ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διπλωματική Εργασία Μελέτη και ανάλυση της μηχανικής συμπεριφοράς του υβριδικού σύνθετου υλικού ενισχυμένο με ίνες υάλου (GLARE) με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων Συγγραφή Εργασίας: Δέσποινα Ευαγγελία Λοΐζου Τριμελής Επιτροπή: Επιβλέπων 1ο Μέλος 2ο Μέλος Παρασκευάς Παπανίκος Νικόλαος Ζαχαρόπουλος Βασίλειος Μουλιανίτης Σύρος, Οκτώβριος 2015

2 Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Παπανίκο Παρασκευά, για τη βοήθεια, την καθοδήγηση, την ενθάρρυνση και τις πολύτιμες συμβουλές και γνώσεις που μου παρείχε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής, καθώς και για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα. Επίσης ευχαριστώ θερμά τους καθηγητές του τμήματός μου, που με τις γνώσεις και τη διάθεσή τους, με έκαναν να αγαπήσω την επιστήμη του Design. Τα χρόνια στην όμορφη Σύρο δεν θα ήταν τόσο γλυκά αν δεν είχα και την κατάλληλη παρέα, γι'αυτό ευχαριστώ τους φίλους μου που μαζί μοιραστήκαμε τα αξέχαστα 5 αυτά χρόνια στο νησί μας και την ποδηλατική ομάδα του τμήματος που μαζί τους πέρασα τα καλύτερα Σαββατιάτικα πρωινά. Τέλος, θα ήθελα να απευθύνω τις πιο θερμές ευχαριστίες στην οικογένειά μου, ιδιαιτέρως στην Γιαγιά μου, για την αμέριστη εμπιστοσύνη, στήριξη, αγάπη και δύναμη που μου έδωσαν όλα τα χρόνια των σπουδών μου αλλά και της ζωής μου. 2

3 Εισαγωγή Η αύξηση της ζήτησης για υψηλή απόδοση και για ελαφρύτερες δομές στον τομέα της αεροναυπηγικής, έδωσαν το έναυσμα να στραφεί η βιομηχανία προς την ανάπτυξη πιο εκλεπτυσμένων έξυπνων υλικών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα υβριδικά σύνθετα όπου μεταλλικά ελάσματα κολλιούνται με ινοπλισμένα σύνθετα για να παράγουν ένα υλικό που έχει τα πλεονεκτήματα και του μετάλλου και του σύνθετου. Τα περισσότερα εμπορικά διαθέσιμα υβριδικά υλικά ενισχυμένα με ίνες είναι το ARALL (Aramid Reinforced Aluminum Laminate), με βάση τις ίνες αραμιδίου, το GLARE (Glass Reinforced Aluminum Laminate) με βάση τις ίνες γυαλιού υψηλής αντοχής και το CARALL (Carbon Reinforced Aluminum Laminate) με βάση τα ανθρακονήματα. Ιδιαίτερα το υλικό GLARE έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στα μοντέρνα αεροσκάφη και παρουσιάζει συμπεριφορά πολύ ανώτερη του αλουμινίου κυρίως ως προς την αντοχή σε κόπωση. Συγχρόνως, επειδή η εξωτερικές στρώσεις του είναι από αλουμίνιο μπορεί να υποστεί κατεργασίες, όπως τη συγκόλληση, που ήταν ένα από τα μειονεκτήματα χρήσης των κλασικών σύνθετων υλικών. Η ανάπτυξη και η χρήση ενός νέου υλικού στην αεροπορική βιομηχανία απαιτεί και την ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης της μηχανικής του συμπεριφοράς, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επιτυχή εφαρμογή των μεθόδων σχεδιασμού, επιθεώρησης και συντήρησης των μοντέρνων αεροσκαφών. Στόχος της διπλωματικής είναι να διερευνήσει τις ιδιότητες του υλικού GLARE και να αναπτύξει ένα αρχικό υπολογιστικό εργαλείο για τη μελέτη της διάδοσης ρωγμών κόπωσης. Η διπλωματική αποτελείται από 5 κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο είναι εισαγωγικό και αναφέρεται σε γενικά χαρακτηριστικά του σχεδιασμού αεροσκαφών ως προς την αντοχή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερέστερη μελέτη της φιλοσοφίας σχεδιασμού των μοντέρνων αεροσκαφών, που αναφέρεται ως "ανοχή σε βλάβη". Στο τρίτο κεφάλαιο μελετώνται τα βασικά χαρακτηριστικά των σύνθετων υλικών, ενώ στο επόμενο κεφάλαιο των υβριδικών σύνθετων και του GLARE. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο αναπτύσσεται ένα τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για την πρόβλεψη της διάδοσης ρωγμών κόπωσης στο GLARE και γίνεται μια παραμετρική μελέτη της επίδρασης του ποσοστού του αλουμινίου. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Αεροσκάφος και σχεδιασμός... 6 Κόπωση δομικών στοιχείων αεροσκαφών... 6 Σχεδιασμός αεροπορικών κατασκευών... 7 Προβλήματα με γηρασμένα δομικά στοιχεία... 8 Απαιτήσεις για την επισκευή Φιλοσοφίες σχεδιασμού αεροσκαφών Φιλοσοφία σχεδιασμού "ανοχή σε βλάβη" Παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας Ιστορικό προγραμμάτων δομικής ακεραιότητας στην αεροπορία Παράγοντες σχεδίασης Επιφανειακές κατεργασίες Περιβαλλοντικές επιδράσεις Κόπωση Υλικού Παράγοντες που επηρεάζουν την διάρκεια ζωής σε κόπωση Η καμπύλη S N Αστοχία αεροπορικών δομών Έναρξη και διάδοση ρωγμών Σύνθετα υλικά Δομικά σύνθετα υλικά Μήτρες...24 Διεπιφάνεια Ίνας Μήτρας Υλικά τύπου σάντουιτς FMLs : Fiber Metal Laminates Υβριδικά σύνθετα υλικά GLARE Παραγωγή των υβριδικών σύνθετων υλικών Ίνες Πλεονεκτήματα των υβριδικών ενισχυμένων με ίνες Συμπεριφορά Υλικού Ανθεκτικότητα Ασφάλεια Μηχανικές ιδιότητες

5 Μηχανική κατεργασία Χημική επεξεργασία Ηλεκτροχημική επεξεργασία Το υλικό GLARE: GLASS LAMINATE ALUMINIUM REINFORCED EPOXY Η ανάπτυξη του GLARE Η διαστρωμάτωση στο GLARE Η παραγωγή του GLARE Η εφαρμογή του GLARE Glare Σχεδιασμός Ηλωτοί σύνδεσμοι Χαρακτηριστικά του Glare Το μέλλον των ατράκτων Περιορισμοί Υπολογισμός της διάρκειας ζωής Μοντελοποίηση στο ΑNSYS Παραμετρική μελέτη Επίλογος Συμπεράσματα Αναφορές

6 1. Αεροσκάφος και σχεδιασμός Το αεροσκάφος είναι μια πολύπλοκη κατασκευή που αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό δομικών στοιχείων. Για τον σχεδιασμό, συντήρηση και επισκευή αυτών των δομικών στοιχείων είναι αρχικά αναγκαία η ταξινόμησή τους βάσει της σπουδαιότητάς τους για την ασφάλεια του αεροσκάφους. Τα δομικά στοιχεία του αεροσκάφους ταξινομούνται ως εξής: Πρωτεύοντα δομικά στοιχεία (primary structure): τα δομικά στοιχεία που είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια του αεροσκάφους. Δευτερεύοντα δομικά στοιχεία (secondary structure): τα δομικά στοιχεία, τα οποία αν αστοχούσαν θα επηρέαζαν τη λειτουργία του αεροσκάφους αλλά δεν θα οδηγούσαν στην απώλειά του. Τριτεύοντα δομικά στοιχεία (tertiary structure): τα δομικά στοιχεία, τα οποία αν αστοχούσαν δεν θα επηρέαζαν σημαντικά τη λειτουργία του αεροσκάφους. Η επιθεώρηση, η αποτίμηση των βλαβών και οι απαιτήσεις για επισκευή διαφέρουν αρκετά ανάμεσα σε αυτά τα δομικά στοιχεία. Ακόμα και σε ένα δομικό στοιχείο, ο τύπος και το μέγεθος της επιτρεπτής βλάβης (και συνεπώς οι αποδεκτές ενέργειες για την επισκευή) μπορούν να ποικίλουν ανάλογα με την επικινδυνότητα της περιοχής που υπέστη βλάβη [3]. Κόπωση δομικών στοιχείων αεροσκαφών Η κόπωση των αεροσκαφών έχει γίνει θέμα από τις αρχές του 20ου αιώνα. Τα αεροσκάφη σχεδιάζονταν ειδικά με τέτοιο τρόπο ώστε να αντέχουν τα φορτία για μια περιορισμένη διάρκεια ζωής χωρίς ορατές ρωγμές. Η πρόοδος που επετεύχθη στη Θραυστομηχανική από τότε, έχει ωφελήσει με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί αυτή η βλάβη να είναι παρούσα στην δομή, υπό τον όρο ότι η διάδοσή της θα μπορεί να ελεγχθεί. Αυτό έχει οδηγήσει στην βασική αρχή σχεδιασμού για αεροσκάφη που δεν είναι άλλη από την σχεδίαση με το ελάχιστο δυνατό βάρος εξαρτημάτων, αλλά απαιτεί συχνότερες και περισσότερες προγραμματισμένες επιθεωρήσεις κατά τη διάρκεια της λειτουργικής ζωής του αεροσκάφους. Το ισοζύγιο μεταξύ του κέρδους που προέρχεται από το μικρότερο βάρος σε αντίθεση με τη σπατάλη που προκύπτει από την αυξημένη ανάγκη για επιθεώρηση έχει γίνει θετικό σε σχέση με το άμεσο λειτουργικό κόστος. Έχει ήδη εδραιωθεί μία αποτελεσματική διαδικασία σχεδιασμού και συντήρησης που έχει παράγει κανόνες πρακτικής, σύνολα οδηγιών και εγχειρίδια τα οποία βελτιώνονται συνεχώς. Οι σχεδιαστές έχουν διδαχθεί πολλά από διάφορα αεροπορικά ατυχήματα που έχουν συμβεί στο παρελθόν, παρόλα αυτά, κύριο μέλημα των μηχανικών παραμένει η μείωση του λειτουργικού κόστους ενός αεροσκάφους χωρίς συμβιβασμούς στην ασφάλεια και την αξιοπιστία του. Οι επιλογές που υπάρχουν όσον αφορά το ισοζύγιο που αναφέρθηκε πιο πάνω είναι δύο: Να επιτραπεί περισσότερη ελεγχόμενη ανοχή στη βλάβη στην αεροδομή ελπίζοντας να επιτευχθούν παραπέρα μειώσεις του βάρους. 6

