado.A resistência aos esforços é grandemente modificada em função do formato dado àpeça, como mostrado na figura 26.

Page 13: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 13/18

 

13

4. MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO DE AVIÕES

Historicamente a construção de aviões vem usando os mais diversos materiais,tanto de origem vegetal, mineral ou química.Penso poder dizer que saímos do bambu e da seda, passamos para materiaisdiversos, fomos para o avião metálico, DC-3 e, progressivamente entramos para osmateriais de origem química, materiais compostos, sendo que hoje os novos aviõesque estão sendo desenvolvidos já trazem aproximadamente 85% de seus elementosconfeccionados de materiais compostos (fibras de vidro e de carbono).

· Madeira – voltando no tempo, é sabido que ainda são construídos pequenosaviões com elementos da estrutura primária em madeira. A figura 27 relaciona

Page 14: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 14/18

 

14

algumas madeiras e seus usos. Em geral a madeira é usada de forma laminada paraaumentar e melhorar suas características, adequando-se ao uso específico, ondecada lâmina se encontra com relação à outra a 90º ou a 45º. É normal ter elementosestruturais com até nove lâminas.

· Ligas de alumínio – com diferentes composições passaram a ser usados em altaescala, predominantemente a partir do final da década de 1930, transformando-seno material amplamente usado até os dias atuais. As figuras 28 e 29 apresentamalgumas destas ligas.A suscetibilidade do alumínio à corrosão é um dos fatores limitantes de seu uso naconstrução de elementos estruturais de aviões. Todavia este problema foiminimizado pela aplicação de alumínio puro na superfície (Alclad), cobrindo asuperfície com uma película impenetrável de óxido, ou ainda pela aplicação de“ primer ” e tinta.Corrosão é uma ação eletroquímica em que um elemento no metal é transformadoem um sal do metal. Em se tratando do alumínio, o sal é constituído de um pó

branco ou cinza, a mancha escura indicando que o alumínio foi removido.Três fatores contribuem para a ocorrência de corrosão no alumínio:

·· Existência de uma área com diferença de potencial elétrico dentro do metal.·· Existência de um meio de condução elétrica entre as áreas e·· Alguma forma de eletrólito cobrindo a superfície entre estas áreas paracompletar o circuito elétrico.

Este efeito corrosivo também ocorre quando metais diferentes são mantidos emcontato, basta que tenham um potencial elétrico de superfícies diferentes, como porexemplo, um parafuso de aço fixando duas peças de alumínio, na área de contatocom o parafuso, forma-se uma pilha galvânica e, em decorrência, o alumínio passaa ser consumido por ser mais anódico do que o aço.

Para prevenir a ocorrência de corrosão, conforme apresentado, é habitual, naconstrução aeronáutica, banhar as peças de aço, que terão contato com o alumínioou liga de alumínio, com cádmio que tem um potencial elétrico similar ao doalumínio.O alumínio puro não se corrói porque no seu interior não existem diferenciais depotencial elétrico, mas ele é muito macio para uso estrutural, mas pode ser usadocomo revestimento das ligas de alumínio, obtendo-se desta forma as boas

características de ambos, robustez e resistência à corrosão. Para este processochamado anodização “ clading”, temos uma perda de aproximadamente 5% naresistência mecânica da liga.O alumínio puro não se corrói porque ele se oxida, finamente, constituindo umapelícula isolante que neutraliza a possibilidade de oxidação continuada para o seuinterior, assim uma chapa ou peça anodizada, não pode sofrer arranhões ou riscossob pena de servir de acesso ao processo de corrosão da liga.

· Favo de Mel  ( honeycomb) – a estrutura de uma aeronave não necessita apenasser robusta, forte, necessita também ser rígida em muitas de suas áreas, e chapasfinas de liga de alumínio apesar de oferecerem resistência adequada, em geral não

oferecem a rigidez necessária.

