Giovanni Di Giorgio Fondamenti di fenomenologia della fatica e della tensocorrosione nelle strutture aeronautiche

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3 Giovanni Di Giorgio Fondamenti di fenomenologia della fatica e della tensocorrosione nelle strutture aeronautiche

4 Copyright MMXIV ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN 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 2014

5 Questo testo è dedicato a mio padre Giuseppe ed a mia madre Wilma

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7 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

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9 Indice Prefazione 15 Sigle ed abbreviazioni 17 Elenco dei simboli 19 Capitolo 1 Introduzione alla fatica ed ai criteri di progetto delle strutture 1.1 Introduzione Le origini degli studi sulla fatica delle strutture aeronautiche e l evoluzione delle normative Progettazione strutturale, fatica e corrosione Metodologie e criteri di progettazione Il criterio di progetto Safe Life Il criterio di progetto Fail Safe Il criterio di progetto Damage tolerance Widespread fatigue damage 32 Bibliografia 33 Capitolo 2 Requisiti di missione degli aeromobili e spettri di carico 2.1 Le strutture ed i problemi della fatica e della 35 corrosione 2.2 Missione dell aeromobile e condizioni di carico Impostazione metodologica per la 40 determinazione delle condizioni di carico Considerazioni relative alle manovre ed alle relative condizioni di carico Sequenza e blocco di missioni Le Prove di volo Spettro di carico nelle prove di fatica Il monitoraggio in servizio operativo Missioni e spettri di manovra Missioni e spettri di manovra per un velivolo 53 intercettore 9

10 10 Indice Missioni e spettri di manovra per gli aeromobili ad ala rotante Condizioni ambientali in servizio e corrosione per le strutture Sequenze di carico standard Spettri di carico e metodi conteggio Classificazione dei principali metodi di conteggio Il metodo o algoritmo Rainflow 66 Bibliografia 70 Capitolo 3 Proprietà fondamentali di fatica e di frattura dei materiali metallici 3.1 Introduzione Condizioni di carico cicliche e definizioni fondamentali Regimi di fatica Osservazioni sui regimi caratterizzati da deformazione plastica Limite di fatica del materiale ed effetto scala Nucleazione e propagazione dei fenomeni di fatica nei materiali metallici Chiusura della cricca attorno alla zona plastica Richiami di meccanica della frattura dei materiali metallici 87 Bibliografia 90 Capitolo 4 La fatica nelle strutture aeronautiche in materiali metallici 4.1 Introduzione Introduzione alla stima della vita a fatica Equazioni basiche della velocità di propagazione delle cricche Modelli empirici di Soderberg, Gerber, Goodman Applicazione della regola di Goodman al dimensionamento preliminare di un componente Stima della vita a fatica di un componente strutturale mediante la teoria del danno cumulativo 98

11 Indice Spettro di manovra e vita a fatica Metodologie di contrasto ai fenomeni di fatica Concentrazione degli sforzi Modellazione agli elementi finiti Il fattore K f Induzione di tensioni residue di compressione mediante rullatura Processo di pallinatura mediante getto di pallini metallici La pallinatura nelle fasi di progettazione Integrazione delle proprietà conferite dalla pallinatura con le ulteriori prestazioni dei componenti La pallinatura e le fasi di costruzione Processi avanzati di pallinatura Pallinatura laser Ulteriori fenomeni di fatica Ulteriori considerazione sul fenomeno WFD 117 Bibliografia 121 Capitolo 5 La fatica nelle strutture aeronautiche in materiali compositi 5.1 Introduzione Proprietà fondamentali dei materiali compositi Richiami sui materiali compositi Strutture sandwich Laminati compositi Fenomeni di fatica nei materiali compositi Danneggiamento e cedimento dei laminati compositi Danneggiamento di giunti strutturali con elementi di fissaggio Danneggiamento progressivo delle strutture sandwich Danneggiamento per impatto, effetto delle condizioni ambientali Osservazioni sulla resistenza e fatica dei materiali metallici e dei materiali compositi Modelli di calcolo della vita a fatica di laminati compositi Metodologie di approccio alla stima della fatica per i laminati compositi 143

