Real Academia Sevillana de Ciencias
¿S f ti l i ?¿Se fatigan los aviones?
Jaime DomínguezPedro Arroyoy
Sevilla, 15 de marzo, 2016
Sí
Pero afortunadamente están controladasPero, afortunadamente, están controladas
• Todos los aviones en uno u otro momento tienen grietas producidas por fatiga.
• El problema que se plantea es controlar su evolución.
15/03/2016 2Real Academia Sevillana de Ciencias
Qué es la fatigaQué es la fatiga
Proceso PermanenteProgresivo Localizado
Cargas variables en el tiempo
Localizado
Requisitos Nivel suficiente de tensiones
Un número suficiente de ciclos
Resultado:
Se inicia una grieta, que progresa hasta alcanzar la rotura.
Frecuentemente, fallo catastrófico.
15/03/2016 3Real Academia Sevillana de Ciencias15/03/2016 3Real Academia Sevillana de Ciencias
Breve Historia
1829 P i b d d i í1829 Primeros ensayos sobre cadenas de minería
1840s y 50s Primeros fallos en ferrocarriles RuedasEjesPuentesíVías
Versalles, 8 de mayo de 1842
15/03/2016 4Real Academia Sevillana de Ciencias
Breve Historia
1850s y 60s Primeros ensayos sistemáticos (Wohler)
F F
A
max
min
B
B
R R
A Sección A-A
tM
siglo XX
Primer tercio Aplicación a la automoción
15/03/2016 5Real Academia Sevillana de Ciencias
Breve Historia
Añ 40 C i i d l bl d f ti bAños 40 Conciencia del problema de fatiga en barcos
15/03/2016 6Real Academia Sevillana de Ciencias
Breve Historia
Años 50 Primeros accidentes de aviación en los que se detectan claramente problemas de fatigadetectan claramente problemas de fatiga
1970 Introducción del criterio de diseño tolerante al dañoAplicación de la Mecánica de la Fractura
15/03/2016 7Real Academia Sevillana de Ciencias
Frecuencia relativa de los fallos por fatiga
Máquinas: Hitachi Estructuras de AeronavesMáquinas: Hitachi structuras de Aeronaves
15/03/2016 8Real Academia Sevillana de Ciencias
Frecuencia relativa de los fallos por fatiga
Motores de aeronaves
Razones de la alta frecuencia: dificultad de predicción con ensayos• Requieren un tiempo dilatado• Alta dispersión en los resultados• Dificultad de detección previaDificultad de detección previa
15/03/2016 9Real Academia Sevillana de Ciencias
¿Dónde se producen?
Sistemas sometidos a cargas variables: máquinas y estructuras
15/03/2016 10Real Academia Sevillana de Ciencias
¿Dónde se producen?
Sistemas sometidos a cargas variables: máquinas y estructuras
TelesillaCigüeñal Varal paso V. del Rocío15/03/2016 11Real Academia Sevillana de Ciencias
Proceso de fatiga
Iniciación o nucleación de una grietaCargas cíclicas Propagación de grietas pequeñasCargas cíclicas Propagación de grietas pequeñas
Propagación de grietaRotura final
5 mm
e = 4x10‐3; 30000 ciclos
N ciclos
5 mm
;
Cobre; e = 2x10‐3; 60000 ciclos
Carga Descarga
5 mm
e = 2x10‐3; 30000 ciclosCarga Descarga e = 2x10 3; 30000 ciclos
15/03/2016 12Real Academia Sevillana de Ciencias
Proceso de fatiga
Iniciación desde una inclusiónIniciación desde una inclusión
Acero 4340
Metallurgical Transactions, V. 4, 1973, 553‐9
15/03/2016 13Real Academia Sevillana de Ciencias
Proceso de fatiga
Crecimiento de grieta microestructuralmente pequeña
2024 T3; grano 30 mm
7075 T6517075 T651grano 40 mm
Cu, sin cargay con e =0,05
15/03/2016 14Real Academia Sevillana de Ciencias
Proceso de fatiga
Aleatoriedad del crecimiento de las grietas pequeñas
Metallurgical Transactions, V. 4, 1973, 553‐9
15/03/2016 15Real Academia Sevillana de Ciencias
Proceso de fatiga
Crecimiento posterior hasta el fallo
