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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AFRONÁUTICA DEPARTAMENTO DE ESTRUTURAS ESTRUTURAS DE AERONAVES - CARGAS NO AVIÃO Professor: WILLIAM A. SANGSTER ITA - 1 955 n.1 PREFÁCIO FINALIDADE DO CURSO O projeto da estrutura de um avião divide-se em três partes: a) b) c) Determinar as condições dearajeto para manobras, rajadas, a terragens, operações no solo, etc, correspondentes ao uso previsto do avião, que resultariam nas tensões máximas na es trutura. Estas tondições de projeto são especificadas para aviões civis nos requisitos das autoridades às quais compete a homologação dos aviões. O engenheiro tem que ser capaz de interpretá-los de uma maneira que satisfaça a Finalidade dos requisitos, isto é, segurança dos passageiros e do público em geral, Determinar as cargas que resultam das condições de projeto críticas e suas distribuições. Determinar nos elementos da estrutura as tensões que resul tam das cargas e as tensões admissíveis nesses elementos, pa ra evitar que a estrutura sofra deformação permanente sob as condições de uso previstas, e para que esta estrutura possua o fator de segurança exigido. Este curso trata da parte a) onde fôr necessário, mas com maiores detalhes da parte b). A parte cv) abrange Análise das Tensões, que é dada nos demais cursos de estruturas, O problema da rigidez ade quad: É concernente a "Fluter', também assunto de outro curso. DEPARTAMENTO DE ESTRUTURAS ESTINTURAS DE ATRONAVES - CARGAS NO AVIÃO CAPITULO - O Professor: WILLIAM A. SANESTER ITA - 1 955 9.6.) 0.6.2 0,7 0.10 0,11 Capítulo - D - INTRODUÇÃO fnDIÇE ITEM OBJETIVOS DO PROJETO DE ESTRUTURAS REGULAMENTOS DA AERONÁUTICA CIVIL DEFINIÇÕES DADOS NECESSÁRIOS PARA A DETERMINAÇÃO DAS CARGAS EIXOS DE REFERÊNCIA PÊSO DE BALANCIAMENTO DO AVIÃO DIAGRAMA DE PÊSO TOTAL VS.POSIÇÃO DO CG DO AVIÃO APLICAÇÃO PRECISÃO NECESSÁRIA NOB CÁLCULOS DAS CARGAS REFERÊNCIAS QLISTIONÁRIO PÁGINA 0.4 0.5 0.6 0.10 0.11 0.15 0,15 0,17 0,21 0.22 6.23 0.5 0,2 = REGULAMENTOS DA AERONÁUTICA CIVIL Nos Estados Unidos a aviação civil & governada segundo 6 inte rêsse do público, por Regulamentos da Aeronáutica Civil(Civil Air Regulations - C.A.R.). Êstes regulamentos são apresenta dos aos fabricantes de aviões, emprêsas de navegação aérea e outras partes interessadas, para que proponham modificações , esclarecimentos de textos, etc., antes que a versão dos regu lamentos seja redigida e emitida pelo “Civil Aeronautics - Board" (C.A.B.). Apesar dos regulamentos civis não serem leis, êles têm o mesmo efeito que elas, porque o C.A.B. esta autori zado pelo Congresso a punir os infratores. O C.A.B. age como o órgão supe>visionador para verificar se os regulamentos são cumpridos, emitir certificados de homologação de novos tipos de aviões e licenças para pilotos, e comunicar as infrações. O C.A.B. no caso de violação dos regulamentos ou de interêsse do público, pode suspender êsses certificados de homologação ou licenças, mas o C.A.A. não pode, Apesar de os Regulamentos da Acronâutica Civil dos Estados Unidos não terem vigência legal no Brasil, as aeronaves podem ser licenciadas quando estão em conformidade com êstes regula mentos semelhantes. Os requisitos estruturais para os aviões estão contidos na parte dos Regulamentos da Aeronáutica Cívil que trata da Aero navegabilidade dos Aviões (Airplane Airworthiness), Êstes re gulamentos são revisados periodicamente e ê sempre convenien te ter em mãos suas Últimas versões. Presentemente estão em vigor os seguintes Regulamentos: “Civil Air Regulations" - Parte 3 Aeronavegabilidade dos Aviões - Categorias: Normal, Ser viços Gerais e Acrobacia (Ref. 02). "Civil Air Regulations" - Parte ta, Acronavegabilidade dos Aviões. "civil Air Regulations'! - Parte 4b (ref. 03). Aeronavegabilidade dos Aviões - Categoria de Transporte ' "Civil Air Regulations" - Parte 8, Categoria para uso Restrito. 