7 Να βελτιωθεί και να αυτοματοποιηθεί η επιθεώρηση με σκοπό να μειωθεί το κόστος της, ή και τα δύο. Η κόπωση και η ανοχή στη βλάβη, είναι οι κυρίαρχοι παράγοντες που δεσπόζουν σε όλη τη διαδικασία του σχεδιασμού της δομής του αεροσκάφους και της επακόλουθης ζωής του σε συντήρηση. Αυτοί οι παράγοντες μπορούν να ικανοποιηθούν πλήρως όταν είναι γνωστά τα εξής: οι συνθήκες φόρτισης που υφίσταται το αεροσκάφος κατά τη διάρκεια μίας πτήσης, η κατανομή των τάσεων που προκύπτουν και οι ιδιότητες των υλικών. Η σχεδιαστική φιλοσοφία είναι συνδεδεμένη με αυτό, το οποίο εξαρτάται κυρίως από τη δυνατότητα και την ικανότητα επιθεώρησης των δομικών στοιχείων κατά τη διάρκεια συντήρησης και από τη δυνατότητα επιδιόρθωσης ή αλλαγής τους σε περίπτωση βλάβης ή τελικής αστοχίας. Σχεδιασμός αεροπορικών κατασκευών Η πιστοποίηση μιας αεροπορικής δομής απαιτεί από την κατασκευή να επιδεικνύει (μέσω πειραμάτων ή/και ανάλυσης) τις παρακάτω δυνατότητες [1]: Στατική αντοχή: Στο οριακό φορτίο σχεδιασμού (Design Limit Load DLL) δεν παρουσιάζει αστοχία ή μη αποδεκτές παραμορφώσεις. Στο μέγιστο φορτίο σχεδιασμού (Design Ultimate Load DUL) δεν παρουσιάζει αστοχία αλλά είναι αποδεκτές οι μόνιμες παραμορφώσεις (DUL=DLL X 1.5). Αντοχή σε κόπωση: Προσέγγιση ασφαλούς διάρκειας ζωής (Safe life approach): Καμία ρωγμή που θα μπορούσε να οδηγήσει σε αστοχία δεν θα πρέπει να εμφανιστεί στο αεροσκάφος κατά τη διάρκεια χρήσης του. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό των περισσότερων από τα παλιά μαχητικά αεροσκάφη και χρησιμοποιείται ακόμα για τα μαχητικά αεροσκάφη του πολεμικού ναυτικού των ΗΠΑ, όπως είναι τα F 18 και τα ελικόπτερα. Προσέγγιση ασφαλούς αστοχίας (Fail safe approach): η κατασκευή έχει ανοχή στη βλάβη από τις ρωγμές που μπορεί να εμφανιστούν, αλλά δεν θα μειωθεί η αντοχή κάτω από το αποδεκτό επίπεδο πριν ανιχνευθούν. Αυτή η απαίτηση συναντάται στον σχεδιασμό με πολλαπλές διαδρομές φορτίου (multi load path) όπου αν μία διαδρομή φορτίου αστοχήσει, οι υπόλοιπες μπορούν να εξασφαλίσουν την αναγκαία εναπομένουσα αντοχή μέχρι να γίνει αντιληπτή η βλάβη. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται συνήθως για κατασκευές μεγάλων πολιτικών αεροσκαφών. Προσέγγιση αργής διάδοσης ρωγμών (Slow crack growth approach): η κατασκευή έχει ανοχή στη βλάβη αφού οι ρωγμές που μπορεί να εμφανιστούν μεγαλώνουν αργά και δεν προκαλούν αστοχία κατά τη διάρκεια ζωής της κατασκευής ή πριν την ανίχνευση από προγραμματισμένη επιθεώρηση (ασφάλεια μέσω επιθεώρησης). Αυτή η προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί σε κατασκευές με μονή διαδρομή φορτίου, όπου η αστοχία θα ήταν καταστροφική. Ο σχεδιασμός με ανοχή στη βλάβη για κατασκευές με μονή διαδρομή φορτίου είναι βασισμένος στην υποτιθέμενη παρουσία ατελειών σε κρίσιμα σημεία. 7

8 Γενικές απαιτήσεις για τον σχεδιασμό με ανοχή στη βλάβη: Η αντοχή δεν θα πέσει κάτω από τα αποδεκτά επίπεδα (τυπικά 1,2ΧDLL) λόγω μιας αντιπροσωπευτικής βλάβης στην κατασκευή, π.χ. προκαλούμενη από ρωγμές λόγω κόπωσης, ή διάβρωσης ή απροσδόκητης μηχανικής επαφής, πριν αυτή ανιχνευθεί. Η κρίσιμη βλάβη θα πρέπει να είναι τέτοιου μεγέθους που να μπορεί να ανιχνευθεί με έναν υψηλό βαθμό πιθανότητας. Οικονομικές απαιτήσεις: Για τη διάρκεια ζωής του αεροσκάφους, δεν θα εμφανιστούν βλάβες που απαιτούν δαπανηρές επισκευές (π.χ. λόγω διάβρωσης ή κόπωσης). Ουσιωδώς, η πιστοποίηση μιας επισκευής απαιτεί απόδειξη πως η επισκευασμένη κατασκευή είναι εξίσου ικανή να πετάξει όπως η αρχική κατασκευή, πιθανώς καλύπτοντας και το χρόνο που ήδη έχει πετάξει η αρχική κατασκευή. Σύμφωνα με τους τελευταίους πολιτικούς κανονισμούς, FAR , αυτή η απόδειξη θα πρέπει να περιλαμβάνει την ανοχή στη βλάβη της επισκευασμένης κατασκευής, ακόμα και αν η αρχική κατασκευή είχε σχεδιαστεί με την προσέγγιση της ασφαλούς διάρκειας ζωής [3]. Προβλήματα με γηρασμένα δομικά στοιχεία Για να ελαχιστοποιηθεί το βάρος, τα μεταλλικά αεροσκάφη στο μεγαλύτερο τους μέρος κατασκευάζονται από κράματα αλουμινίου υψηλής αντοχής. Χρησιμοποιούνται επίσης κράματα από ατσάλι και τιτάνιο αλλά μόνο όπου απαιτείται υψηλότερη μηχανική αντοχή ή υπάρχουν μεγάλες θερμοκρασίες και όταν το μειονέκτημα της αύξησης του βάρους μπορεί να είναι αποδεκτό. Όλες οι μεταλλικές κατασκευές έχουν την προδιάθεση να υποβαθμίζονται από τις ρωγμές και τη διάβρωση κατά τη λειτουργία τους, ιδιαιτέρως όταν η σχεδιαστική, κατασκευαστική ή περιβαλλοντική προστασία είναι ανεπαρκής. Στα αεροσκάφη, οι ρωγμές λόγω κόπωσης μπορεί να είναι μεγαλύτερο πρόβλημα απ ότι είχε αρχικά προβλεφτεί λόγω της έκθεσης σε πιο σκληρή χρήση (μεγαλύτερο φορτίο) από αυτό που αρχικά ήταν αναμενόμενο. Η διάβρωση είναι πρόβλημα σε παλαιοτέρα αεροσκάφη λόγω της χρήσης ευπαθών κραμάτων και μη επαρκών διαδικασιών για την προστασία από τη διάβρωση. Εξαιτίας του περιορισμένου προϋπολογισμού και του κλιμακούμενου κόστους αντικατάστασης, πολλά αεροσκάφη παραμένουν σε λειτουργία έχοντας ξεπεράσει την προγραμματισμένη διάρκεια ζωής τους. Συνεπώς η υποβάθμιση των δομών αποτελεί μεγάλο λειτουργικό και οικονομικό πρόβλημα. Η διάβρωση επιβάλλει πολύ μεγάλο κόστος συντήρησης που επιβαρύνει τα γηρασμένα αεροσκάφη μιας και χρειάζονται πολλές εργατο ώρες για την ανίχνευση, αντιμετώπιση και απομάκρυνσή της. Συνεπώς η διάβρωση, παρόλο που δεν είναι τόσο επικίνδυνη στην κατασκευή όσο είναι οι ρωγμές λόγω κόπωσης, μπορεί να καθορίσει την «οικονομική» διάρκεια ζωής του αεροσκάφους. Δυστυχώς, η διαχείριση της διάβρωσης θέτοντας διαστήματα επιθεώρησης δεν είναι πάντα αποτελεσματική εφόσον η τοποθεσία της διάβρωσης και ο ρυθμός ανάπτυξής της είναι δύσκολο να προβλεφθούν. Τα προβλήματα διαχείρισης μπορεί να μειωθούν όταν καταγράφεται ένα ιστορικό εμφάνισης της διάβρωσης για το συγκεκριμένο αεροσκάφος. Η κρυμμένη διάβρωση στις συνδέσεις είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθεί και πολύ 8

