LB Se Vortrag Emmerling

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Zuverlässigkeit trotz Streuung und Unschärfen Ansatz der Bauvorschriften
ETMC S. Emmerling /17.11.2010/
© Eurocopter rights reserved
Stefan Emmerling, Eurocopter Deutschland GmbH
Gliederung
Einführung
Fatigue Tolerance Nachweis
Kritische Teile
Zusammenfassung
ETMC S. Ememrling /17.11.2010/
Quellen
2
Gründe für Zwischenfälle und Unfälle
3
Bauvorschriften
Flugsicherheitsbehörde
Erteilt
Erfüllt
EntwicklungsPart 21
betriebszulassung
Forderungen
Entwicklungsbetrieb
Erfüllt
CS 27/29
Forderungen
Erteilt
Musterzulassung
Entwickelt
Luftfahrzeug
4
Der Begriff der Zuverlässigkeit
Zuverlässigkeit:
Vermeiden eines katastrophalen Ausfalls über
die gesamte Betriebsdauer des Hubschraubers
Katastrophaler Ausfall:
Ein Ereignis, das die sichere Weiterführung
des Fluges und eine sichere Landung
verhindern könnte
Extrem unwahrscheinliche Ereignisse sind
derart, daß sie nicht als jemals auftretend
betrachtet werden müssen. Eine Wahrscheinlichkeit in der Größenordnung 10-9 pro
Flugstunde oder weniger ist dieser Einstufung
zugeordnet.
5
Wesentliche Forderungen der
Bauvorschriften
Die Bauvorschriften sind die Sammlung aller Forderungen der Behörde
für die Entwicklung und Zulassung eines Hubschraubers
Statischer Nachweis
•
•
•
•
§ 303 Factor of Safety
§ 305 Strength and Deformation
§ 603 Materials
§ 613 Material strength properties and design values
Ermüdungs- und Schadenstoleranznachweis
• § 571 Fatigue Tolerance Evaluation of Structure
Kritische Teile
• § 602 Critical Parts
6
Der neue Paragraph 571 zur „Fatigue
Tolerance Evaluation of Metallic Structure“
Zielsetzung
• Erhöhung des Sicherheitsniveaus
• Reduktion der katastrophalen Fälle von Ermüdungsversagen metallischer
Strukturen
Betonung der zu erfüllenden Ziele – zurückstellen spezifischer
Methoden
Die Behörde muß die zur Nachweisführung verwendete Methode
genehmigen
Forderung nach der Definition von Inspektionsintervallen und
Austauschzeiten oder anderer äquivalenter Maßnahmen
Forderung nach einer Gefährdungsanalyse
7
Fatigue Tolerance Evaluation §571 (neu)
(a) A fatigue tolerance evaluation of each principal structural element (PSE) must
be performed…The fatigue tolerance evaluation must consider the effects of
both fatigue and ... damage ...
(e) Each fatigue tolerance evaluation required by this section must include:
(1) In-flight measurements to determine the fatigue loads or stresses
(2) The loading spectra as severe as those expected in operations
(4) For each PSE … a threat assessment
(f) A residual strength determination is required
(h) Based on the requirements of this section, inspections and retirement times or
approved equivalent means must be established to avoid catastrophic failure…
8
Fatigue Tolerance Evaluation §571 (neu)
Fatigue Tolerance Nachweis unter Berücksichtigung von:
Ermüdung
+
Schadenstoleranz
Gefährdungsanalyse der Herstellung und der Verwendung bezüglich
möglicher
- Schadensorte
- Schadensarten
- Schadensgrößen
Betrachtung von
- Umwelteinflüssen
- inhärenten Fehlern
- externen Fehlern
9
Gefährdungsanalyse
Inhärente Fehler – dem Design und der Fertigung zugeordnet
•
•
•
•
Einschlüsse
Risse
Schmiedeüberlappungen
Porosität
Externe Fehler – durch Einwirkung von außen entstanden
•
•
•
•
•
•
Korrosion
Kratzer
Fretting
Verschleiß
Impact
Risse durch Ermüdung initiiert
10
Voraussetzungen für den
Fatigue Tolerance Nachweis §571
Fluglastmessungen zur Ermittlung der Ermüdungsbelastungen
• für alle kritischen Flugzustände
• über den ganzen Bereich der Betriebsgrenzen
• einschließlich der Einflüsse der Flughöhe, Temperaturen etc.
Die Lastspektren müssen ebenso streng sein, wie die im Betrieb zu
erwartenden, und auf den Fluglastmessungen basieren
11
Beispiel für ein Missionsprofil
Mission profile of a twin-engine multipurpose helicopter
1.
Ground load cases
2.
Steady hovering
3.
Steady forward flight
4.
Other steady flight conditions
5.
Transitional flight conditions
6.
Flight maneuvers
7.
Autorotation
8.
Take-off and landing on sloped surfaces
9.
One engine inoperative
12
6.
Flight maneuvers
6.1
Cyclic and collectiv recovery
6.2
Flare
6.3
Quickstop
6.4 – 6.7
Turning flight
6.8 – 6.9
Turn reversal
6.10 – 6.11
Rotation about normal axis
6.12 – 6.17
Reversal of lateral, longitudinal and yaw control
6.18
Recovery with roll
6.19
Negative load factor
13
6.
Flight maneuvers
6.4 – 6.7
Turning flight
6.4 Turning flight left @ 80% VNE
6.5 Turning flight right @ 80% VNE
6.7 Turning flight right @ 90% VNE
14
6.