0.8 De acôrdo com a Parte 3 dos Regulamentos, um avião pode ser honolo gado para uma das três categorias: Normal de Serviços Gerais e de Acrobacia. De acôrdo com a parte a para as categorias: Normal, Terms porte e Acrobacia. Ha exigências ligeiramente diferentes que se aplicam a cada catego ria e avião, que são determinadas pelo tipo de emprêgo a que se destina o como segue: Categoria NORMAL: aviões para utilização não acrobática e em serviços não regulares de transporte de cargas e passageiros. Categoria de SERVIÇOS GERAIS: aviões destinados a opera ções normais e manobras acrobáticas limitadas. Os a viões desta categoria são inadequados para manobras lms, cas ou vôo de dorso. Categoria ACROBACIA: aviões que não têm restrições quan to aos tipos de manobras permitidas, a menos que a ne cessidade de restrições seja verificada nos ensaios de vôo. Categoria de TRANSPORTE: anteriormente homologados de acôrdo com a Parte 4a, devem agora estar em conformida de com a Parte 4b, nos Estados Unidos, ou com os requi sitos do 1.C.A.)., AIRWORTHINESS OF AIRCRAFT, Anexo 8 , para aviões de transporte de uso internacional (Ref.01) DEFINIÇÕES As definições seguintes são adaptadas dos requisitós do I. C, A.0. Anexo 8 (Ref. 01, pg. 20). Carga Limite : Carga máxima prevista em condições normais de operação do avião, Carga Final; Carga limite multiplicada pelo fator de seguran ça adequada. Fator de Segurança: Fator que ê usado por causa da possibili- dade de ccorrência de cargas maiores do que as cargas Limi tes, e para levar em conta incertezas de projeto. do relativo ao escoamento. O valor dêste fator varia, depen dendo da agência que escreve a especificação do avião. Nos requisitos do CAA e do ICAO, o fator é 1,0 de modo que as cargas limites são iguais às cargas que a estrutura deve re sistir, sem deformação permanente prejudicial. Em outras espe eificações acham-se valôres do fator de segurança exigidos na res do que 1,0,s5endo indicado na Tabela D.2 o valor máximo geralmente encontrado. Deformação permanente prejudicial é considerada aquela que prejudicaria as características do avião, que influiria adver samente na operação de qualquer sistema do avião, ou que se ria perceptível por inspeção visual. Multiplicam-se as cargas limites por outro fator de seguran ça, O fator de segurança final, para se achar as cargas de projeto finais, sendo estas as cargas que a estrutura deve re sistir sem falhar. O valor exigido para este fator nos requi sitos do CAA e do ICAO & 1,5, nas outras especificações pocem exigir maiores valôres, atê os valôres máximos indicados na Tabela 0.1. Como os requisitos do CAA e do ICAO exigem, geralmente, um fa tor de segurança de 1,0 para se determinar as cargas de proje to para escoamento, nestes requisitos não é necessário distin guir extre os dois tipos de fator de segurança, e o sentido da frase “fator de segurança" torna-se aplicável apenas ao fa tor de segurança final. Vê-se, pela definição de "fator de carga", que existe uma re lação entre o fator de carga e a aceleração do avião. Por e " xemplo se o avião estiver em vôo horizontal equilibrado, como mostra a Fig. 01, de maneira que a fórça resultante aerodinã mica seia igual ao pêso «e avião, «a aceleração na direção ver tical serã zero, e o fator de carga n serã a unidade. Assim, L+ Ps Eycnt Por hipótese, a fôrça resultante