15/03/2016 16Real Academia Sevillana de Ciencias
Proceso de fatiga
Crecimiento posterior hasta el fallo
69 ensayos“idénticos”idénticos
15/03/2016 17Real Academia Sevillana de Ciencias
Factores que influyen sobre la resistencia
GeometríaMaterialTensiones aplicadasDeformaciones producidasDeformaciones producidasConcentración de tensionesAcabado superficialAcabado superficialTamañoTemperaturaAmbiente corrosivoTensiones residuales en el materialRecubrimientos superficialesRecubrimientos superficialesTratamientos térmicosIrregularidad de las cargasg g
15/03/2016 19Real Academia Sevillana de Ciencias
Factores que influyen sobre la resistencia
Efecto de secuencia
15/03/2016 20Real Academia Sevillana de Ciencias
Factores que influyen sobre la resistencia
Efecto de secuencia
15/03/2016 21Real Academia Sevillana de Ciencias
Factores que influyen sobre la resistenciaEfecto de secuencia en grietas
15/03/2016 22Real Academia Sevillana de Ciencias
¿Qué hacer para garantizar la seguridad?
Hasta los años 70:N í l t i t d l i t• No se conocía el comportamiento de las grietas
• Solo se conocía la resistencia global a cargas definidas
Solución adoptada Diseño a vida segura
¿Qué hacer?
Solución adoptada Diseño a vida seguraFail‐Safe
o Se somete al prototipo a cargas que reproducen las reales
o Ensayo del prototipo un número de ciclos varias veces la vida de diseño
L ió d l b “ i ” l id d di ñ d l io La superación de las pruebas “garantiza” la vida de diseño de la serie
Resultado esperado: “seguridad suficiente”, pero
• Altos coeficientes de seguridad• A veces, mayores pesos de los necesarios • Mayor inseguridad que en la actualidadMayor inseguridad que en la actualidad
15/03/2016 23Real Academia Sevillana de Ciencias
Resultado
Años 1950s
Calcuta, 2 de Mayo de 1953 . Avión: De HavillandDH‐106 Comet G‐ALYV, vuelo BOAC 783, Calcuta‐DelhiDelhi.
Desintegración en el aire
Elba, 10 de Enero de 1954. Avión: De HavillandDH‐106 Comet G‐ALYP, vuelo BOAC 781, Roma‐Londres.Londres.
Caída del avión envuelto en llamas
Nápoles 8 de Abril de 1954 Avión: De HavillandNápoles, 8 de Abril de 1954. Avión: De HavillandDH‐106 Comet G‐ALYY, vuelo SAA 201, Roma‐El Cairo.
l i 3 000 iRotura en el aire a 35.000 pies
15/03/2016 24Real Academia Sevillana de Ciencias
Accidentes en Aviones Comets
Ensayos de presurización realizados :• 1 ensayo a 2P.• Unos 2000 por encima de P.• Otros 16000 ciclos a P.Otros 16000 ciclos a P.
Fallo por fatiga iniciada en esquina de ventanilla cuadrada N>16000 ciclosciclos
Vida de diseño 10000.
Conclusión: Se consideró suficiente seguridad.
Sin embargo, los tres aviones accidentados soportaron alrededor de 1000 vuelos.
15/03/2016 25Real Academia Sevillana de Ciencias
Accidentes en Aviones Comets
Pruebas posteriores de comprobación en otro avión
Ensayos cíclicos de presurización entre 0 y P
Con agua para evitar riesgo de explosión
Resultado:F ll f i d d l i dFallo por fatiga desde la esquina de una ventanilla de emergencia después de 1830 ciclos + 1230 previos en funcionamiento (total 3060 ciclos)
Mucho menor de los 16000 de certificaciónMucho menor de los 16000 de certificación
15/03/2016 26Real Academia Sevillana de Ciencias
Accidentes en Aviones CometsRescatados los restos del accidentado en Elba
Se detecta el crecimiento de grietas por fatiga desde las esquinas de una ventanilla
C l ióConclusión:El ensayo inicial del prototipo a 2Pprovocó un aumento de la resistencia del mismo, algo que no ocurrió en el resto de los aviones.