9 δαπανηρό να αντιμετωπιστεί. Οι ρωγμές μπορεί να δημιουργηθούν από επαναλαμβανόμενα φορτία ή από διάβρωση υπό φορτίο. Οι ρωγμές που οφείλονται στη διάβρωση υπό φορτίο δημιουργούνται σε ευπαθή κράματα (όπως τα κράματα αλουμινίου της σειράς 7000). Οι ρωγμές λόγω κόπωσης δημιουργούνται τοπικά λόγω επαναλαμβανόμενης πλαστικής παραμόρφωσης που προκαλείται από τη διακύμανση του φορτίου. Αυτές οι ρωγμές είναι η μεγαλύτερη απειλή για την ακεραιότητα της κατασκευής μιας και αναπτύσσονται κάθετα στη διεύθυνση του εφαρμοζόμενου φορτίου. Οι ρωγμές λόγω ολιγοκυκλικής κόπωσης, που οφείλονται σε μανούβρες και απότομες αλλαγές φορτίου, ξεκινάνε από περιοχές με αυξημένες τάσεις στην επιφάνεια. Αυτές οι υψηλές τάσεις εμφανίζονται εξαιτίας του λανθασμένου σχεδιασμού, ατέλειες του υλικού ή ανεπαρκών διαδικασιών κατασκευής, συμπεριλαμβανομένων εγκοπών και γδαρσιμάτων. Οι ρωγμές αυτές εμφανίζονται κυρίως σε κρίσιμα σημεία της κατασκευής όπως οι οπές μηχανικών συνδέσεων. Η διάδοση αυτών των ρωγμών μπορεί να ελεγχθεί θέτοντας κατάλληλα διαστήματα επιθεώρησης. Η προσέγγιση της ανοχής στη βλάβη, η οποία βασίζεται στην αργή ανάπτυξη της ρωγμής, θεωρεί ότι προϋπάρχουν ρωγμές σε όλες τις κρίσιμες περιοχές του αεροσκάφους και το μέγεθος τους είναι ίσο με το ανιχνεύσιμο μέγεθος με τις διαθέσιμες τεχνικές επιθεώρησης (π.χ. υπέρηχοι). Η προσέγγιση των επιθεωρήσεων μπορεί να μην είναι εφικτή σε ορισμένα παλαιότερα αεροσκάφη. Σε αυτά τα αεροσκάφη υπήρχε η τάση να επιλέγονται κράματα υψηλής αντοχής που μεγιστοποιούσαν την ασφαλή διάρκεια ζωής. Αυτό σημαίνει ότι οι ρωγμές εμφανίζονται αργότερα αλλά διαδίδονται πολύ γρήγορα. Η εκτεταμένη βλάβη, δηλαδή η εμφάνιση πολλών μικρορωγμών σε κατασκευές με πολλαπλές διαδρομές φορτίου, είναι αυτό που απασχολεί ιδιαίτερα για τα γηρασμένα αεροσκάφη. Αυτό οφείλεται στην απώλεια της ικανότητας της κατασκευής να διατηρήσει το απαιτούμενο επίπεδο της εναπομένουσας αντοχής σε περίπτωση αστοχίας μιας από τις διαδρομές φορτίου. Η πολλαπλή βλάβη, δηλαδή εκτεταμένες μικρορωγμές τοπικά σε μια κατασκευή με μονή διαδρομή φορτίου (ή σε ένα από τα στοιχεία μιας κατασκευής με πολλαπλές διαδρομές φορτίου), μπορεί να οδηγήσει σε αφύσικα γρήγορη ανάπτυξη μιας ρωγμής, καθώς οι ρωγμές ενώνονται για να σχηματίσουν μια μεγάλη ρωγμή με αποτέλεσμα την γρήγορη υποβάθμιση της αντοχής. Οι ρωγμές πολυκυκλικής κόπωσης οφείλονται σε υψηλής συχνότητας αεροδυναμικές ή ηχητικές διεγέρσεις της κατασκευής. Διαφέρουν από τις ρωγμές της ολιγοκυκλικής κόπωσης στο γεγονός ότι ο μεγάλος αριθμός κύκλων φόρτισης από τον οποίο καταπονείται η κατασκευή μπορεί να προκαλέσει έναρξη και διάδοση ρωγμής, ακόμα και σε μια περιοχή χωρίς ατέλειες [3]. Απαιτήσεις για την επισκευή Όταν ανιχνεύονται σημαντικές υποβαθμίσεις στην κατασκευή, πρέπει να παρθεί μια απόφαση για την πιθανή επισκευή. Ουσιωδώς, μπορεί να παρθεί μια από τις παρακάτω αποφάσεις: 1. Δεν απαιτείται καμία ενέργεια επισκευής. 2. Απαιτείται αισθητική επισκευή ή επισκευή στεγανοποίησης για τη διόρθωση μικροβλαβών. 9

10 3. Απαιτείται επισκευή στην κατασκευή (αν είναι δυνατή), διότι η αντοχή έχει μειωθεί κάτω από τα όρια σχεδιασμού ή υπάρχει η πιθανότητα να μειωθεί μετά από συνεχιζόμενη λειτουργία. 4. Η επισκευή δεν συμφέρει οικονομικά και το δομικό στοιχείο πρέπει να αντικατασταθεί. Γενικά, το σχέδιο που ακολουθείται για την αποκατάσταση της κατασκευής θα πρέπει να είναι το πιο απλό και το λιγότερο παρεμβατικό για την κατασκευή και αυτό που θα μπορέσει να επαναφέρει τη δομική ακεραιότητά της στα απαιτούμενα επίπεδα. Η επισκευή θα πρέπει να επηρεάζει μόνο την περιοχή της βλάβης, χωρίς να δεσμεύει άλλες λειτουργίες του στοιχείου ή της κατασκευής, όπως τις ανοχές στα κινούμενα μέρη, την αεροδυναμική και την ισορροπία. Επιπλέον σημαντικές απαιτήσεις για την υλοποίηση της επισκευής είναι: Απαιτεί τον ελάχιστο χρόνο καθόδου του αεροσκάφους Χρήση εύχρηστων και εύκολα στην αποθήκευση υλικών Αφαίρεση όσο το δυνατόν λιγότερου υγιούς υλικού Ελαχιστοποίηση της υποβάθμισης στη γύρω περιοχή Απαιτούνται μόνο απλές διαδικασίες και εξοπλισμός Οι επισκευές μπορούν να χωριστούν σε μη επιθεματικές (για μικροβλάβες) και σε επιθεματικές (ή ενισχυτικές) για την αποκατάσταση των δομικών δυνατοτήτων του αεροσκάφους. Οι επισκευές με επιθέματα αποκαθιστούν τις διαδρομές φορτίου που αποδυναμώθηκαν ή αφαιρέθηκαν από βλάβη ή ρωγμή, ιδανικά χωρίς να αλλάζει η αρχική κατανομή φορτίου. Οι ενισχύσεις χρησιμοποιούνται για να αντικαταστήσουν την χαμένη αντοχή ή δυσκαμψία (για παράδειγμα μετά από αφαίρεση υλικού λόγω διάβρωσης), για τη διόρθωση σχεδιαστικών λαθών ή για τη βελτίωση της απόδοσης. Η προσέγγιση της επισκευής με επιθέματα που συνιστάται βασίζεται στη χρήση μεταλλικών πλακών, συνήθως του ίδιου κράματος με το αρχικό υλικό. Οι επισκευές χωρίς επιθέματα για περιπτώσεις διάβρωσης περιλαμβάνει την αφαίρεση της ορατής βλάβης με τρίψιμο. Οι απλές επισκευές ρωγμών χωρίς επιθέματα περιλαμβάνουν την δημιουργία μια μικρής οπής στην κορυφή της ρωγμής (stop drilling). Αυτό είναι μόνο προσωρινό και σχετικά αναποτελεσματικό μέτρο, εφόσον είναι δύσκολο να βρεθεί η κορυφή της ρωγμής. Ακόμα κι αν βρεθεί, όμως, συνήθως η ρωγμή συνεχίζει να διαδίδεται λόγω της υψηλής συγκέντρωσης τάσεων [3]. 10

