Load and fatigue analysis of the PIK-20 sailplane

Abstract

Työn tarkoituksena on selvittää PIK-20 purjelentokoneen eri versioiden siipisalon yläpaarteen väsymiskriittisin kohta ja arvioida analyyttisesti sen elinikää. Lisäksi arvioidaan taitolennon vaikutusta elinikään. Selvityksen perusteella voidaan arvioida suunnitellun eliniän ylittävän käytön turvallisuutta. Teoriaosassa tehdään kirjallisuusselvitys lujitemuovien väsymisestä ja vertaileva selvitys purjelentokoneiden elinikätarkasteluissa käytetyistä kuormitusspektreistä.

Väsymiskriittisin kohta selvitetään siivestä tehtävien FE-mallien avulla. Mallinnusta varten selvitetään siiven rakenteen geometria ja materiaalit. Mallin reunaehdot ja siihen vaikuttavat voimat määritetään todenmukaisiksi. Mallin todellista siipeä vastaava käyttäytyminen todennetaan siiven taipuman avulla. FE-mallien ratkaisuna saadaan siipisalon yläpaarteen venymäjakauma. Väsymiskriittisin on kohta, jossa esiintyy suurin venymä.

Eliniän arviointi tehdään väsymiskriittisimmälle kohdalle Palmgren-Minerin kumulatiivisella vaurioteorialla. Laskennan lähtötietoina tarvitaan kriittisen kohdan venymät, paarteen materiaalin väsymiskestävyys ja kuormituksen määrittelevät kuormitusspektrit. Taitolennon vaikutusta elinikään arvioidaan vaihtelemalla taitolennon osuutta kuormitusspektreissä. Eliniän laskennassa pyritään konservatiivisuuteen käyttämällä riittävän suurta hajontakerrointa ja pientä väsymisvaurioon johtavaa vauriosummaa.

PIK-20, PIK-20 B ja PIK-20 D versioilla väsymiskriittisin kohta on FE-analyysin perusteella yläpaarteen tyvessä ja PIK-20 E:llä noin kahden metrin etäisyydellä tyvestä. Tulokset ovat odotusten mukaisia ja vastaavat eri versioiden siiville tehtyjen lujuuskokeiden tuloksia. Selvitys osoittaa, ettei aiemmin tuntemattomia jännityshuippuja esiinny.

Eliniän laskennan konservatiivisuudesta huolimatta saadut eliniät ovat moninkertaisia suunniteltuihin elinikiin verrattuna. Taitolennolla on suuri vaikutus elinikään. Se lyhentää elinikää lähes samassa suhteessa kuin sen osuutta kasvatetaan. Se ei kuitenkaan muodostu rajoittavaksi tekijäksi. Tulosten perusteella voidaan todeta, ettei paarteen väsyminen rajoita koneiden käyttöiän jatkamista.