15/03/2016 27Real Academia Sevillana de Ciencias
Accidentes en Aviones CometsRescatados los restos del accidentado en Elba
Se detecta el crecimiento de grietas por fatiga desde las esquinas de una ventanillaventanilla
Conclusión:El ensayo inicial del prototipo a 2Pprovocó un aumento de la resistencia del mismo algo que no ocurrió en el restomismo, algo que no ocurrió en el resto de los aviones.
Solución:Solución:Redondear las ventanillasEliminar los taladros alrededor de ellas
15/03/2016 29Real Academia Sevillana de Ciencias
Accidente de un F 111, USA
1969Origen: Crecimiento de una grieta en el ala d d d f t d l t i ldesde un defecto del material .
Ensayos en prototipo:Un número de ciclos de carga 4 veces la vida esperada sin fallo.
Problema:Puede haber aviones con algún defecto d l t i l l t i ldel material que no lo tuviera el prototipo.
15/03/2016 30Real Academia Sevillana de Ciencias
Cambio a criterio de diseño tolerante al daño
A áli i d l i
1974Análisis del origen de 64 accidentes
Desarrollo de laMecánica de la Fractura
Criterio de DiseñoTolerante al Daño
Desarrollo de los Métodosde Ensayos no Destructivosde Ensayos no Destructivos
15/03/2016 31Real Academia Sevillana de Ciencias
Dan‐Air (Cargo),Boeing 707‐321C14 de mayo, 1977, de Nairobi a Lusaka
Origen:Desprendimiento del estabilizador horizontal derecho y la deriva durante la maniobra dederecho y la deriva durante la maniobra de aproximación.
Resultado: cabeceo e impacto
Causa:Fallo por fatiga del larguero posterior del estabilizadordel estabilizador
15/03/2016 32Real Academia Sevillana de Ciencias
Dan‐Air (Cargo),Boeing 707‐321C
Algunas consideraciones
• El modelo 300 era una transformación del 100 con más cargas de fatiga y otra distribución de ellas entre elementos.
• No se hicieron ensayos de fatiga del modelo 300.
• Los procedimientos de inspección no pudieron detectar la grieta.Los procedimientos de inspección no pudieron detectar la grieta.
• Estabilizadores diseñados con el criterio de Fail‐safe, pero no funcionó como estaba previsto.p
• La violencia del fallo arrastró a la deriva, haciendo ingobernable el avión.
• Inspecciones posteriores encontraron grietas en el mismo lugar en 38 aviones B707‐300.
15/03/2016 33Real Academia Sevillana de Ciencias
American Airlines 191, DC‐10‐1025 de mayo, 1979, de Chicago a Los Ángeles
Origen:Desprendimiento del motor izquierdo durante el despegue y daño de los sistemas de control p g ydel ala izquierda.
R l dResultado: Entrada en pérdida del ala manteniendo la sustentación la derecha; giro del avión y colisión con el suelo.
Causa: Agrietado del pilón delCausa: Agrietado del pilón del motor durante el mantenimiento y crecimiento posterior por fatiga hasta l t d l tla rotura del soporte .
15/03/2016 34Real Academia Sevillana de Ciencias
American Airlines 191, DC‐10‐10Algunas consideraciones
Fijación del jsoporte al ala AlaSoporte
ó d l l
Fijación del soporte al ala
Construido en 1972.
• Mala práctica de mantenimiento, desmontando el motor unido al soporte .
Fijación del motor al soporte
• Inspecciones posteriores detectaron grietas en otros 6 aviones.• Continental Airlines había reparado previamente 2 aviones con grietas similares avisando a McDonnell‐Douglas pero no a la FAAsimilares, avisando a McDonnell‐Douglas pero no a la FAA.
Medidas adoptadas posteriormente:• Nuevas instrucciones para el montaje y desmontaje del motor• Nuevas instrucciones para el montaje y desmontaje del motor
15/03/2016 35Real Academia Sevillana de Ciencias
Aloha Airlines 243, Boeing 737‐20028 de abril, 1988, de Hilo a Honolulu
Origen:Descompresión brusca por pérdida de parte del fuselaje.