11 2. Φιλοσοφίες σχεδιασμού αεροσκαφών Τις τελευταίες δεκαετίες, ο σχεδιασμός των βασικών δομικών στοιχείων των αεροσκαφών πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τη νέα φιλοσοφία σχεδιασμού με "ανοχή σε βλάβη" (Damage Tolerance). Ο σχεδιασμός αυτός στηρίζεται στην απαίτηση τα εξαρτήματα να σχεδιάζονται κατά τρόπο ώστε αν παρουσιαστεί κάποια βλάβη να υπάρχουν αρκετά χρονικά περιθώρια για να εντοπιστεί και να επιδιορθωθεί πριν φτάσει στην αστοχία. Στη νέα σχεδιαστική προσέγγιση λαμβάνονται υπόψη και μελετούνται οι ατέλειες που υπάρχουν στη μάζα του υλικού, επιτρέπονται να υπάρχουν μέχρι ένα βαθμό, και γίνεται μέσω της προγραμματισμένης συντήρησης της κατασκευής, συνεχής παρακολούθηση της εξέλιξής της. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα αυτής της μεθοδολογίας είναι ότι επιτρέπει την προγραμματισμένη επισκευή ακόμα και βασικών δομικών στοιχείων όταν η βλάβη δεν έχει ξεπεράσει ένα κρίσιμο μέγεθος. Η επισκευή με κολλημένα επιθέματα από μεταλλικά ή συνθετικά υλικά έχει εδραιωθεί ως η πιο αποτελεσματική μέθοδος επισκευής βλαβών (λόγω ρωγμών ή διάβρωσης) στην άτρακτο των αεροσκαφών, προσφέροντας πολλά πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών μεθόδων των μηχανικά συνδεδεμένων ενισχύσεων. Τέτοια πλεονεκτήματα είναι η βελτίωση της συμπεριφοράς σε κόπωση, μεγαλύτερη αντοχή στη διάβρωση και ελαχιστοποίηση της συγκέντρωσης των τάσεων. Παρόλο που η επισκευή με κολλημένα επιθέματα ξεκίνησε πριν από 35 χρόνια, προς το παρόν τέτοιες επισκευές είναι πιστοποιημένες μόνο για δευτερεύοντα δομικά στοιχεία του αεροσκάφους. Προκειμένου να επεκταθεί η χρήση τους και στα πρωτεύοντα δομικά στοιχεία, χρειάζεται μια ακόμα πιο λεπτομερής γνώση της μηχανικής συμπεριφοράς τους κάτω από διαφορετικά φορτία. Επί του παρόντος, το έργο αυτό πραγματοποιείται κυρίως με δαπανηρά και χρονοβόρα πειραματικά προγράμματα. Το πιο αποτελεσματικό εργαλείο για τον βέλτιστο σχεδιασμό του επιθέματος είναι η αριθμητική ανάλυση καθώς μπορεί να μας δώσει πληροφορίες όχι μόνο για τη μείωση του συντελεστή έντασης των τάσεων στα επισκευασμένα ρηγματωμένα δομικά στοιχεία αλλά και την επίδραση του υλικού και των διαστάσεων του επιθέματος στην ανακατανομή των τάσεων στο δομικό στοιχείο. Μεγάλος αριθμός παραμετρικών αναλύσεων μπορεί να πραγματοποιηθεί σε μικρό χρόνο και να περιορίσει έτσι την ανάγκη δαπανηρών πειραματικών προγραμμάτων. Η παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας (ασφάλειας και δομικής αντοχής) των πολιτικών και αεροπορικών κατασκευών είναι πρωτεύον θέμα για την κοινότητα των μηχανικών. Ο σχεδιασμός των δομικών στοιχείων των κατασκευών με βάση τις παραδοσιακές αρχές της αντοχής των υλικών, δηλαδή η μέγιστη τάση να είναι μικρότερη από την επιτρεπόμενη, να αποφεύγονται συγκεντρώσεις τάσεων και μεγάλες παραμορφώσεις, να μη δημιουργούνται φαινόμενα λυγισμού, είχαν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία βαριών κατασκευών με μεγάλους συντελεστές ασφάλειας. Παρόλα αυτά υπήρξαν πολλά καταστροφικά δυστυχήματα που κόστισαν ανθρώπινες ζωές. Μερικά από αυτά οφείλονταν σε ανεπαρκή σχεδιασμό. Ο σχεδιασμός με κριτήριο την ασφάλεια ως προς την διαρκή αντοχή (ή αλλιώς ασφάλεια ως προς την αστοχία Fail safe design philosophy) έχει αποδειχθεί πολλές φορές ανεπαρκής στο παρελθόν. Η σχεδιαστική αυτή φιλοσοφία 11

12 είχε αναπτυχθεί με σκοπό να αντιμετωπίσει αξιόπιστα αστοχίες λόγω κόπωσης. Με τη φιλοσοφία αυτή τα εξαρτήματα θεωρείται ότι μελετώνται και σχεδιάζονται με τρόπο ώστε ακόμη και αν παρουσιαστεί κάποια βλάβη (αστοχία) σε κάποιο εξάρτημα, αυτή να μην αποβαίνει καταστροφική. Αποδείχθηκε όμως από πολύνεκρα δυστυχήματα ότι αυτός ο σκοπός δεν επετεύχθη και ότι η φιλοσοφία σχεδιασμού αυτή εμπεριείχε αδυναμίες γιατί δεν λάμβανε υπόψη της τις ατέλειες που υπάρχουν στο υλικό κατασκευών. Οι ατέλειες αυτές, λόγω κόπωσης από τη χρήση του υλικού, προκαλούν μικρορωγμές μέσα στη μάζα του οι οποίες εξελίσσονται και οδηγούν σε οριστική αστοχία του δομικού στοιχείου. Η σχεδιαστική αυτή φιλοσοφία έπρεπε να συμπληρωθεί και με την παραδοχή της ύπαρξης μικρορωγμών καθώς και με τη μελέτη της αργής διάδοσης των ρωγμών. Φιλοσοφία σχεδιασμού "ανοχή σε βλάβη" Με τη συμπλήρωση και μερική αναθεώρηση στοιχείων της παλιάς φιλοσοφίας δημιουργήθηκε μία νέα φιλοσοφία σχεδιασμού που ονομάστηκε "ανοχή σε βλάβη" (damage tolerance) και στηρίζεται στην απαίτηση τα εξαρτήματα να σχεδιάζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε αν παρουσιαστεί βλάβη να υπάρχουν αρκετά χρονικά περιθώρια για να εντοπιστεί και να επιδιορθωθεί πριν να φτάσει στην αστοχία. Το προϊόν συνοδεύεται με αυστηρά εγχειρίδια συντήρησης. Στη νέα φιλοσοφία λαμβάνονται υπόψη και μελετούνται οι ατέλειες που υπάρχουν στη μάζα του υλικού και γίνεται συνεχής παρακολούθηση της εξέλιξής τους. Η αλλαγή που επήλθε στη φιλοσοφία σχεδιασμού των δομικών στοιχείων μιας κατασκευής στηρίχθηκε στην ανάπτυξη νέων, μη καταστρεπτικών μεθόδων ελέγχου υλικών και στην παράλληλη ανάπτυξη της επιστήμης της "μηχανικής των θραύσεων" που δημιουργήθηκε σαν ένας νέος κλάδος της Αντοχής των Υλικών, ο οποίος μελετά τις ατέλειες του υλικού, τις ρωγμές που εμφανίζονται σε μία κατασκευή λόγω κόπωσης και την εξέλιξη αυτών. Η Θραυστομηχανική έχει ίδιο αντικείμενο με αυτό της αντοχής των υλικών. Και οι δύο επιστήμες ασχολούνται με τη συμπεριφορά των σωμάτων, δηλαδή με τον προσδιορισμό των τάσεων και των παραμορφώσεων, όταν επιδρούν σε αυτά εξωτερικά φορτία. Επίσης, ασχολούνται με τον προσδιορισμό της ικανότητας των στοιχείων μιας κατασκευής να μεταφέρουν με ασφάλεια τα φορτία λειτουργίας τους, ώστε η κατασκευή να μην αστοχήσει. Η αστοχία μιας κατασκευής σύμφωνα και με τις δύο επιστήμες μπορεί να προκληθεί από πλαστική διαρροή του υλικού, λυγισμό, θραύση (ψαθυρή ή ελαστοπλαστική), ερπυσμό ή και κόπωση υλικού. Με την ανάπτυξη της Θραυστομηχανικής έγινε δυνατή η περιγραφή της συμπεριφοράς των ρωγμών που υπάρχουν στα δομικά στοιχεία μιας κατασκευής, σε συνθήκες στατικής καταπόνησης και σε συνθήκες κόπωσης καθώς και στη διατύπωση απλών κανόνων για την επίλυση πρακτικών εφαρμογών [2]. Παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας Η Παρακολούθηση Δομικής Ακεραιότητας δεν είναι νέα τεχνολογία ή τάση. Εφαρμόζεται με ποιοτικό τρόπο, από τότε που ο σύγχρονος άνθρωπος χρησιμοποιεί εργαλεία. Μηχανικοί, αρχιτέκτονες και καλλιτέχνες προσπαθούσαν διαρκώς να παρατηρούν τη συμπεριφορά των κατασκευών τους και να εντοπίζουν σημάδια κόπωσης, με απώτερο στόχο τη βελτίωση του σχεδιασμού των μελλοντικών κατασκευών [1]. Η ανάπτυξη όμως ποσοτικών προσεγγίσεων 12

