Cálculo de aviones - Arquitectura de avion

4.1  Introducción

4.1.1  Evolución histórica de la estructura de aviones

• Comienzos de la aviación: El objetivo del diseñador era soportar las cargas estructurales y aerodinámicas. no había tecnología para obordar un avión monoala. los perfiles eran de sección delgada.
• Las estructuras exteriores inicialmente sólo servían de revestimiento procurando disminuir la resistencia aerodinámica.
• Intentos fallidos de estructuras monocasco por el no control del pandeo
• Tercera fase: se incorporan los fuselados a la estructura. se opta por las estructuras semimonocasco como solución.

4.2  Arquitectura del fuselaje

4.2.1  Cargas sobre el fuselaje

• Aerodinámicas: de pequaño valor comparadas con el ala
• Concentradas: reaciones del ala, tren, cola...
• Inerciales: en el interior se alojan elementos de tamaños y pesos diversos
• Presurización: soluciones más eficientes -> circulares

4.3  Arquitectura del Ala

• Elemento estructural primoridal del ala: Larguero. Con onjetivo de soportar el estado principal de cargas que es el momento flector de la sustentación. El momento máximo se produce en el encastre del fuselaje
• Diferentes tipos de estructura del ala según las actuaciones del avión: cajón de torsión de 2 o 3 largueros para alas con poca flecha. para alas con baja flecha o delta cajón multilarguero.
• Estados principales de carga del ala:
  • sustencación
  • presión interna del combustile
  • cargas de fijación del tren
  • cargas en los bordes de ataque y borde de salida.
• El cajón de torsión es un ente único que va de punta a punta de ala delimitado por un larguero anterior, un larguero posterior y el revestimiento entre los dos. Elementos estructurales del ala: Longitudinalmente : Largueros y larguerillos (estabilidad) Transversalmente: revestimiento que crea el cajón de torsión
• revestimiento
  • recibe cargas aerodinámicas y las transmite a las costillas supone el 50%-70% del peso del ala.
  • Intradós: se diseña a tracción -> importante el material en cuanto a esfuerzos máximos de tracción, tenacidad a fractura y fativa.
  • Extradós: se diseña a compresión.
  • Problemas para prevenir el pandeo dostado de larguerillos para prevenir la inestablilida local.
• laragueros
  • habitualmente son rectos a 10 y a 60 % de la cuerda.
  • La carga principal que soportan es la flexión
• Costillas
  • Dan forma al perfil del ala
  • Limitan la longitud de los larguerillos por su inestabilidad
  • Limitan el tamaño de los paneles de revestimiento por su intestabilidad local
  • Transfieren y distribuyen las cargas de cortadura entre los largueros
  • Reciben cargas inerciales
  • Compresión en su propio plano
  • Cargas de tensión diagonal en el revestimiento
  • Colocación en alas en flecha: paralelas al plano de simetría del avión, cerca el encastre y perpendiculares a la línea de torsión del ala cerca de la punta
• Tanques de combustible
  • El interior del cajón de torsión es un tabque integra lde combustible. La disposición de los diferentes tanques a lo largo de la envergadura y su número no depende de la estructura sino del problema de centrado del avión
  • El combustible alivia el momento flector de la sustentación por lo que siempre se gasta el combustible de la raíz a la punta del ala siendo los de la punta los de reserva.
  • Se pueden utilizar los estabilizadores horizontales y el encastre para situar más depositos de combustible.

4.4  Arquitectura de la cola

• La estructura de las superficies de cola es similar a la de la ala
• No hay necesidad de dispositivos hipersustentadores con lo cual el cajón de torsión se acerca mucho al borde de ataque.
• Las cargas concentradas principales las recibe por las articulaciones de las superficies móviles (momento de charnela)
• Las superficies de control no se diseñan sólo en base a su resistencia sino que también hay que dotarlas de la rigidez suficiente como para prevenir el flameo.
• Cola convencional
  • 2 secciones unidas por dentro de la parte posterior del fuselaje.
  • En aviones grandes el estabilizador puede pivotar alrededor de 2 puntos unidos a una cuaderna del fuselaje. El ángulo de incidencia se regula en un punto de la zona delantera de la sección de control.
  • Borde de ataque con dispositivo anti-hielo
• Cola en T
  • A carga estática, el diseño es igual al caso anterior
  • Debido a problemas de flameo el estabilizador vertical y el amarre horizontal deben diseñarse con gran rigidez
  • Esta rigidez a torsión del est. vart. depende mucho de la masa del est. horiz., la cual debe reducirse.
  • En general se necsita 1.5 veces mayor rigidez en el encastre y 40 veces en la punta, lo que significa más peso estructural para el avión.
  • El diedro negativo tiene un efecto beneficioso sobre la velocidad de flameo del estabilizador vertical. Debemos hacer un est. horizontal lo más pequeño posible.