Luftfahrt: Spannungen in Strukturelementen

Eine Flugzeugstruktur muss so konstruiert sein, dass sie alle Beanspruchungen durch Flug- und Bodenlasten ohne bleibende Verformung aufnimmt. Jede durchgeführte Reparatur muss die Spannungen aufnehmen, sie über die Reparatur übertragen und sie dann zurück in die ursprüngliche Struktur übertragen. Diese Spannungen werden als durch die Struktur fließend betrachtet, daher muss es einen kontinuierlichen Weg für sie geben, ohne abrupte Änderungen der Querschnittsflächen auf dem Weg. Abrupte Änderungen in Querschnittsbereichen der Flugzeugstruktur, die zyklischen Belastungen oder Belastungen ausgesetzt sind, führen zu einer Belastungskonzentration, die zu Ermüdungsrissen und schließlich zum Versagen führen kann. 

Ein Kratzer oder eine Delle in der Oberfläche eines hochbeanspruchten Metallstücks verursacht eine Spannungskonzentration an der Schadensstelle und könnte zum Versagen des Teils führen. Auf ein Luftfahrzeug einwirkende Kräfte, Ob am Boden oder im Flug, Zug-, Druck- oder Torsionskräfte in die verschiedenen Elemente der Flugzeugstruktur einbringen. Während sich das Flugzeug am Boden befindet, bewirkt das Gewicht der Flügel, des Rumpfes, der Triebwerke und des Leitwerks, dass Kräfte nach unten auf die Flügel- und Stabilisatorspitzen, entlang der Holme und Stringer und auf die Schotten und Spanten wirken. Diese Kräfte werden von Bauteil zu Bauteil weitergegeben und verursachen Biege-, Torsions-, Zug-, Druck- und Scherkräfte. 

Beim Start des Flugzeugs wirken die meisten Kräfte im Rumpf weiterhin in die gleiche Richtung; durch die Bewegung des Flugzeugs nehmen sie an Intensität zu. Die Kräfte an den Flügelspitzen und den Flügelflächen sind jedoch umgekehrt gerichtet; Anstatt abwärts gerichtete Gewichtskräfte zu sein, werden sie zu aufwärts gerichteten Auftriebskräften. 

Die Auftriebskräfte werden zuerst gegen Haut und Stringer ausgeübt, dann an die Spanten weitergeleitet und schließlich durch die Holme übertragen, um durch den Rumpf verteilt zu werden. Die Flügel biegen sich an ihren Enden nach oben und können während des Fluges leicht flattern. Diese Flügelbiegung kann vom Hersteller in der ursprünglichen Konstruktion und Konstruktion nicht ignoriert werden und kann bei der Wartung nicht ignoriert werden. Es ist überraschend, wie eine Flugzeugstruktur, die aus starr miteinander vernieteten oder verschraubten Bauteilen und Außenhaut besteht, wie z. B. eine Tragfläche

Die sechs Belastungsarten in einem Flugzeug werden als Zug, Druck, Scherung, Lager, Biegung und Torsion (oder Torsion) beschrieben. Die ersten vier werden allgemein als Grundspannungen bezeichnet; die letzten beiden, Kombination betont. Spannungen wirken normalerweise eher in Kombination als einzeln. 

Spannung 

Spannung ist die Spannung, die einer Kraft widersteht, die dazu neigt, auseinander zu ziehen. Das Triebwerk zieht das Flugzeug nach vorne, aber der Luftwiderstand versucht es zurückzuhalten. Das Ergebnis ist Spannung, die dazu neigt, das Flugzeug zu dehnen. Die Zugfestigkeit eines Materials wird in Pfund pro Quadratzoll (psi) gemessen und berechnet, indem die Kraft (in Pfund), die erforderlich ist, um das Material auseinanderzuziehen, durch seine Querschnittsfläche (in Quadratzoll) dividiert wird. 

Die Festigkeit eines unter Spannung stehenden Bauteils wird auf der Grundlage seiner Bruttofläche (oder Gesamtfläche) bestimmt, aber Berechnungen, die Spannung beinhalten, müssen die Nettofläche des Bauteils berücksichtigen. Die Nettofläche ist definiert als die Bruttofläche abzüglich der durch Bohren von Löchern oder durch andere Änderungen im Abschnitt entfernten. Das Platzieren von Nieten oder Bolzen in Löchern macht keinen nennenswerten Unterschied in der zusätzlichen Festigkeit, da die Nieten oder Bolzen keine Zuglasten über die Löcher übertragen, in die sie eingesetzt sind. 