13 και η εξασφάλιση αξιόπιστων δεδομένων, έλαβε χώρα τα τελευταία 30 περίπου χρόνια, παράλληλα με την εξέλιξη, σμίκρυνση και μείωση του κόστους των ψηφιακών υπολογιστικών συσκευών. Μέχρι σήμερα, η πιο επιτυχής εφαρμογή της τεχνολογίας που σχετίζεται με το SHM, είναι η Παρακολούθηση Κατάστασης (CM) περιστροφικών μηχανημάτων. Η διαδικασία εντοπισμού βασίζεται στην αναγνώριση μοτίβων, εφαρμοσμένη στο ιστορικό της ταχύτητας, της επιτάχυνσης και των μετατοπίσεων από ταλαντώσεις. Οι τιμές συνήθως μετρώνται σε ένα σημείο επί των αξόνων, τόσο σε oμαλές συνθήκες λειτουργίας, όσο και σε μεταβατικές συνθήκες εκκίνησης και διακοπής λειτουργίας. Έχει αναπτυχθεί λογισμικό με βάσεις δεδομένων, που επιτρέπουν τον εντοπισμό συγκεκριμένων τύπων βλάβης, με βάση το ιστορικό των τιμών. Βλάβη που τυπικά εντοπίζεται με αυτή τη διαδικασία περιλαμβάνει χαλαρωμένα εξαρτήματα, απο ευθυγραμμισμένους άξονες και σπασμένα δόντια γραναζιών. Η επιτυχία της εφαρμογής του CM και της μετάβασης του από ερευνητικό θέμα σε βιομηχανική πρακτική, βασίζεται εν μέρει στις μηδαμινές λειτουργικές και περιβαλλοντικές διακυμάνσεις που σχετίζονται με αυτό τον τύπο παρακολούθησης στους καλά ορισμένους τύπους βλάβης, που απαντώνται σε γνωστές θέσεις στις εκτενείς βάσεις δεδομένων, που συμπεριλαμβάνουν στοιχεία από φθαρμένα συστήματα στην καλά αποδεδειγμένη συσχέτιση μεταξύ βλάβης και χαρακτηριστικών που εξάγονται από τις μετρημένες τιμές, και στα σαφή και επαληθευμένα οικονομικά οφέλη που προσφέρει αυτή η τεχνολογία. Τη δεκαετία του 70, η βιομηχανία πετρελαίου έκανε αξιοσημείωτες προσπάθειες να αναπτύξει μεθόδους παρακολούθησης δομικής ακεραιότητας για θαλάσσιες πλατφόρμες άντλησης πετρελαίου. Αυτό το πρόβλημα είναι πολύ διαφορετικό από αυτό των περιστρεφόμενων μηχανών, καθώς η θέση της βλάβης είναι άγνωστη, και το μεγαλύτερο μέρος της κατασκευής δεν είναι προσπελάσιμο για έλεγχο. Επίσης, υπήρχε πληθώρα πρακτικών προβλημάτων, όπως οι παρεμβολές στις μετρήσεις από τις δονήσεις των μηχανημάτων στις πλατφόρμες και οι δυσλειτουργίες των αισθητήριων οργάνων στις σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτά τα ζητήματα απέτρεψαν την ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας. Στα τέλη της δεκαετίας του 70, η αεροδιαστημική κοινότητα ξεκίνησε να μελετά τεχνολογίες παρακολούθησης της δομικής ακεραιότητας, παράλληλα με την ανάπτυξη του Διαστημικού Λεωφορείου. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε το Στατιστικό Σύστημα Επιθεώρησης Οχήματος (SMIS Shuttle Modal Inspection System), με στόχο να εντοπίζει την βλάβη κοπώσεως σε μέρη του διαστημικού λεωφορείου, όπως οι επιφάνειες ελέγχου πτήσης, τα πλαίσια της ατράκτου και οι πτέρυγες. Αυτές οι περιοχές καλύπτονταν από τη θερμική ασπίδα του διαστημοπλοίου και δεν ήταν προσπελάσιμες. Έτσι δεν ήταν εφικτό να ελέγχονται με τις συμβατικές μεθόδους μη καταστροφικής αξιολόγησης. Το σύστημα SMIS είναι μέχρι και σήμερα πολύ πετυχημένο στον εντοπισμό βλάβης σε περιοχές που καλύπτονται από θερμική ασπίδα. Από τις αρχές της δεκαετίας του 80, οι πολιτικοί μηχανικοί μελετούν επίσης τον εντοπισμό βλάβης σε γέφυρες και οικοδομές. Λόγω της αστάθειας των περιβαλλοντικών και λειτουργικών συνθηκών, παρουσιάζονται 13

14 σημαντικές προκλήσεις στην εφαρμογή της παρακολούθησης γεφυρών. Ακόμη μια πρόκληση παρουσιάζεται από το μέγεθος των κατασκευών. Ιστορικό προγραμμάτων δομικής ακεραιότητας στην αεροπορία Η γήρανση της δομής των αεροσκαφών και των αεροκινητήρων και η βαθμιαία υποβάθμιση της αντοχής των δομικών στοιχείων τους, είναι αποτέλεσμα της εκμετάλλευσης την οποία υφίστανται. Για πρώτη φορά το πρόβλημα εμφανίσθηκε στην περίπτωση του ατυχήματος του Boeing 737 των αερογραμμών Aloha, το Το ατύχημα αυτό δημιούργησε ανησυχίες ότι οι αεροπορικές κατασκευές ήταν δυνατόν να χάσουν την ενυπάρχουσα ασφάλεια τους απέναντι σε αστοχίες (fail safety) λόγω της συσσώρευσης βλάβης από κόπωση ή εκτεταμένη διάβρωση. Οι αρμόδιες αρχές της Πολιτικής Αεροπορίας, FAA (Federal Aviation Administration), ανταποκρινόμενες στο πρόβλημα αυτό, αύξησαν την περιοδικότητα και τις απαιτήσεις περιοδικής συντήρησης στους παλαιότερους τύπους αεροσκαφών, τα οποία βρίσκονταν συνολικά σε υπηρεσία για περισσότερο από 14 χρόνια [4]. Επιπλέον, αναθεωρήθηκαν οι απαιτήσεις που αφορούσαν στην ανοχή σε βλάβη (damage tolerance) και στην ανθεκτικότητα, σε σχέση με την γήρανση των κατασκευών. Όσον αφορά τους αεροκινητήρες, η ολοκληρωτική αποσυναρμολόγησή τους, για εκτέλεση περιοδικής συντήρησης, χαρακτηρίζεται από εξαιρετικά μεγάλο κόστος. Κατά συνέπεια, η ανάγκη για την ανάπτυξη αποτελεσματικότερων τεχνικών και διαδικασιών, προς την κατεύθυνση της μείωσης του κόστους και την διασφάλιση της ασφάλειας των πτήσεων, άρχισε να διαφαίνεται ως λύση. Μετά από κύκλους πτήσης, η εκτεταμένη κόπωση των ενώσεων της ατράκτου προκάλεσε καταστροφική αστοχία στο Boeing της Aloha. Αρχικά, ο σχεδιασμός και συντήρηση εξαρτημάτων των αεροκινητήρων βασιζόταν στα αποτελέσματα από την μελέτη της ολιγοκυκλικής κόπωσης (low cycle fatigue). Αυτό σήμαινε ότι το προκαθορισμένο σχεδιαστικό όριο ζωής ενός υλικού, καθόριζε και την εκμετάλλευση ολόκληρης της κατηγορίας του υλικού στο σύνολο της. Πρακτικά, όταν το όριο αυτό έληγε, τότε το σύνολο των υλικών αποσυρόταν από την χρήση. Το 1985, η U.S.A.F. έθεσε σε εφαρμογή μία φιλοσοφία διαχείρισης των εξαρτημάτων αεροκινητήρων, επονομαζόμενη ως 'Απόσυρση για αιτία (retirement for cause), κυρίως για μείωση του κόστους συντήρησης. Με την προσέγγιση αυτή το κάθε εξάρτημα διέθετε το δικό του μοναδικό όριο ζωής. Τα εξαρτήματα, στα οποία εμφανίζονταν ατέλειες ενός μέγιστου επιτρεπόμενου μεγέθους, αποσύρονταν από την χρήση. Το πρόγραμμα 'Retirement for Cause', με την συμβολή της ανάπτυξης των μεθόδων μη καταστροφικών ελέγχων μετεξελίχθηκε στο πρόγραμμα Δομικής Παρακολούθησης Αεροκινητήρων (ENgine Structural Integrity Program, ENSIP). Κατ' αντιστοιχία, για την δομή των αεροσκαφών εφαρμόσθηκε το πρόγραμμα δομικής παρακολούθησης αεροσκαφών (Aircraft Structural Integrity, ASIP). Το πρόγραμμα αυτό συνίσταται στην συλλογή και επεξεργασία των στοιχείων που αφορούν την καταπόνηση της δομής ενός αεροσκάφους, σε συνδυασμό με την εφαρμογή της φιλοσοφίας ανοχής σε βλάβη (damage tolerance) και ανθεκτικότητα. Ειδικότερα, με την χρήση των συστημάτων καταγραφής, τα οποία βρίσκονται τοποθετημένα στο αεροσκάφος, ο χρήστης συλλέγει τα δεδομένα που αφορούν στην ιστορία φόρτισης της δομής του αεροσκάφους, γνωστό και ως φάσμα καταπόνησης (load 14