Page 15: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 15/18

 

15

Page 16: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 16/18

 

16

Para atender a necessária resistência física e a rigidez, combinadas com baixo peso,foi desenvolvido um material estrutural, constituindo um sanduíche, formado porduas finas placas separadas e unidas através de um enxerto constituindo uma figurasimilar a de um favo de mel de abelha (honeycomb).Esta estruturação em função de suas características físicas, robustez, rigidez e

leveza é muito usada na fabricação de vários elementos estruturais de um avião.O honeycomb é fabricado de várias formas quanto aos materiais, todo em metal,todo em não-metal ou misto. O miolo pode ser em alumínio, em papel encerado ouem fibra.O honeycomb pode ser disponibilizado em placas sob diferentes especificações ouem blocos compactos para formatação e construção do elemento estrutural.Muitos elementos como hélices, superfícies de comando, pisos, painéis, radomes,naceles e outros, são fabricados com os mais diferentes tipos de honeycomb.Aviões supersônicos usam como revestimento honeycomb revestido em açoinoxidável ou titânio para resistir às altas temperaturas.

· Magnésio – este metal pesa 35% menos do que o alumínio por este motivoencontra largo uso na construção estrutural de um avião, como por exemplo, partesde motor, carcaças de componentes e rodas. Como chapa, é usado com freqüênciana construção de superfícies de comando quando ser leve é muito importante.O magnésio, como elemento estrutural, tem contra si dois aspectos negativos, émuito quebradiço e é bastante suscetível à corrosão.

· Aço Inoxidável – é mais usado na confecção de peças, ou pequenos elementosestruturais, face ao seu peso excessivo, já foi usado como material de revestimentoem jatos militares supersônicos face às suas características térmicas.

· Fibras – vários são os tipos de fibras usadas na construção de aviões, atualmentecom predominância das fibras de vidro e de carbono. Vários elementos estruturaisou de acabamento aerodinâmicos são construídos com estes materiais, comolavatórios,  galleys, vigas de piso, superfícies de comando, empenagem,  pylons demotores, dentre outros. Estas fibras têm a seu favor, robustez, rigidez eprincipalmente alta resistência à corrosão.

5. ASPECTOS CONSTRUTIVOS

Na construção de qualquer parte de um avião é indispensável conjugar segurança,

desempenho, peso, custo, confiabilidade e manutenção, com a função do avião, poreste motivo, existe uma evolução permanente na construção de aviões e suaspartes. As figuras 13, 14, 15, 30, 31, 32, 33, 34, 35 e 36 nos dão uma idéia destaevolução ocorrida na construção de uma asa, por exemplo, onde passamos de umaconstrução em madeira revestida com tela de tecido em algodão impregnado echegamos na construção metálica com revestimento estrudado e usinado.As superfícies de comando, por uma questão de estabilidade e equilíbrio de cargasdevem ser balanceadas, isto é, seu centro de gravidade alinhado com o eixo defixação.No caso de aviões pressurizados, cuidados especiais devem ser tomados, pois adiferencial de pressão submete a fuselagem a esforços não existentes em um avião

não pressurizado.

Page 17: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 17/18

 

17

Este esforço submete a fuselagem a um processo de dilatação cíclica repetitiva acada vôo, de forma que os pontos de descontinuidade são submetidos a esforçosmuito maiores do que aqueles pontos contínuos.Como exemplos de descontinuidades, temos as aberturas das janelas, portas, odesenho da fuselagem como resultado da interferência de dois círculos (uper deck / 

main deck do B-747 ) e as paredes de fechamento dianteiro e traseiro da fuselagem(bulkhead dianteira e traseira).Nos cantos, se não forem arredondados, ocorrerá alta concentração de esforçoscapazes de levar a fuselagem à ruptura, inicialmente lenta e posteriormentesúbita, cujas conseqüências dispensam comentários por serem fatais, veja-se o casodo avião de fabricação inglesa “Comet ”.

Page 18: AERONAVES E ESTRUTURAS

5/12/2018 AERONAVES E ESTRUTURAS - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aeronaves-e-estruturas 18/18

 

18