Experimental studies of thin-walled aircraft structures

ABSTRACT: Contemporary aircraft structures, and especially their load-bearing structures, are made almost exclusively as thin-walled structures, which perfectly meet the postulate of minimizing the weight of the structure. While local loss of roofing stability is acceptable under operational load conditions, exceeding the critical load limits of structural elements (frames, stringers) is practically tantamount to the destruction of the structure. The effectiveness of these ideas is influenced by the development of science about materials, processing, and machining processes, as well as the continuous improvement of technological processes. These disciplines allow for the construction of complex, geometrically integral structures that create opportunities not only for a more rational use of material characteristics, but also by their appropriate shaping, significantly increasing the mechanical properties of the supporting structure. The most important advantage in favor of the use of integral systems is economic efficiency, gained by eliminating or limiting assembly operations. Densely ribbed roofing elements belong to the category of load-bearing structure elements which, by reducing the weight which they must support, increase the strength parameters of the load-bearing structure. By reducing the thickness of the coating and, at the same time, introducing sufficiently dense stiffening longitudinal elements, it is possible to obtain a structure with significantly higher critical load values, and consequently a more favorable distribution of gradients and stress levels, which translates directly to an increase in fatigue life. The use of new technologies requires research for evidence purposes, showing that structures manufactured in this way are as safe as those manufactured using conventional methods. For this purpose, the authors conducted tests of the selected structure and performed FEM and experimental verification on the test stand. The results of the tests showed positive results, which confirmed that the method of manufacturing integral structures meets even the stringent requirements set by aviation.

KEYWORDS: HSM, HSC, high speed milling, high speed cutting, experimental verification, MES

STRESZCZENIE: Współczesne konstrukcje lotnicze, a zwłaszcza konstrukcje nośne, wykonywane są niemal wyłącznie jako struktury cienkościenne, co doskonale realizuje wymóg minimalizacji masy samolotów. O ile miejscowa utrata stateczności pokrycia jest dopuszczalna w warunkach obciążenia eksploatacyjnego, o tyle przekroczenie granicznych obciążeń krytycznych elementów konstrukcyjnych (wręg, podłużnic) jest praktycznie równoznaczne ze zniszczeniem konstrukcji. Skuteczność rozwiązań konstrukcyjnych jest zapewniana przez rozwój nauki o materiałach i procesach obróbki oraz ciągłe doskonalenie procesów technologicznych. To pozwala na projektowanie złożonych, geometrycznie integralnych konstrukcji, które umożliwiają bardziej racjonalne wykorzystanie właściwości materiałów, a także – dzięki ich odpowiedniemu kształtowaniu – znaczne ulepszenie właściwości mechanicznych konstrukcji nośnych. Najważniejszą zaletą przemawiającą za zastosowaniem systemów integralnych jest efektywność ekonomiczna, uzyskana poprzez wyeliminowanie lub ograniczenie montażu. Gęsto użebrowane komponenty poprzez zmniejszenie ciężaru, jaki muszą przenosić, poprawiają parametry wytrzymałościowe konstrukcji nośnej. Zmniejszając grubość powłoki i jednocześnie wprowadzając odpowiednio gęsto podłużne elementy usztywniające, można uzyskać konstrukcje o znacznie wyższych dopuszczalnych wartościach obciążeń krytycznych, a w konsekwencji korzystniejszym rozkładzie gradientów i poziomów naprężeń. Przekłada się to bezpośrednio na zwiększenie trwałości zmęczeniowej. Zastosowanie nowych technologii wymaga przeprowadzenia badań wykazujących, że konstrukcje wytworzone w ten sposób są równie bezpieczne, jak te wytwarzane metodami konwencjonalnymi. W tym celu autorzy przeprowadzili badania wybranej konstrukcji lotniczej oraz weryfikację numeryczną MES i eksperymentalną na stanowisku badawczym. Wyniki testów potwierdziły, że sposób wytwarzania konstrukcji integralnych spełnia nawet rygorystyczne wymagania stawiane przez branżę lotniczą.

SŁOWA KLUCZOWE: HSM, HSC, frezowanie z dużą prędkością, cięcie z dużą prędkością, weryfikacja eksperymentalna, MES

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

[1] Pilecki S. „Lotnictwo i kosmonautyka”. Warszawa: WKŁ (1978).

[2] Galiński C. „Wybrane zagadnienia konstrukcji samolotów”. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej (2020).

[3] Sibilski K. „Mechanika w lotnictwie”. T. II. Warszawa: PolskieTowarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej (2016).

[4] Jemielniak K., Karolczak P., Subbotko R., Borkowski W., Rusiecki O. „Nowoczesne procesy obróbki skrawaniem”. Warszawa: PWN (2022).

[5] Bijak-Żochowski M. „Mechanika materiałów i konstrukcji”. T. I. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej (2013).

[6] Bijak-Żochowski M. „Mechanika materiałów i konstrukcji”. T. II. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej (2013).

[7] PN-EN 573-3:1998. Aluminium i stopy aluminium – Skład chemicznyi rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie – Skład chemiczny.

[8] Kiełbasa B., Bałon P., Świątoniowski A., Szostak J. „Fatigue fracture analysis of composite plates with an elliptical hole”. Strength of Materials. 49, 4 (July, 2017): https://doi.org/10.1007/s11223-017-9893-1.

[9] Bałon P., Rejman E., Kiełbasa B., Smusz R. “Using HSM technology in machining of thin-walled aircraft structures”. Acta Mechanica et Automatica. 16, 1 (2022): 27–33, https://doi.org/10.2478/ama-2022-0004.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2022.10.16

 

* Artykuł recenzowany