Flight maneuvers
6.4 – 6.7
Turning flight
6.4.1 Turning flight left @ 80% VNE,
nz = 1.2 g
1,878% flight time
6.4.2 Turning flight left @ 80% VNE ,
nz = 1.8 g
0,100% flight time
6.4.3 Turning flight left @ 80% VNE ,
nz = 2.5 g/nzmax
0,022% flight time
15
Fluglasten und Lastkollektiv
Zeitverlauf einer mit Dehnmessstreifen gemessenen Last
16
AmplitudenLastklassen
Mittellastklassen
⇒
⇓
Rainflow-Matrix der gemessenen Last
17
Grafische Darstellung der Rainflow-Matrix („Lastgebirge“)
18
Statistischer Ansatz (1)
Definition der Mittelwertskurve
Last
Normalverteilung der Versuchspunkte
1
101
10 2
10 3
10 4
10 5
10 6
10 7
10 8
Lastwechsel
19
Statistischer Ansatz (2)
Definition der Arbeitskurve
Statistisch ermittelter Sicherheitsfaktor für die Wöhlerkurve:
j=ε
a' ⎞
⎛
−⎜ a +
⎟
N⎠
⎝
Mit:
ε:
Streufaktor der Versuchsergebnisse
a:
Perzentil der Überlebenswahrscheinlichkeit PS aus der Lognormalverteilung
(z.B. PS = 99.9999% entsprechend einer Versagenswahrscheinlichkeit
von 1•10-6)
a‘:
Perzentil der Aussagesicherheit PC aus der Lognormalverteilung
(z.B. PC = 95%)
N:
Zahl der Prüflinge
20
Statistischer Ansatz (3) - Arbeitskurve für
Fatigue und Damage Tolerance
Weibullansatz
Statistische Abminderung
σ
o
=σ
∞
σ ult - σ
+
e
σ0 :
σult :
σ∞ :
α, β :
∞
⎡
β⎤
⎛
⎞
⎢ ⎜ logN ⎟ ⎥
⎢⎜
⎥
⎟
α
⎢⎝
⎠ ⎥
⎣
⎦
Oberspannung
Statische Festigkeit
Dauerfestigkeit
Formparameter
21
Ermittlung der Lebensdauer
Schädigungsberechnung gemäß der MINER- Regel
Lebensdauer / Austauschzeit
22
Voraussetzungen für den
Schadenstoleranznachweis
Bestimmung der Schadenstoleranzeigenschaften der Bauteile
• mit den in der Gefährdungsanalyse identifizierten Schäden
• als Basis für Inspektionsintervalle, Austauschzeiten oder andere
äquivalente, anerkannte Maßnahmen
Nachweis der Restfestigkeit zur Definition der zulässigen
Schadensgröße:
Nach Schadenswachstum muß die verbleibende Struktur die sichere
Last ohne Versagen ertragen
23
Bestimmung der Inspektionsintervalle
24
Statistischer Ansatz (3) –
Arbeitskurve für Damage Tolerance
Statistische Abminderung
Abminderung für Damage Tolerance
25
Ermittlung des Inspektionsintervalls
Schädigungsberechnung gemäß der MINER- Regel
Inspektionsintervall
26
Ergebnis des Fatigue Tolerance
Nachweises §571
Inspektionen und Austauschzeiten
oder
andere äquivalente, anerkannte Maßnahmen
Veröffentlichung der o.g. Vorgaben im Kapitel Lufttüchtigkeitsgrenzen
der technischen Handbücher
• von der Behörde genehmigt
• gesetzliche Vorgabe für den Betreiber
27
§ 602 Kritische Teile
Ein kritisches Teil ist ein Teil,
• dessen Versagen einen katastrophalen Ausfall zur Folge hätte und
• für das kritische Eigenschaften identifiziert wurden, die beherrscht werden
müssen, um den erforderlichen Grad der Unversehrtheit zu gewährleisten
Es muß eine Liste der kritischen Teile erstellt werden
Es müssen Prozeduren eingerichtet werden, die
• die kritischen Eigenschaften ermitteln
• Prozesse identifizieren, die Einfluß auf diese Eigenschaften haben
• Design- und Prozeßänderungen steuern, um
Qualitätssicherungsanforderungen des Part 21 zu erfüllen
28
Zusammenfassung
Die technische Zuverlässigkeit ist eine statistische Größe
Das Regelwerk der Zulassungsvorschriften dient zur Sicherstellung der
Zuverlässigkeit
Kontinuierliche Weiterentwicklung der Vorschriften findet statt, um den
Stand der Technik widerzuspiegeln und das Sicherheitsniveau zu
steigern
Die Zielsetzung der Vorschrift geht vor, gegenüber dem Vorschreiben
von Methoden
Die Gefährdungen müssen detailliert analysiert werden
Die Kombination verschiedener Maßnahmen sichert hohe
Zuverlässigkeit
29
Quellen
FAA Proposes rule § 29.571 (Docket No. FAA–2009–0413; Notice No.
10–04)
FAA Draft Advisory Circular AC 29-2, chapter 29.571B
Och, F., „Fatigue Strength“, AGARDograph No 292, Helicopter Fatigue
Design Guide, Nov. 1983 ISBN 92-835-0341-4
Jarosch, E., Stepan, A.: „Fatigue Properties and Test Procedures of
Glass Reinforced Plastic Rotorblades“, American Helicopter Society,
25th Annual National Forum, 1969, Paper No. 370
Bansemir, H., and Emmerling, S., ‘Fatigue Substantiation and Damage
Tolerance Evaluation of Fiber Composite Helicopter Components’,
Applied Vehicle Technology Panel (AVT), Application of Damage
Tolerance Principles for Improved Airworthiness of Rotorcraft, Corfu,
Greece, 21-22 April, 1996
30

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