derodinânica ', é igual ao peso W, e por isso n = 1. Se a fórça F, fôr maior que o pêso do avião, o avião seria acelerado na diveção da fórça resul- tante. Por ekehplo, se F, = 4W d aceleração ê:. FW «XY ny Enquanto a aceleração fôsse 3g, a fôrça de inércia atuande em cada elemento do avião seria 4 vêzes o pêso do avião. O fato de as cargas que resultam serem proporcionais aos fatã res de carga, leva o engenheiro de aeronáutica a trabalhar com os fatôres de carga e pensar em função dos mesmos, prefe rindo-os às acelerações. A relação entre os fatôres de carga e as acclcrações convencionais é mostrada na tabela 0,2. Caso Aceleração Queda livre Vôo nivelado sem aczsrração Caso geral TABELA 0.2 justentação (L,| Fórga de convencional | Peso do avias Wº | num aciona peso à & (o) o) 1 AN Eên-1)g n naWw 0.3.7 » Exemplo Determinar o fator de carga para um avião voando êm um lo horizontal, com ângulo de rolamento de 68609, sem glissada. 0,11 os métodos e normas estabelecidos para preparação das informa ções contidas nos itens a), b) e c) de modo a interpretá-las - corretamente para a análise de cargas e projeto de estruturas. A interpretação e aplicação correta dos requisitos de resistên cia estrutural pelo engenheiro de estruturas E indispensável . É preciso é impedir frisar, no entanto, que a idéia dos regulamentos não o desenvolvimento de projetos mais avançados, e que é permitido afastamento dos regulamentos quando puder ser de monstrado Segurança satisfatoriamente, ao órgão governador, um padrão de equivalente ao exigido nestes regulamentos. 0.5 -EIXOS DE REFERÊNCIA As fórças e momentos que atuam em um avião se referem a um sis tema definido de três eixos perpendiculares entre si, tendo - sentidos convencionados para fôrças e momentos positivos e ne gativos. Os momentos positivos são convencionados como os que atuam no sentido em que tenderão a causar rotação do avião en tre os sentidos positivos dos eixos em ordem alfabética cicli- ca. Assim, para os eixos X, Y, Z, as direções positivas dos mo mentos são: a) b> [0D) Adotam-se aplicação: a) b) Momento em tôrno do eixo X causa rotação de Y para 2 Momento em tôrno do eixo Y causa rotação de Z para X Momento em tôrno do cixo Z causa rotação de X para Y três conjuntos de eixos de referência, dependendo da Eixos do espaço São eixos fixados no espaço, e são utilizados para definir o movimento do centro de gravidade do avião (cG) em certos problemas de performance, como mostra a Fig. 0.2(a). Eixos do vento São eixos usados em câlculos gerais de acrodinâmica em trabalhos de túnel. Supõe-se que o avião se move ao longo do eixo X, de modo que o vento relativo se c) aproxima do avião no sentido negativo jo eixo X. às fôórcas e momentos asrodinâmicos são re.'eridos aos ci xos do vento. A sustentação é perpendicular eo ar rasto paralelo ao eixo X, como mostra a Fig. 0.2(b). O momento em relação ao eixo Y se denomina “momento de arfagem" (pitching moment), em relação ao eixo X, “momento de rolamento” (voling moment), c em rela ção ao eixo Z "momento ds guinada" (yawing moment). Eixos do avião O sistema de eixos usados em anâlise estrutural E su posto fixo em relação ao avião. A origem pode, por conveniência, ser escolhido fora do avião para os célculos de pêso e balanceamento, e determinação do centro de gravidade. Quanto é conhecida a posição do Cc.G. é mais conveniente usá-lo como origem. O senti *. poritivo do eixo X é para traz e pode ser parale lo a qualquer linha de referência conveniente da fu selagem, como a linha do assoalho nos aviõdes-transpm te, ou então a linha de tração. Os sentidos positivos dos eixos Y e X estão indica dcs na Fig. 0.2 (ec). 