Kompression 

Kompression, die Spannung, die einer Quetschkraft widersteht, neigt dazu, Flugzeugteile zu verkürzen oder zu quetschen. Die Druckfestigkeit eines Materials wird ebenfalls in psi gemessen. Unter einer Druckbelastung ist ein ungebohrtes Bauteil stärker als ein identisches Bauteil mit durchbohrten Löchern. Wenn jedoch ein Stopfen aus gleichwertigem oder festerem Material fest in ein gebohrtes Element eingepasst wird, überträgt er Druckbelastungen über das Loch, und das Element trägt eine ungefähr so ​​große Last, als ob das Loch nicht vorhanden wäre. Daher kann für Druckbelastungen die Brutto- oder Gesamtfläche zur Bestimmung der Spannung in einem Bauteil verwendet werden, wenn alle Löcher fest mit gleichwertigem oder stärkerem Material verschlossen sind.  

Scheren 

Scherung ist die Spannung, die der Kraft widersteht, die dazu führt, dass eine Schicht eines Materials über eine benachbarte Schicht gleitet. Zwei unter Spannung stehende genietete Platten setzen die Nieten einer Scherkraft aus. Normalerweise ist die Scherfestigkeit eines Materials entweder gleich oder kleiner als seine Zug- oder Druckfestigkeit. Die Scherbeanspruchung beschäftigt den Luftfahrttechniker hauptsächlich aus Sicht der Niet- und Bolzenanwendungen, insbesondere bei der Befestigung von Blechen, denn wenn ein Niet in einer Scheranwendung nachgibt, werden die genieteten oder verschraubten Teile seitlich verschoben.  

Lager 

Die Lagerspannung widersteht der Kraft, die der Niet oder Bolzen auf das Loch ausübt. In der Regel sollte die Festigkeit des Befestigungsmittels so sein, dass seine Gesamtscherfestigkeit ungefähr gleich der Gesamttragfestigkeit des Plattenmaterials ist.

Drehung 

Torsion ist die Spannung, die eine Verdrehung erzeugt. Während das Flugzeug vorwärts bewegt wird, neigt das Triebwerk dazu, es zu einer Seite zu verdrehen, aber andere Flugzeugkomponenten halten es auf Kurs. Dadurch entsteht eine Torsion. Die Torsionsfestigkeit eines Materials ist sein Widerstand gegen Torsion oder Drehmoment (Torsionsspannung). Die dabei entstehenden Spannungen sind Schubspannungen, die durch Rotation benachbarter Ebenen aneinander vorbei um eine gemeinsame Bezugsachse rechtwinklig zu diesen Ebenen entstehen. Diese Wirkung kann durch eine Stange veranschaulicht werden, die an einem Ende fest befestigt und am anderen durch ein Gewicht verdreht ist, das auf einem Hebelarm platziert ist, wodurch das Äquivalent von zwei gleichen und entgegengesetzten Kräften erzeugt wird, die in einem gewissen Abstand voneinander auf die Stange wirken. Entlang der Stange wird eine Scherwirkung aufgebaut, wobei die Mittellinie der Stange die neutrale Achse darstellt.

Biegen 

Biegen (oder Balkenspannung) ist eine Kombination aus Druck und Zug. Die Stange wurde auf der Bogeninnenseite gekürzt (gestaucht) und auf der Bogenaußenseite gestreckt. Beachten Sie, dass die Biegespannung eine Zugspannung auf die obere Hälfte des Balkens und eine Druckspannung auf die untere Hälfte bewirkt. Diese Spannungen wirken auf beiden Seiten der Mittellinie des Stabes, die als neutrale Achse bezeichnet wird, entgegengesetzt. Da diese in entgegengesetzten Richtungen wirkenden Kräfte an der neutralen Achse nebeneinander liegen, tritt entlang dieser Linie die größte Schubspannung auf, und an den äußersten oberen oder unteren Flächen des Trägers existiert keine.