Dinamika i starenje zrakoplova - Čvrstoća, vibracije i mehanika loma

Kartice pojmova iz predmeta Dinamika i starenje zrakoplova koje pokrivaju faktore opterećenja, mehanička naprezanja, teorije čvrstoće, kompozitne materijale, zamor materijala, mehaniku loma i vibracijske analize.

Faktor opterećenja ($n$)

Omjer aerodinamičke sile uzgona $F_L$ stvorene na krilu i ukupne težine zrakoplova $G$ ($n = \frac{F_L}{G}$).

Granično opterećenje (Limit load)

Najveće vanjsko opterećenje koje se očekuje da konstrukcija zrakoplova može doživjeti u normalnim uvjetima eksploatacije.

Krajnje opterećenje (Ultimate load)

Maksimalno proračunsko opterećenje dobiveno množenjem graničnog opterećenja (Limit load) s faktorom sigurnosti ($SF$), koje konstrukcija mora izdržati bez otkaza najmanje 3 sekunde.

Faktor sigurnosti (Factor of Safety - SF)

Propisani koeficijent koji iznosi $1,5$ (prema propisima CS 23 i CS 25) i predstavlja rezervu čvrstoće između graničnog i krajnjeg opterećenja konstrukcije.

Sigurnosna margina (Margin of Safety - MS)

Mjera rezerve nosivosti konstrukcije izračunata prema izrazu $MS = FS - 1$.

V-n dijagram

Manevarska envelopa leta koja grafički prikazuje odnos faktora opterećenja $n$ i brzine leta zrakoplova $V$, definirajući granice sloma uzgona, konstrukcijskih oštećenja i maksimalnih brzina.

Gradacija čvrstoće

Konstrukcijski koncept namjernog dimenzioniranja elemenata s različitim razinama nosivosti kako bi se pri ekstremnim opterećenjima postigao kontrolirani redoslijed otkaza (npr. otpadanje motora prije loma krila) i spriječio katastrofalni lom primarne konstrukcije.

Glavna naprezanja (Principal Stress)

Normalna naprezanja ($\sigma_1 > \sigma_2 > \sigma_3$) koja djeluju na ravninama presjeka u kojima su posmična naprezanja jednaka nuli, a poprimaju ekstremne vrijednosti.

Koncentracija naprezanja

Lokalni porast naprezanja koji nastaje na mjestima nagle promjene geometrije poprečnog presjeka, poput provrta, utora, zareza ili prijelaznih zaobljenja.

Faktor koncentracije naprezanja ($K_t$)

Bezdimenzijski faktor oblika definiran kao omjer maksimalnog lokalnog naprezanja i nazivnog (nominalnog) naprezanja presjeka ($K_t = \frac{\sigma_{\max}}{\sigma_n}$).

Hookeov zakon za jednoosno stanje

Linearna ovisnost normalnog naprezanja i relativne duljinske deformacije u elastičnom području: $\sigma = E \cdot \varepsilon$, gdje je $E$ modul elastičnosti materijala.

Poissonov koeficijent ($\mu$)

Konstanta materijala definirana kao apsolutni omjer poprečne i uzdužne deformacije pri uzdužnom (vlačnom ili tlačnom) opterećenju.

Konvencionalna granica razvlačenja ($R_{p0,2}$)

Dogovoreno naprezanje koje nakon potpunog rasterećenja uzorka ostavlja trajnu plastičnu deformaciju od $0,2\,\%$, a primjenjuje se za materijale bez izražene granice tečenja.

Duktilnost (Ductility)

Sposobnost materijala da prije loma podnese znatne plastične deformacije uz zamjetno produljenje i lokalno suženje poprečnog presjeka.

Krhkost (Brittleness)

Svojstvo materijala da se lomi naglo i bez prethodnog upozorenja, uz minimalnu ili gotovo nikakvu trajnu plastičnu deformaciju.

Žilavost (Toughness)

Sposobnost materijala da apsorbira mehaničku energiju tijekom deformiranja sve do trenutka nastupanja loma, mjerena površinom ispod dijagrama naprezanje-deformacija.

Charpyjevo njihalo

Ispitni uređaj kojim se određuje udarni rad loma ($KU$ ili $KV$ u joulima) lomljenjem epruvete s $U$ ili $V$ zarezom jednim udarcem brzinom od $5$ do $5,5\,\text{m/s}$.

Puzanje materijala (Creep)

Vremenski ovisna trajna deformacija materijala pod dugotrajnim djelovanjem stalnog opterećenja, izrazito naglašena na povišenim temperaturama višim od $(0,3 \div 0,4) \cdot T_m$.

Granica puzanja ($R_{p\,\varepsilon/t/\upsilon}$)

Naprezanje pri kojem materijal dosegne specificirano relativno produljenje $\varepsilon$ za određeno vrijeme trajanja $t$ i pri definiranoj temperaturi $\upsilon$.

Energetska teorija čvrstoće HMH

Kriterij popuštanja (Huber-Mises-Hencky) koji pretpostavlja da tečenje nastupa kada gustoća energije promjene oblika (distorzije) dosegne kritičnu vrijednost, najprimjenjiviji za žilave metale.

