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Estruturas Estruturas Básicas Aula 1 Preparado por Alexandre Zaramella São José dos Campos, SP, BRAZIL INTRODUÇÃO DESIGN ESTRUTURAL ASPECTOS CONSTRUTIVOS Requisitos de projeto Materiais Processos de Fabricação REQUISITOS EXEMPLOS Alexandre Zaramella – 40 anos – Eng. Mecânico – (CEO - ACS-Aviation) Inglaterra + 8 colaboradores + rede de parceiros EQUIPE ACS-100 SORA REQUISITOS DE PROJETO MATERIAIS PROCESSOS de FABRICAÇÃO ASPECTOS CONSTRUTIVOS AERONAVE PROJETADA COM O ESTADO DA ARTE DE MATERIAIS E PROCESSOS! QUAL O MELHOR MATERIAL E PROCESSO ??? ASPECTOS CONSTRUTIVOS ENTRADA DE CARGAS DEFINIÇÃO MISSÃO REQUISITO DESIGN PRELIMINAR DESENVOLVIMENTO (ANÁLISE E TESTE) FALHA APROVAÇÃO RECONFIGURAÇÃO DESIGN ACEITO OTIMIZAÇÃO DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS DE PROJETO DESIGN ESTRUTURAL Requisitos Design Preliminar Design Conceitual Configurações Comparações REQUISITOS DE PROJETO DESIGN ESTRUTURAL DESIGN PRELIMINAR DESENVOLVIMENTO (ANÁLISE E TESTE) - Rigidez - Tensão;Deformação - Vida em Fadiga - Densidade - Rugosidade - Custo - Dependência à Temperatura - Expanção Térmica - Resitência à Abrasão - Resitência à Corrosão - Condutividade Elétrica - Condutividade Térmica - Isolamento Acústico - Isolamento Térmico DESIGN ESTRUTURAL Airframe Units DESIGN ESTRUTURAL DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM A fuselagem é a estrutura principal ou o corpo da aeronave. Ela provê espaço para a carga, controles, acessórios, passageiros e outros equipamentos. Há dois tipos gerais de construção de fuselagens: (A) Treliça (B) Monocoque: – monocoque – semi-monocoque – revestimento reforçado DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM - TRELIÇA Consiste de uma armação rígida feita de membros como vigas, montantes e barras que resistem à deformação gerada pelas cargas aplicadas. A fuselagem do tipo treliça é geralmente construída de tubos de aço, soldados de tal forma, que todos os membros da treliça possam suportar tanto as cargas de tensão como de compressão. DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM - TRELIÇA DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM - TRELIÇA DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM – TIPO MONOCOQUE Baseia-se largamente na resistência do revestimento para suportar as tensões. Pode ser dividido em três classes: monocoque, semi-mocoque e revestimento reforçado. A verdadeira construção monocoque lança mão de perfis, cavernas e paredes para dar formato à fuselagem, porém é o revestimento que suporta as tensões primárias. O revestimento deve ser forte o bastante para manter a fuselagem rígida, com o desafio de manter o peso dentro de limites aceitáveis. DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM - MONOCOQUE DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM - MONOCOQUE DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM - MONOCOQUE DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM – SEMI - MONOCOQUE Com o objetivo de reduzir o peso da fuselagem, em adição aos perfis, cavernas e paredes, a construção semi-monocoque possui membros longitudinais quer reforçam o revistimento. DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM – PARTES ESTRUTURAIS Construída primariamente de ligas de alumínio e magnésio, apesar de encontrarmos aço e titânio em áreas expostas a altas temperaturas. As cargas primárias de flexão são suportadas pela longarina. As longarinas são suplementadas por outros membros estruturais chamdos de vigas de reforço (mais numerosas e leves que a longarina). DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM – SEMI - MONOCOQUE • Os membros estruturais verticais são chamados de parede, cavernas e falsas nervuras. Os membros estruturais pesados estão localizados a intervalos, para