12 12 Indice Capitolo Distribuzione di Weibull a due parametri Il modello di Sendeckyj Alcuni approcci alle prove sulle strutture in composito 147 Bibliografia 150 La Corrosione nelle strutture aeronautiche 6.1 Introduzione Morfologia e classificazione dei fenomeni di corrosione Corrosione e fatica I fattori che influenzano la corrosione Progettazione e criteri di protezione dalla corrosione Materiali metallici e proprietà di resistenza alla corrosione Leghe di Alluminio Acciai Leghe di Titanio Leghe di Magnesio Serie galvanica e criteri di selezione dei materiali Introduzione ai sistemi di protezione superficiale anticorrosione dei componenti aerospaziali Analisi di casi di deterioramento dei sistemi di protezione Zone tipiche di corrosione per un velivolo da trasporto Il fenomeno fretting Meccanismo di propagazione, effetti, cedimento Criteri di progettazione Analisi di casi di danneggiamento dovuti al fretting Effetti della corrosione ed integrità strutturale Alcune considerazioni sulla prevenzione della corrosione per l aeromobile 189 Bibliografia 191 Capitolo 7 Fenomeni di tensocorrosione dei materiali metallici di impiego aeronautico 7.1 Introduzione 193

13 Indice Condizioni di innesco e propagazione della corrosione Analisi dei fattori della corrosione sotto sforzo Condizioni di carico Tensioni residue interne Materiali metallici aerospaziali e suscettibilità tensocorrosione Acciai Leghe di titanio Leghe di alluminio Leghe di magnesio Il fattore ambientale Prove di suscettibilità a tensocorrosione Conclusioni Corrosione sotto sforzo, infragilimento da idrogeno e corrosione a fatica 206 Bibliografia 208 Capitolo 8 Danneggiamento, ispezione e tolleranza al danno 8.1 Introduzione I controlli non distruttivi per le strutture aeronautiche Controlli non distruttivi per i materiali metallici Ispezione visiva Introduzione all ispezione ai liquidi penetranti ed all ispezione magnetica Ispezione ai liquidi penetranti Ispezione magnetica Ispezione mediante attacco chimico Nital degli acciai Metodo di ispezione delle correnti indotte (Eddy current method) Ispezione agli ultrasuoni Ispezioni radiografiche Controlli non distruttivi per i materiali compositi Tap testing, ispezione sonora al martelletto Ispezione agli ultrasuoni Ispezioni radiografiche Riepilogo sulle applicazioni dei controlli e sullo stato dei componenti Riepilogo delle fonti di danneggiamento 231 Bibliografia 234

14 14 Indice Appendice A - Evoluzione storica degli studi sulla fatica dei metalli 237 Appendice B - Condizioni di trattamento termico delle leghe di alluminio di impiego aeronautico 239 Glossario 241 Indice delle figure 245 Indice delle tabelle 251 Indice analitico 255

15 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 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

17 Sigle ed abbreviazioni CND DFCS EASA FAA Controllo non distruttivo Digital Flight Control System European Aeronautics Safety Agency Federal Aviation Administration FALSTAFF Fighter aircraft loading standard for fatigue GAG HCF ISA LCF LEFM MED MLP MSD NDE NDI Ground-air-ground High cycle fatigue International Standard Atmosphere Low cycle fatigue Linear elastic fracture mechanics Multiple element damage Multiple path load Multiple site damage Nondestructive evaluation Nondestructive inspection 17

18 18 Sigle ed abbreviazioni NDT POD RAE TOGW TWIST VID WCD WFD Nondestructive testing Probability of detection Royal Aircraft Establishment Take-off gross weight Transport wing standard Visible impact damage Widespread corrosion damage Widespread fatigue damage

19 Elenco dei simboli Simbolo ε Deformazione totale - ε e Deformazione elastica - ε p Deformazione plastica - σ a Ampiezza sforzo N/m 2 σ m Sforzo medio N/m 2 σ max Sforzo massimo (riferito al ciclo di carico) N/m 2 σ min Sforzo minimo (riferito al ciclo di carico) N/m 2 σ ty Sforzo di snervamento a trazione (longitudinale) N/m 2 σ tu Sforzo di rottura a trazione (longitudinale) N/m 2 Δσ Intervallo o variazione degli sforzi N/m 2 a Lunghezza iniziale della cricca m a 0 Lunghezza iniziale della cricca m a c Lunghezza finale, critica, della cricca m f Frequenza del carico applicato Hz n Numero di cicli di carico applicati - A Rateo di ampiezza di sforzo - D Danno cumulativo - E Modulo di elasticità (longitudinale) N/m 2 N Numero di cicli per il cedimento - K Fattore di intensità degli sforzi N/m 3/2 19

20 20 Elenco dei simboli K f Fattore di forma effettivo - K t Fattore teorico di concentrazione degli sforzi - K ISCC 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 -