15 spectre). Στα δεδομένα αυτά περιλαμβάνονται: ταχύτητα, επιταχύνσεις, ύψος πτήσης, κατανάλωση καυσίμου, εξωτερικά φορτία, θερμοκρασία, παραμορφώσεις, κ.α. ανάλογα με την δυνατότητα που διαθέτει το σύστημα καταγραφής. Εν συνεχεία, τα στοιχεία αυτά αναλύονται και εισάγονται ως δεδομένα εισόδου για τον υπολογισμό της συσσωρευμένης βλάβης σε επιμέρους τμήματα της δομής ενός αεροσκάφους. Για τα κρίσιμα δομικά στοιχεία του αεροσκάφους, όπως τα σημεία σύνδεσης μεταξύ ατράκτου και πτέρυγας, κύριες νευρώσεις πτέρυγας, κ.α., με την εφαρμογή της μεθοδολογίας που απορρέει από την προσέγγιση με ανοχή σε βλάβη (damage tolerance), υπολογίζεται ένας αριθμός που αντιπροσωπεύει την συσσωρευμένη βλάβη στο αντίστοιχο σημείο. Συνήθως ο αριθμό αυτός αναφέρεται και ως δείκτης κόπωσης (fatigue index). Τελικώς, ο δείκτης αυτός διαμορφώνει τον κύκλο περιοδικής συντήρησης ή έκτακτης επιθεώρησης / επισκευής των επιμέρους στοιχείων της δομής του αεροσκάφους, ο οποίος πλέον δεν εξαρτάται από τις συνολικές ώρες πτήσης που έχει εκτελέσει ένα αεροσκάφους. Τα προγράμματα δομικής ακεραιότητας εφαρμόζονται έως τις ημέρες μας σε αεροσκάφη και κινητήρες στρατιωτικών και πολιτικών αεροσκαφών. Μετεξέλιξη των προγραμμάτων αυτών αποτελεί η έννοια της Παρακολούθησης Δομικής Ακεραιότητας (structural health monitoring), η οποία και παρουσιάζεται στην συνέχεια. Η ερευνητική δραστηριότητα, η οποία τα τελευταία 10 με 15 χρόνια βρίσκεται σε εξέλιξη στον τομέα αυτό, χαρακτηρίζεται ως ένας από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τομείς της συνδυασμένης αεροναυπηγικής επιστήμης. Εκφράζοντας το αυξημένο ενδιαφέρον για αυτή την ανερχόμενη τεχνολογία, την τελευταία δεκαετία έχουν πραγματοποιηθεί πολλά νέα συνέδρια που εστιάζουν άμεσα στο SHM [1]. Παράγοντες σχεδίασης Ο σχεδιασμός ενός εξαρτήματος μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στα χαρακτηριστικά του σε κόπωση. Κάθε εγκοπή ή γεωμετρική ασυνέχεια μπορεί να δράσει ως ανυψωτής τάσεων και θέση σχηματισμού ρωγμής από κόπωση. Σε αυτά τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνονται αυλακώσεις, οπές, χαρακιές και ούτω καθ εξής. Όσο πιο οξεία είναι η ασυνέχεια, δηλαδή όσο μικρότερη είναι η ακτίνα καμπυλότητας, τόσο πιο μεγάλη θα είναι η συγκέντρωση τάσεων. Η πιθανότητα αστοχίας σε κόπωση μπορεί να μειωθεί αποφεύγοντας εάν είναι δυνατόν, αυτές τις δομικές ανωμαλίες, ή κάνοντας σχεδιαστικές τροποποιήσεις έτσι ώστε να απαλείφονται απότομες αλλαγές στο περίγραμμα που οδηγούν σε οξείες γωνίες. Επιφανειακές κατεργασίες Κατά τη διάρκεια επεξεργασίας στο μηχανουργείο, η δράση του εργαλείου κοπής εισάγει πάντοτε στην επιφάνεια του κατεργαζόμενου αντικειμένου μικρές αμυχές και αυλακώσεις. Τα επιφανειακά αυτά σημάδια μπορούν να περιορίσουν την διάρκεια ζωής σε κόπωση. Έχει παρατηρηθεί ότι η βελτίωση των επιφανειακών τελειωμάτων με λείανση φινίρισμα, αυξάνει σημαντικά την διάρκεια ζωής σε κόπωση. 15

16 Περιβαλλοντικές επιδράσεις Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν επίσης να επηρεάσουν την συμπεριφορά σε κόπωση των υλικών. Υπάρχουν δύο τύποι αστοχίας σε κόπωση λόγο επίδρασης του περιβάλλοντος, η θερμική κόπωση και η κόπωση από διάβρωση. Η θερμική κόπωση συνήθως εισάγεται σε υψηλές θερμοκρασίες από κυμαινόμενες θερμικές τάσεις, ενώ δεν απαιτείται να είναι παρούσες μηχανικές τάσεις από εξωτερική πηγή. Η αφετηρία των θερμικών τάσεων βρίσκεται στον περιορισμό της διαστολής των διαστάσεων ή και στη συστολή που φυσιολογικά εμφανίζεται σε ένα δομικό στοιχείο λόγο των μεταβολών της θερμοκρασίας. Έτσι, ένας προφανής τρόπος αποτροπής αυτού του τύπου κόπωσης είναι η απαλοιφή ή τουλάχιστον η μείωση της αιτίας του περιορισμού, επιτρέποντας ανεμπόδιστες μεταβολές διαστάσεων με τις διακυμάνσεις θερμοκρασίας, ή επιλογή υλικών, ή επιλογή υλικών με τις κατάλληλες φυσικές ιδιότητες. Η αστοχία που εμφανίζεται με την ταυτόχρονη δράση κυκλικής τάσης και χημικής προσβολής αποκαλείται κόπωση από διάβρωση. Διαβρωτικά περιβάλλοντα έχουνε επιβλαβή επίδραση και παράγουν μικρότερες διάρκειες ζωής σε κόπωση. Ακόμα και η συνηθισμένη ατμόσφαιρα περιβάλλοντος θα επηρεάσει την συμπεριφορά σε κόπωση ορισμένων υλικών. Μικρές οπές μπορούν να σχηματιστούν ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων μεταξύ του περιβάλλοντος και του υλικού, που στη συνέχεια λειτουργούν ως σημεία συγκέντρωσης τάσεων και συνεπώς ως θέση έναρξης ρωγμών. Επιπροσθέτως, ο ρυθμός διάδοσης των ρωγμών εντείνεται ως αποτέλεσμα του διαβρωτικού περιβάλλοντος. Η φύση της κυκλικής τάσης θα επιδράσει στη συμπεριφορά σε κόπωση. Για παράδειγμα, μείωση της συχνότητας εφαρμογής φορτίου οδηγεί σε μακρύτερες περιόδους κατά τη διάρκεια των οποίων η ανοιχτή ρωγμή είναι σε επαφή με το περιβάλλον και σε ελάττωση της διάρκειας ζωής σε κόπωση. Για την παρεμπόδιση της κόπωσης από διάβρωση υφίστανται διάφορες προσεγγίσεις. Από τη μια μεριά μπορούμε να πάρουμε μέτρα για τη μείωση του ρυθμού διάδοσης, για παράδειγμα να εφαρμόσουμε μια προστατευτική επιφανειακή επικάλυψη, να επιλέξουμε ένα υλικό περισσότερο ανθεκτικό στη διάβρωση ή και να ελαττώσουμε την διαβρωτικότητα του περιβάλλοντος. Επίσης, μπορεί να είναι ενδεδειγμένο να λάβουμε μέτρα ώστε να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα της συνήθους αστοχίας σε κόπωση, για παράδειγμα να μειώσουμε το επίπεδο της εφαρμοζόμενης εφελκυστικής τάσης και να επιβάλλουμε υπολειπόμενες θλιπτικές τάσεις στην επιφάνεια του στοιχείου κατασκευής. Κόπωση Υλικού Κόπωση είναι το αποτέλεσμα που προκύπτει σε ένα δομικό στοιχείο όταν φορτίζεται επαναληπτικά, καταπονείται δηλαδή από φορτίο που μεταβάλλεται χρονικά. Από μηχανική άποψη η εναλλαγή των καταπονήσεων που υφίσταται το στοιχείο δημιουργεί ραβδώσεις στους κόκκους του μεταλλικού υλικού οι οποίες μετά δημιουργούν τον πυρήνα μιας ρωγμής που σε ένα ορισμένο μέγεθός της μπορεί να ανιχνευθεί με τη βοήθεια μιας μη καταστρεπτικής δοκιμής. Οι μικρορωγμές εξελίσσονται με το χρόνο σε μακρορωγμές, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και τελικά οδηγούν σε αστοχία. Ο αριθμός των κύκλων φόρτισης σε ένα ορισμένο εύρος φορτίου είναι το χαρακτηριστικό για τη διάρκεια ζωής λόγω κόπωσης ενός κατασκευαστικού στοιχείου. Σε κάθε κύκλο καταπόνησης ένα ποσοστό της ενέργειας παραμόρφωσης του υλικού αποδίδεται στο περιβάλλον υπό μορφή 16