suportar as cargas concentradas, e em pontos onde são usados encaixes para fixar outras unidades, tais como asas, motores e estabilizadores. • As vigas de reforço são menores e mais leves que as longarinas e servem como preenchimentos para dar forma e fixar o revestimento. Evitam que a tensão e a compressão flexionem a fuselagem. São geralmente peças de alumínio fabricadas por fundição, extrusão ou modelagem. • Só os membros estruturais não conseguem dar resistência a uma fuselagem. Eles precisam de serem unidos através de placas de reforço, rebite, porcas e parafusos. DESIGN ESTRUTURAL FUSELAGEM – SEMI - MONOCOQUE DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA Sustentação (Lift) Tração (Thrust) Peso (Weight) Arrasto (Drag) DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA As asas de uma aeronave são superfícies desenhadas para produzir sustentação quando movidas rapidamente no ar. As asas da maioria das aeronaves atuais são do tipo cantilever; ou seja, elas são construídas sem nenhum tipo de escoramento externo (montantes, estais, etc.) para auxílio no suporte das cargas. O revestimento faz parte da estrutura da asa. Tanto as ligas de alumínio como as de magnésio são utilizadas na construção de asas. A estrutura interna consiste de longarinas e vigas de reforço no sentido da envergadura, e nervuras e falsas nervuras no sentido da corda (do bordo de ataque para o bordo de fuga). As longarinas são os membros principais da asa. O revestimento é preso aos membros internos e poderá suportar parte das tensões da asa. DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA Asa Alta Flamingo Paradise DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA Sinus – Século XXI Piper Cub – Década de 30 DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA Asa Média Europa DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA Junior DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA CEA 308 DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA CEA 308 DESIGN ESTRUTURAL CONFIGURAÇÕES DE ASA Asa Baixa Tojo CR 100 DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA Durante o voo, cargas aplicadas, impostas à estrutura primária da asa atuam primeiramente sobre o revestimento. Do revestimento elas são transmitidas para as nervuras, e das nervuras para as longarinas. As longarinas suportam toda a carga distribuída e também os pesos concentrados, tais como a fuselagem, o trem de pouso e as naceles ou “pylons” DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA Geralmente a construção de uma asa baseia-se em um dos 3 tipos fundamentais: (1) Monolongarina – incorpora apenas um membro longitudinal principal em sua construção. As nervuras ou paredes suprem o contorno ou formato necessário ao aerofólio. (2) Multilongarina – incorpora mais de um membro longitudinal principal em sua construção. Para dar contorno à asa, inclui-se geralmente nervuras e paredes. (3) Viga em caixa – utiliza dois membros longitudinais principais com paredes de conexão para dar maior resistência e fazer o contorno da asa. DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA • Nervuras são membros estruturais que compõem a armação da asa. Elas geralmente estemdem-se do bordo de ataque até a longarina traseira ou até o bordo de fuga. São as nervuras que dão à asa sua curvatura e tranmitem os esforços do revestimento e reforçadores para as longarinas. DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASADESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA DESIGN ESTRUTURAL ESTRUTURA DA ASA Wr Wr Wa DESIGN ESTRUTURAL ANÁLISE ESTRUTURAL MATERIAIS COMPOSTOS ±45° Tecido ±45° Tecido 0° PVC (1/4) ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido 0° Unidirecional 0° Unidirecional 0° PVC (1/2) 0° Unidirecional 0° Unidirecional ±45° Tecido ±45° Tecido 