0.14 DESIGNAÇÕES PAPA FORÇAS, MOMENTOS, ETC. Designação EIXO X EIXO Y | EIXO Z [o ] Usando os eixos do vento (Fig.0.2(b) Lomponentes de fôrgalarrasto, fêrça lat>ral e sustentação) D c L Poeficiente de fôrça Cy Ce cy -— - Usando os eixos do avião (Fig.0.2te) Kompon. ds fórça ao longo dos eixos Fx Fy F, Coeficiente de fôrça Cx Cy C, Compon. de veloc,. ao longo dos eixos u v w Ângulo de rotação em tôrno dos eixos | 4 8 y p-celer angulares em tôrno dos eixos $ 8 4 Velce. angulares em tôrno dos eixos ê 5 5 Mcmen. angulares em tôrno dos eixos Myou M Myou M M, ou M ic, de . tô i C | Coefic. de momen. em tôrno dos eixos GR VC ENA La pu ÇA L L Lo . 0.6 = 0,15 PÊSO E BALANCEAMENTO DO AVIÃO A localização do centro de gravidade de um avião em relação ao centro de pressão das fôrças aerodinâmicas na asa e empena gem é importante por razões aerodinâmicas e estruturais. O n9 vimento do centro de gravidade para frente e para trãz deve ser mantido dentro de certos limites, sendo que o limite dian teiro é determinado geralmente por exigências de contrôle do avião, como por exemplo a necessidade do pilôto ser capaz de baixar a cauda, para a aterragem do avião. O avião tende a ficar mais estável quando o centro de gravida de se movc para a frente em relação ao centro aerodinâmico, e requer deflexões maiores do profundor para uma determinada mu dança na atitude de vôo. Quando o CG do avião € movido para trãz, a sua estabilidade diminue, de modo que existe um limi te posterior para a posição do C6 para haver estabilidade po sitiva. A posição dêstes limites & dada geralmente em têrmos da porcentagem da corda média da asa. As cargas nas diferentes partes do avião cCependem, dentre ou tras cousas, da posição do CG do avião em relação ao centro de pressão das fôrças aerodinâmicas, Os outros fatôres mais importantes que afetam as cargas no evião são: peso total, ve locidade e angulo de ataque ou atitude, que variam quando o pilôto move os contrôles ou devido a rajadas de ar. Diagrama de pêso total vs. posição do CG do avião Como a posição do CG e peso total do avião são interdependen- tes, é conveniente construir um diagrama como o que mostra a Fig. 0.3, denominado Diagrame de pêso total vs. posição do CG. Sômente a variação longitudinal da posição do CG aparece nes te diagrama, porque o movimento vertical do mesmo tem um efei to menos importante nas cargas, e requer consideração menos detalhada. Na Fig, 0.3 as ordenadas correspondem ao pêso do avião e es abcissas representam a posição do CG em duas escalas; a etca la inferior indica a posição em relação a um eixo de referén 0.17 tabilidade ou contrôle, então devem ser impostas restrições na disposição das cargas no avião. Os limites da posição do CG a serem considerados para o projeto estrutural, serão então esta belecidos em correspondência. 9.6.2 - Aplicação A Tabela 0.2 mostra os cálculos feitos para determinar o dia grama ou envoltôria de Pêso vs. Posição do CG de um avião de dois lugares. O pêso minimo de operação & determinado de acôrão com o CAR 03, 75. A Fig. 0.4 indica os centróides dos itens de pêso, e deter mina a ordem na qual Eles devem ser adicionados. O diagrama - que resulta é apresentado na Fig. 0.3. PÉÊSO DO AVIÃO DJ LIBPAS r PIG.0.3 — DISGRAMA DÊSO vs. co — avi Élpinga 16 13 ar 22. 28 228 sa rao, 1100 ! a + + + . 13pg o bruto p1 de projeto: ” 1059 lhs. A Pass, | 1 ' E! leve I pa Ê . o 2900 sag. “pilôto N 1) > > po = 53=="=[==Y[[2——“ 17 (5) Bág. 300 7 0% fssiato [e] 5 s ARE a es « €9 e 7]. 72 33 7 FSPACÃRE DA FUSELACEM — Kg (EM .. * Os númoros corresponcom Aglinhas dm tab,0.2, et'o 