17 θερμότητας με συνέπεια το υλικό να υφίσταται γήρανση, η οποία εξαρτάται κυρίως από το εύρος των μεταβολών των τάσεων και το είδος της καταπόνησης. Η κόπωση υποβαθμίζει την αντοχή του υλικού με την πάροδο του χρόνου με αποτέλεσμα οι κατασκευές να αστοχούν σε πολύ χαμηλότερα φορτία από εκείνα που σχεδιάστηκαν να αντέχουν. Ο ρυθμός εξέλιξης της ζημιάς ή βλάβης που υφίσταται το υλικό εξαρτάται: Από το ίδιο το υλικό Από το μέγεθος και το είδος των επιβαλλόμενων φορτίων Από τις περιβαλλοντολογικές συνθήκες μέσα στις οποίες λειτουργεί το δομικό στοιχείο, που είναι συνήθως η θερμοκρασία και η διάβρωση. Αυτά ενισχύουν την κόπωση. Στα δομικά εξαρτήματα των αεροσκαφών σπουδαίο όλο παίζει η κόπωση λόγω διάβρωσης, δηλαδή μιλάμε για επιταχυνόμενη κόπωση ενός εξαρτήματος αεροσκάφους λόγω της επίδρασης της διάβρωσης [32]. Η βάση όλου του σχεδιασμού της κόπωσης είναι τα υλικά και τα δεδομένα των εξαρτημάτων. Ο σχεδιασμός της κόπωσης ενός δομικού στοιχείου συνήθως περιγράφεται με μια καμπύλη διάρκειας ζωής λόγω κόπωσης χαραγμένη σε διάγραμμα τάσης (εύρος τάσεων S) και αριθμού κύκλων επανάληψης (Ν) της φόρτισης σε ημιλογαριθμική κλίμακα (γνωστό ως διάγραμμα S N). Η κόπωση είναι μια μορφή αστοχίας που εμφανίζεται σε κατασκευές κάτω από την επίδραση δυναμικών και κυμαινόμενων τάσεων, όπως οι γέφυρες τα αεροπλάνα και τα εξαρτήματα μηχανών. Κάτω από αυτές τις συνθήκες είναι πιθανόν να εμφανιστεί αστοχία σε επίπεδα τάσεων σημαντικά χαμηλότερα από την αντοχή σε εφελκυσμό ή την αντοχή διαρροής σε στατική φόρτωση. Ο όρος κόπωση χρησιμοποιείται διότι αυτός ο τύπος αστοχίας εμφανίζεται συνήθως μετά από μια μακρά περίοδο επαναλαμβανόμενων κυκλικών τάσεων ή παραμορφώσεων. Η κόπωση είναι σημαντική καθώς αποτελεί από μόνη της τον μεγαλύτερο λόγο αστοχίας στα μέταλλα. Επιπλέον είναι καταστρεπτική και εσωτερική, ενώ εμφανίζεται ξαφνικά χωρίς προειδοποίηση. Η φύση της αστοχίας σε κόπωση προσομοιάζει με την ψαθυρή αστοχία ακόμα και στα συνήθως όλκιμα μέταλλα, με την έννοια ότι υφίσταται πολύ μικρή ή και καθόλου καταφανής πλαστική παραμόρφωση που σχετίζεται με την αστοχία. Η διαδικασία εμφανίζεται με τον σχηματισμό και την διάδοση ρωγμών και συνήθως η επιφάνεια θραύσης είναι κάθετη στη διεύθυνση της εφαρμοζόμενης εφελκυστικής τάσης. Η εφαρμοζόμενη τάση μπορεί να είναι αξονικής (εφελκυσμός θλίψη), καμπτικής ή στρεπτικής φύσης. Παράγοντες που επηρεάζουν την διάρκεια ζωής σε κόπωση Η συμπεριφορά σε κόπωση των υλικών του μηχανικού είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε μια σειρά από μεταβλητές, ανάμεσα σε αυτούς τους παράγοντες περιλαμβάνονται το μέσο επίπεδο τάσης, ο γεωμετρικός σχεδιασμός, επιφανειακά φαινόμενα, μεταλλουργικές μεταβλητές, καθώς επίσης και το περιβάλλον. Η εξάρτηση της διάρκειας της ζωής σε κόπωση από το πλάτος της τάσης αναπαριστάται στα διαγράμματα S Ν. Τέτοιου είδους δεδομένα λαμβάνονται σε σταθερή μέση τιμή τάσης, όμως η διάρκεια ζωής σε κόπωση επηρεάζεται επίσης από τη μέση τάση και η επιρροή της μπορεί να παρασταθεί από μια σειρά καμπυλών S N, η κάθε μια από τις οποίες προκύπτει από μετρήσεις σε διαφορετικές 17

18 μέσες τιμές τάσεις. Όπως μπορεί να διαπιστωθεί, αύξηση του επιπέδου μέσης τάσης οδηγεί μείωση της διάρκειας ζωής σε κόπωση. Σε πολλές συνθήκες φόρτισης της μέγιστης τάσης στο εσωτερικό ενός εξαρτήματος η μιας κατασκευής εμφανίζεται στην επιφάνεια του. Κατά συνέπεια οι περισσότερες ρωγμές που οδηγούν σε αστοχία από κόπωση πρωτοδημιουργούνται σε σημεία στην επιφάνεια, συγκεκριμένα σε θέσεις ενίσχυσης της τάσης. Ως εκ τούτου έχει παρατηρηθεί ότι η διάρκεια ζωής σε κόπωση είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στις συνθήκες και στην διαμόρφωση της επιφάνειας των εξαρτημάτων. Πολυάριθμοι παράγοντες επηρεάζουν την αντίσταση στην κόπωση, η κατάλληλη διαχείριση των οποίων καταλήγει στη βελτίωση της διάρκειας της ζωής σε κόπωση. Σε αυτούς συμπεριλαμβάνονται σχεδιαστικά κριτήρια καθώς και διάφορες επιφανειακές κατεργασίες. Η καμπύλη S N Όπως και με τα άλλα μηχανικά χαρακτηριστικά, οι ιδιότητες της κόπωσης των υλικών μπορούν να προσδιοριστούν με εργαστηριακές δοκιμές προσομοίωσης. Στα πειράματα αυτά καταγράφεται ο αριθμός των επαναλαμβανόμενων κύκλων μέχρι την αστοχία. Τα δεδομένα απεικονίζονται σε διάγραμμα της τάσης S συναρτήσει του λογαρίθμου του αριθμού των κύκλων φόρτισης Ν μέχρι την αστοχία. Δύο διακριτοί τύποι συμπεριφοράς παρατηρούνται στις καμπύλες S N, ο ένας τύπος καμπύλης υποδεικνύει ότι όσο ψηλότερο είναι το μέγεθος της τάσης, τόσο μικρότερος είναι ο αριθμός των κύκλων που είναι ικανό το υλικό να αντέξει πριν την αστοχία [32]. Για ορισμένα κράματα η καμπύλη γίνεται οριζόντια σε μεγαλύτερες τιμές του Ν ή υπάρχει ένα οριακό επίπεδο τάσης, που αποκαλείται όριο κόπωσης ή όριο αντοχής κάτω από το οποίο αστοχία λόγο κόπωσης δεν θα εμφανιστεί. Το όριο κόπωσης αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη τιμή της κυμαινόμενης τάσης που δεν θα προκαλέσει αστοχία για έναν ουσιαστικά άπειρο αριθμό κύκλων. Μια ακόμα σημαντική παράμετρος που καθορίζει την συμπεριφορά των υλικών σε κόπωση είναι η διάρκεια ζωής σε κόπωση Ν f, που είναι ο αριθμός των κύκλων που προκαλεί αστοχία σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο τάσης, όπως προκύπτει από το διάγραμμα S N. Δυστυχώς υφίσταται πάντα μια σημαντική διασπορά των δεδομένων της κόπωσης, δηλαδή μια διακύμανση της μετρούμενης τιμής του Ν, για έναν αριθμό δοκιμίων που εξετάστηκαν στο ίδιο επίπεδο τάσης. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε σημαντικές σχεδιαστικές αβεβαιότητες, όταν η διάρκεια ζωής σε κόπωση ή και το όριο κόπωσης (ή αντοχή) βρίσκονται υπό μελέτη. Η διασπορά στα αποτελέσματα είναι συνέπεια της ευαισθησίας της κόπωσης σε μια σειρά παραμέτρων της δοκιμής και του υλικού που είναι αδύνατον να ελεγχθούν με ακρίβεια. Στις παραμέτρους αυτές περιλαμβάνονται η κατασκευή του δοκιμίου, η προετοιμασία της επιφάνειας, οι μεταλλουργικές μεταβλητές, η ευθυγράμμιση του δοκιμίου στην πειραματική διάταξη, η μέση τάση και η συχνότητα. Διάφορες τεχνικές της στατιστικής έχουν αναπτυχθεί για να προσδιορίζουν την διάρκεια ζωής σε κόπωση και το όριο κόπωσης με όρους πιθανοτήτων. Οι συμπεριφορές κόπωσης μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη αφορά στα σχετικά υψηλά φορτία που επιφέρουν όχι μόνο ελαστική παραμόρφωση αλλά επίσης και κάποια πλαστική παραμόρφωση κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, κατά συνέπεια η διάρκεια ζωής σε κόπωση είναι σχετικά σύντομη σε αυτές τις κοπώσεις χαμηλού αριθμού κύκλων. Σε 18