0°/90° Tecido 0°/90° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido 0°/90° Tecido 0°/90° Tecido MATERIAIS COMPOSTOS ±45° Tecido 0°/90° Tecido 0° PVC (1/4) 0°/90° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido 0°/90° Tecido 0°/90° Tecido ±45° Tecido 0°/90° Tecido ±45° Tecido 0°/90° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido 0°/90° Tecido 0°/90° Tecido ±45° Tecido ±45° Tecido 0°/90° Tecido 0°/90° Tecido ±45° Tecido SELEÇÃO DE MATERIAIS Madeira Alumínio Aço Titânio Fibra de Vidro / Carbono ASPECTOS CONSTRUTIVOS MADEIRA • Primeiras aeronaves Gliders 14 bis, Demoiselle – bamboo Hughes Hub 4 (técnicas avançadas) • Freijó (nacional); Spruce (América do Norte) • Componentes estruturais Longarinas Fuselagem Hélices Superfícies de Comando Interior Acabamento • Aviação Leve, Geral e Comercial ASPECTOS CONSTRUTIVOS MADEIRA ASPECTOS CONSTRUTIVOS MADEIRA ASPECTOS CONSTRUTIVOS MADEIRA – HUB 4 - Década de 30/40 ASPECTOS CONSTRUTIVOS MADEIRA – Mosquito – Década de 30/40 ASPECTOS CONSTRUTIVOS ALUMÍNIO • Larga utilização à partir da década de 40 • Material mais utilizado na indústria aeronáutica • Métodos conhecidos. Possibilidade de trabalhar em diversas formas (placas, tubos, forjados, extrudados, soldável, etc) • Componentes estruturais Longarinas Fuselagem Hélices Superfícies de Comando Interior Acabamento • Aviação Leve, Geral e Comercial ASPECTOS CONSTRUTIVOS ALUMÍNIO ASPECTOS CONSTRUTIVOS CLASSIFICAÇÃO 1 _ _ _ 99% pureza 2 _ _ _ Alumínio-Cobre 3 _ _ _ Alumínio-Manganês 4 _ _ _ Alumnio-Sílica 5 _ _ _ Alumínio-Magnésio 6 _ _ _ Alumínio-Magnésio-Sílica 7 _ _ _ Alumínio-Zinco-Magnésio 8 _ _ _ Alumínio-Lítio ALUMÍNIO ASPECTOS CONSTRUTIVOS Extrusão Longarina em alumínio, bordo de ataque em composto ALUMÍNIO ASPECTOS CONSTRUTIVOS ALUMÍNIO ASPECTOS CONSTRUTIVOS 2024, 2224, 2324, 2524 7075 Largamente utilizado Bom desempenho à fadiga Boa resitência à corrosão Largamente utilizado Aplicações maior exigência mecânica Baixa resistência à corrosão Ano 1994 - Boeing 777 (80% alumínio) ASPECTOS CONSTRUTIVOS AÇO • Primeiras Aeronaves Estruturas de fuselagem, asa, superfícies • Componentes que suportam alta resistência mecânica e fadiga Pontos de fixação de Trem de pouso Pontos de fixação da asa Berços de motores • Aviação Leve, Geral e Comercial ASPECTOS CONSTRUTIVOS AÇO ASPECTOS CONSTRUTIVOS AÇO ASPECTOS CONSTRUTIVOS AÇO ASPECTOS CONSTRUTIVOS TITÂNIO • Componentes que suportam alta resistência mecânica, fadiga e temperatura • Componentes estruturais Trem de pouso Elementos de fixação • Aviação Geral e Comercial • Densidade 50% dos aços • Módulo de elasticidade 50% dos aços ASPECTOS CONSTRUTIVOS MATERIAIS COMPOSTOS (FIBRA DE VIDRO) • Componentes com grande variação de formato, duplas curvaturas, carregamentos complexos • Componentes estruturais Asa Fuselagem Superfícies Interior e Acabamento Radome • Aviação Leve, Geral e Comercial ASPECTOS CONSTRUTIVOS MATERIAIS COMPOSTOS (FIBRA DE CARBONO) • Componentes com grande variação de formato, duplas curvaturas, carregamentos complexos • Componentes estruturais de alta resistênica mecânica Asa Fuselagem Superfícies • Aviação Leve, Geral e Comercial ASPECTOS CONSTRUTIVOS MATERIAIS COMPOSTOS (FIBRA DE CARBONO) MATERIAIS COMPOSTOS Compostos - Aplicações 1969 – Planador Libelle primeira aeronave com estrutura 100% compósitos Compostos - Aplicações Anos 70/80 - Planadores ASK 25 e Jr – estrutura 100 % compósitos Compostos - Aplicações 1984 – Voyager Primeira aeronave a circunavegar a terra sem escala estrutura 100% compósitos Voyager – Design Burt Rutan Voyager - Mojave Deserrt Compostos - Aplicações 1995 – Cirrus SR2 Primeira aeronave produzida em série com estrutura 100% compósitos Compostos - Aplicações 2003 – White Knight e SpaceShipOne Primeira espaçonave com estrutura 100% compósitos Compostos - Aplicações 