Ekvivalentno naprezanje ($\sigma_{ekv}$)

Fiktivno jednoosno vlačno naprezanje koje ima jednak učinak na čvrstoću elementa kao i stvarno složeno (višeosno) stanje naprezanja.

Izvijanje

Gubitak elastične stabilnosti vitkih konstrukcijskih elemenata izloženih tlaku, obilježen naglim bočnim savijanjem u smjeru najmanjeg momenta tromosti presjeka.

GLARE (GLAss REinforced laminate)

Vlaknasto-metalni laminat (FML) sastavljen od tankih aluminijskih limova između kojih su položeni slojevi preprega ojačani staklenim vlaknima.

Buffeting

Aerodinamički inducirane vibracije i tresenje dijelova zrakoplova uzrokovane nestabilnim, turbulentnim strujanjem zraka iza krila koje udara o repne površine.

Flutter

Samoopasna dinamička nestabilnost zrakoplovne konstrukcije uzrokovana međudjelovanjem aerodinamičkih, elastičnih i inercijskih sila s pozitivnom povratnom vezom.

Vitlanje vratila (Whirling)

Dinamička pojava kod rotirajućih strojeva pri kritičnim brzinama vrtnje gdje neuravnoteženost uzrokuje rotaciju čitave ravnine savijenog elastičnog vratila oko osi ležajeva.

Zamor materijala (Fatigue)

Proces postupnog nastanka i širenja mikropukotina uslijed dugotrajnog djelovanja ciklički promjenjivih naprezanja, koji dovodi do loma pri naprezanjima znatno manjim od statičke čvrstoće.

Trajna dinamička čvrstoća (Fatigue limit)

Najveće promjenjivo naprezanje koje epruveta može podnijeti bez pojave loma pri teorijski beskonačnom broju ciklusa promjene opterećenja.

Wöhlerov dijagram (S-N krivulja)

Krivulja koja prikazuje ovisnost amplitude promjenjivog naprezanja o broju ciklusa do nastupa loma materijala pri određenom faktoru asimetričnosti.

Niskociklički zamor (LCF)

Područje zamora materijala pri visokim naprezanjima uz prisutnost makroskopskih elastoplastičnih deformacija, gdje do loma dolazi u rasponu od $10^3$ do $10^4$ ciklusa.

Visokociklički zamor (HCF)

Područje vremenske čvrstoće pri elastičnim deformacijama i manjim amplitudama naprezanja, gdje je vijek trajanja veći od $10^4$ ciklusa.

Faktor asimetričnosti ciklusa ($r$)

Omjer minimalnog i maksimalnog naprezanja unutar jednog ciklusa promjenjivog opterećenja: $r = \frac{\sigma_{\min}}{\sigma_{\max}}$.

Haighov dijagram

Granični dijagram dinamičke izdržljivosti koji prikazuje ovisnost dopuštene amplitude naprezanja $\sigma_a$ o srednjem naprezanju $\sigma_m$.

Smithov dijagram

Grafički prikaz graničnih vrijednosti maksimalnog ($\sigma_{\max}$) i minimalnog ($\sigma_{\min}$) naprezanja u ovisnosti o srednjem naprezanju $\sigma_m$ za zadanu dinamičku trajnost.

Linearno-elastična mehanika loma (LEFM)

Teorijski pristup mehanici loma koji pretpostavlja linearno elastično ponašanje materijala i malu plastičnu zonu pri vrhu pukotine ($\frac{r_p}{a} < 0,4$).

Faktor intenziteta naprezanja ($K_I$)

Parametar koji jednoznačno opisuje razdiobu naprezanja i polje deformacija u neposrednoj blizini vrha pukotine pri vlačnom (odcjepnom) načinu otvaranja: $K_I = Y \cdot \sigma \sqrt{\pi a}$.

Lomna žilavost ($K_{Ic}$)

Mehaničko svojstvo materijala koje definira kritični faktor intenziteta naprezanja u uvjetima ravninske deformacije pri kojem nastupa nestabilno i naglo širenje pukotine.

Parisov zakon

Empirijski izraz koji opisuje brzinu stabilnog širenja zamorne pukotine u ovisnosti o rasponu faktora intenziteta naprezanja: $\frac{da}{dN} = C \cdot (\Delta K)^n$.

Prag faktora intenziteta naprezanja ($\Delta K_{th}$)

Minimalna vrijednost raspona faktora intenziteta naprezanja ispod koje zamorna pukotina prestaje rasti (brzina rasta pada na zanemarive iznose).

J-integral

Energetski linijski integral neovisan o konturi integracije koji se koristi kao parametar loma u elasto-plastičnoj mehanici loma (EPFM) pri postojanju većih plastičnih zona.

Kritično prigušenje ($c_{kr}$)

Granična vrijednost koeficijenta viskoznog prigušenja ($c_{kr} = 2\sqrt{k \cdot m}$) pri kojoj se titranje sustava guši bez prijelaza preko ravnotežnog položaja (aperiodsko gibanje).

Dinamički udarni faktor ($\alpha_{din}$)

Bezdimenzijski koeficijent definiran izrazom $\alpha_{din} = 1 + \sqrt{1 + \frac{2h}{\Delta l_{st}}}$, koji pokazuje koliko su maksimalni dinamički progibi i naprezanja pri udaru veći od statičkih.