19 χαμηλότερα επίπεδα τάσεων, που οι παραμορφώσεις είναι πλήρως ελαστικές, προκύπτουν ζωές με μεγαλύτερη διάρκεια ( κόπωση υψηλού αριθμού κύκλων). Αστοχία αεροπορικών δομών Όπως και για τον σχεδιασμό μιας κατασκευής, έτσι ακόμα και για ένα εξάρτημα αυτής απαιτείται από τον μηχανικό σχεδιαστή να ελαχιστοποιήσει την πιθανότητα αστοχίας. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αστοχίας, η θραύση, η κόπωση, και ο ερπυσμός, παράλληλα υπάρχουν και οι κατάλληλες αρχές σχεδιασμού που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να αποτραπεί η αστοχία κατά την διάρκεια ζωής των υλικών. Μια πιθανή αστοχία υλικών που θα χρησιμοποιηθούν σε μια μηχανική κατασκευή αποτελεί σχεδόν πάντα ένα ανεπιθύμητο γεγονός, δυσάρεστα επακόλουθα των οποίων μπορούν να αποτελούν η έκθεση ανθρωπίνων ζωών σε κίνδυνο, οι οικονομικές απώλειες, και η διακοπή της διαθεσιμότητας προϊόντων και υπηρεσιών. Συχνά, είναι δύσκολο να προβλέψει κανείς τις αστοχίες, ακόμα και αν υπάρχουν μελέτες για την συμπεριφορά των υλικών και τα πιθανά αίτια αστοχίας τους, πράγμα το οποίοι φέρνει σε δύσκολη θέση τον μηχανικό σχεδιαστή, στο να εγγυηθεί για την μελλοντική συμπεριφορά της κατασκευής του. Οι πιο συνηθισμένες αιτίες αστοχίας είναι η μη κατάλληλη επιλογή υλικών και κατεργασίας τους, ο ανεπαρκής σχεδιασμός του εξαρτήματος, η κακή χρήση του και η αμέλεια συντήρησης του. Για αυτόν τον λόγο αποτελεί ευθύνη του μηχανικού η πρόληψη και ο σχεδιασμός τρόπων αντιμετώπισης πιθανής αστοχίας, ενώ παράλληλα, στην περίπτωση εμφάνισης της, να είναι σε θέση να προσδιορίζει την αιτία και στην συνέχεια να λαμβάνει κατάλληλα αποτρεπτικά μέτρα εναντίον μελλοντικών τέτοιων συμβάντων. Η απλή θραύση είναι ο διαχωρισμός ενός σώματος σε 2 ή περισσότερα τμήματα, ως αποτέλεσμα μιας επιβαλλόμενης στατικής τάσης, δηλαδή μιας τάσης είτε σταθερής είτε πολύ αργά μεταβαλλόμενης με τον χρόνο σε θερμοκρασίες χαμηλές σε σχέση με την θερμοκρασία τήξης του υλικού. Η εφαρμοζόμενη τάση μπορεί να είναι θλιπτική, εφελκυστική, διατμητική η στρεπτική. Στα υλικά που χρειάζεται να μελετήσει ένας μηχανικός, συνήθως δύο τύποι θραύσης είναι δυνατοί να επέλθουν, ο όλκιμος και ο ψαθυρός. Η κατάταξη αυτή βασίζεται στην ικανότητα του υλικού να υφίσταται πλαστική παραμόρφωση. Χαρακτηριστικά, τα όλκιμα υλικά επιδεικνύουν σημαντική πλαστική παραμόρφωση με μεγάλη απορρόφηση ενέργειας πριν από την θραύση. Από την άλλη μεριά η ψαθυρή θραύση συνοδεύεται συνήθως από ελάχιστη ή μηδενική πλαστική παραμόρφωση, με μικρή απορρόφηση ενέργειας. Οι όροι "όλκιμοι" και "ψαθυρή" είναι σχετικοί, καθώς εάν μια θραύση είναι του ενός ή του άλλου τύπου, εξαρτάται από τις εκάστοτε συνθήκες. Η ολκιμότητα μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με όρους του επί τοις εκατό ποσοστού επιμήκυνσης και του επί της εκατό ποσοστού μείωσης του εμβαδού επιφάνειας. Επιπλέον η ολκιμότητα, είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας του υλικού, του ρυθμού παραμόρφωσης και του ρυθμού επιβολής τάσης. Κάθε διαδικασία θραύσης, ως αποτέλεσμα της επιβολής τάσης, εμπεριέχει δύο βήματα, τον σχηματισμό της ρωγμής και τη διάδοση της. Ο μηχανισμός διάδοσης της ρωγμής θα είναι αυτός που θα καθορίσει και τον τύπο της θραύσης. Η όλκιμη θραύση χαρακτηρίζεται από 19

20 εκτεταμένη πλαστική παραμόρφωση στην περιοχή μιας αναπτυσσόμενης ρωγμής. Επιπλέον, όσο το μήκος της ρωγμής είναι εκτενές, η διαδικασία εξελίσσεται σχετικά αργά. Αυτού του είδους οι ρωγμές, λέγονται συχνά και σταθερές, ανθίστανται στην περεταίρω διάδοση, εκτός εάν αυξηθεί η εφαρμοζόμενη τάση. Συνήθως είναι φανερή μια σημαντική παραμόρφωση στην επιφάνεια της θραύσης, έπειτα από τη ρωγμή. Από την άλλη μεριά στην περίπτωση της ψαθυρής τάσης οι ρωγμές μπορούν να εξαπλωθούν υπερβολικά γρήγορα, ενώ συνοδεύονται από πολύ μικρή πλαστική παραμόρφωση. Σε αυτού του είδους οι ρωγμές γνωστές και ως ασταθείς, η διάδοση της ρωγμής από τη στιγμή που θα ξεκινήσει, συνεχίζεται αυθόρμητα χωρίς την αύξηση του μεγέθους της εφαρμοζόμενης τάσης. Η όλκιμη θραύση είναι προτιμότερη σχεδόν πάντα για δύο λόγους. Πρώτον η ψαθυρή θραύση εμφανίζεται ξαφνικά και καταστροφικά χωρίς καμία προειδοποίηση, ως αποτέλεσμα της γρήγορης και αυθόρμητης διάδοσης της ρωγμής. Από την άλλη πλευρά, στην όλκιμη θραύση, η παρουσία της πλαστικής παραμόρφωσης προειδοποιεί ότι επίκειται θραύση επιτρέποντας να ληφθούν αποτρεπτικά μέτρα. Δεύτερον, απαιτείται περισσότερη ενέργεια παραμόρφωσης για την πρόκληση όλκιμης θραύσης, καθώς τα όλκιμα υλικά είναι εν γένει περισσότερο δύσθραυστα. Η ψαθυρή θραύση των υλικών που συνήθως είναι όλκιμα, κάνει φανερή την ανάγκη βαθύτερης κατανόησης και μελέτης των μηχανισμών θραύσης. Εκτεταμένες ερευνητικές προσπάθειες των προηγούμενων δεκαετιών, οδήγησαν στην ανάπτυξη του πεδίου της Θραυστομηχανικής. Αυτός ο κλάδος επιτρέπει την ποσοτικοποίηση των σχέσεων μεταξύ των ιδιοτήτων του υλικού, του επιπέδου τάσης, της παρουσίας ατελειών και των μηχανισμό διάδοσης ρωγμών. Έτσι οι σχεδιαστές μηχανικοί είναι σήμερα καλύτερα εφοδιασμένοι ώστε να προλαμβάνουν και να αποτρέπουν δομικές αστοχίες. Η αντοχή σε θραύση ενός στερεού υλικού είναι συνάρτηση των συνεκτικών δυνάμεων που υφίστανται μεταξύ των ατόμων, Σε αυτή τη βάση, η θεωρητική συνεκτική αντοχή ενός ψαθυρού ελαστικού στερεού έχει υπολογιστεί ότι είναι περίπου ίση με Ε/10, όπου Ε είναι το μέτρο ελαστικότητας του υλικού. Οι πειραματικές τιμές όμως της αντοχής σε θραύση των περισσότερων υλικών από τον μηχανικό, κυμαίνονται συνήθως μεταξύ 10 και 1000 φορές κάτω από τη θεωρητική τιμή. Την δεκαετία του 1920, παρατηρήθηκε πως η ασυμφωνία μεταξύ της θεωρητικής συνεκτικής αντοχής και της παρατηρούμενης αντοχής σε θραύση, μπορεί να εξηγηθεί με την παρουσία μικροσκοπικών ατελειών ή ρωγμών οι οποίες σε κανονικές συνθήκες πάντοτε υφίστανται στην επιφάνεια και στο εσωτερικό του σώματος των υλικών. Οι ατέλειες αυτές είναι επιζήμιες για την αντοχή σε θραύση, καθώς μια εφαρμοζόμενη τάση μπορεί να ενισχυθεί ή να συγκεντρωθεί στο άκρο της ατέλειας. Το μέγεθος της ενίσχυσης αυτής εξαρτάται από τον προσανατολισμό και τη γεωμετρία της ρωγμής. Έναρξη και διάδοση ρωγμών Η διαδικασία αστοχίας σε κόπωση χαρακτηρίζεται από τρία διακριτά βήματα. Πρώτον, την έναρξη της ρωγμής, όπου μια μικρή ρωγμή σχηματίζεται σε κάποιο σημείο μεγάλης συγκέντρωσης τάσης, έπειτα τη διάδοση της ρωγμής, κατά τη διάρκεια του οποίου η ρωγμή προχωράει αυξανόμενη με κάθε κύκλο τάσης και καταλήγει στην τελική αστοχία, η οποία εμφανίζεται πολύ γρήγορα όταν η διαδιδόμενη ρωγμή αποκτήσει ένα κρίσιμο μέγεθος. Με αυτόν τον τρόπο, η διάρκεια ζωής σε κόπωση Ν f, ο συνολικός αριθμός των κύκλων ως την 20