2008 – SORA em estrutura 100% compósitos (100% nacional) Compostos - Aplicações Evolução da aplicação de compósitos – Aviação Leve e Geral Compostos - Aplicações Ano 1994 - Boeing 777 (12% compósitos) Compostos - Aplicações Ano 2011 - Boeing 787 – Dreamliner (+ 50% compósitos) Compostos - Aplicações Ano 2014 – Airbus 350 XWB (+ 60% compósitos) Compostos - Aplicações Evolução da aplicação de compósitos – Aviação Comercial Material Composto - Definição NÚCLEO SANDUICHE MATERIAIS COMPOSTOS (FIBRA DE CARBONO) MATERIAIS COMPOSTOS Comparativo de Materiais MATERIAIS PROS CONTRAS FIBRA DE VIDRO Resitência mecânica, Boa resistência à corrosão, Variedade de formas, Baixo custo Mão do obra qualificada, processo complexo FIBRA DE CARBONO Boa resistência à fadiga, Boa resitência mecânica, Boa resistência à corrosão Mão do obra qualificada, processo complexo, Alto custo Mão de obra qualificada, Manutenção, Durabilidade Pouca resistência à fadiga, Corrosão Boa resistência à fadiga, Boa resitência mecânica, Baixo custo Peso TITÂNIO Boa resistência à fadiga, Boa resitência mecânica, Boa resistência à corrosão Alto custo, Métodos complexos de fabricação, Pouca oferta MADEIRA ALUMÍNIO AÇO Baixo custo, Leveza, Boas características mecânicas Custo médio, Leveza, Boas características mecânicas, Metódos conhecidos DESIGN ESTRUTURAL MISCELANEOUS DESIGN ESTRUTURAL MISCELANEOUS DESIGN ESTRUTURAL MISCELANEOUS DESIGN ESTRUTURAL MISCELANEOUS DESIGN ESTRUTURAL MISCELANEOUS DESIGN ESTRUTURAL EMPENAGEM – PARTES ESTRUTURAIS • A empenagem, ou seção de cauda, consiste de um cone de cauda, superfícies fixas e superfícies móveis. DESIGN ESTRUTURAL EMPENAGEM – PARTES ESTRUTURAIS DESIGN ESTRUTURAL EMPENAGEM – PARTES ESTRUTURAIS DESIGN ESTRUTURAL EMPENAGEM – PARTES ESTRUTURAIS DESIGN ESTRUTURAL NACELES • São compartimentos aerodinâmicos usados em aeronaves multimotoras com o fim primário de alojar os motores. • Consiste de revestimentos, carenagens, membros estruturais, uma parede de fogo e os montantes do motor. DESIGN ESTRUTURAL NACELES DESIGN ESTRUTURAL NACELES DESIGN ESTRUTURAL NACELES DESIGN ESTRUTURAL NACELES DESIGN ESTRUTURAL CARENAGENS - FAIRINGS DESIGN ESTRUTURAL CARENAGENS - FAIRINGS DESIGN ESTRUTURAL CARENAGENS - FAIRINGS DESIGN ESTRUTURAL TREM DE POUSO – TIPOSE PARTES ESTRUTURAIS • Operação da aeronave quando no solo. • Taxi, Decolagem e Pouso DESIGN ESTRUTURAL TREM DE POUSO – TIPOS E PARTES ESTRUTURAIS DESIGN ESTRUTURAL TREM DE POUSO – TIPOS E PARTES ESTRUTURAIS DESIGN ESTRUTURAL TREM DE POUSO – TIPOS E PARTES ESTRUTURAIS DESIGN ESTRUTURAL TREM DE POUSO – TIPOS E PARTES ESTRUTURAIS DESIGN ESTRUTURAL REGIÕES DA AERONAVE - DEFINIÇÕES DESIGN ESTRUTURAL REGIÕES DA AERONAVE - DEFINIÇÕES DESIGN ESTRUTURAL DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS Conjunto de normas e conceitos que visam padronizar o projeto, fabricação, análise de qualidade, processo, etc de bens ou serviços. No Brasil os requisitos da aviação geral e comercil se baseiam no RBHA em suas várias categorias. A Agência reguladora é a ANAC. EASA => Europa FAA => EUA (FAR) DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS – DIAGRAMA V-N DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS – CARGAS CRÍTICAS DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS - ESFORÇOS DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS - ERFORÇOS DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS – DIAGRAMA TENSÃO DEFORMAÇÃO DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS – DIAGRAMA TENSÃO DEFORMAÇÃO DESIGN ESTRUTURAL REQUISITOS – ASTM DESIGN ESTRUTURAL EXEMPLO DESIGN ESTRUTURAL FOTOS CONTATO Alexandre Zaramella CEO – ACS-Aviation alexandre.zaramella@acs-solutions.com.br + 55 12 3944 8297 + 55 12 98141 6731 www.acs-solutions.com.br DÚVIDAS… ???
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