Resultado: Aterrizaje de emergencia en Maui con fuertes daños en la estructura d l ó í ldel avión y una víctima mortal
Causa: i i t d últi lCausa: crecimiento de múltiples grietas en la unión pegada y remachada de dos paneles del fuselaje (MSD o MSFC)
15/03/2016 36Real Academia Sevillana de Ciencias
Aloha Airlines 243, Boeing 737‐200
Proceso de fallo
• El despegue parcial de la• El despegue parcial de la unión: picado y corrosión bajo tensión
• Crecen grietas por corrosión‐fatiga en los bordes de varios taladros y se unen entre sí.
• Rotura final de la unión y separación de parte del fuselajefuselaje
15/03/2016 37Real Academia Sevillana de Ciencias
Aloha Airlines 243, Boeing 737‐200
• Construido en 1969.
Algunas consideraciones
Construido en 1969.
• 89.680 ciclos de vuelo (originalmente diseñado para 75000).
• Funcionando en ambiente salino, más corrosivo que el de ensayo.Funcionando en ambiente salino, más corrosivo que el de ensayo.
• Boeing cambió el diseño de la unión por haber detectado problemas de despegue.
• Aloha había encontrado antes una grieta de 20 cm en la misma unión en otro avión.
• Boeing hizo unas recomendaciones no obligatorias de revisión de esas uniones, pero Aloha no las había seguido.
• Aún no se consideraba en el diseño la posibilidad de MSD• Aún no se consideraba en el diseño la posibilidad de MSD.
Medidas adoptadas posteriormente:• Nuevas instrucciones de inspección considerando MSD• Nuevas instrucciones de inspección considerando MSD.
15/03/2016 38Real Academia Sevillana de Ciencias
United Airlines 232, DC‐10‐1019 de julio, 1989, de Denver a Chicago
Origen:Origen:Rotura de un disco del compresor de l motor trasero.
f lLos fragmentos desprendidos dañaron los tres sistemas hidráulicos a bordo, afectando gravemente al control del vehículo.
Resultado: rotura en dos del avión durante el aterrizaje de emergencia en
dSioux e incendio posterior
Causa: Iniciación y crecimiento de una grieta desde un defecto en la zona central del discozona central del disco
15/03/2016 39Real Academia Sevillana de Ciencias
United Airlines 232, DC‐10‐10
• Construido en 1971
Algunas consideraciones
Construido en 1971.
• Fallo en la detección del defecto del disco a la puesta en servicio.• Fallo en la detección de la grieta durante el crecimiento .g
• No hubo trazabilidad en las inspecciones al disco que falló.• Posteriormente se encontraron defectos en otros dos discos de la misma
d dserie, tampoco detectadas previamente.
• Análisis posteriores encontraron líquidos penetrantes en el disco accidentado, indicativo de que la grieta existía en la última inspección., q g p
Medidas adoptadas a posteriori:• El proceso de fabricación de los discos se modificó para evitar defectosEl proceso de fabricación de los discos se modificó para evitar defectos.
• Los sistemas hidráulicos se modificaron para evitar la pérdida de fluido en los sistemas más sensibles.
15/03/2016 40Real Academia Sevillana de Ciencias
El Al 1862 (Cargo), Boeing 7474 de octubre 1992, de Amsterdam a Tel Aviv
Origen:Rotura de la fijación del motor nº 3 y desprendimiento del mismo.pDañado del ala entre el motor 3 y 4 y choque contra el motor 4, desprendiéndolo.
Resultado: Pérdida del control del avión, que se estrella en un barrio cercano al aeropuerto
Causa: Rotura por fatiga de uno de los bulones de fijación de la estructura soporte del motor al alaestructura soporte del motor al ala.
15/03/2016 41Real Academia Sevillana de Ciencias
El Al 1862 (Cargo), Boeing 747Proceso de fallo
Sistema de fijación del motor al alamotor al ala
Secuencia de fallo
Fallo por fatiga del bulón central izquierdo
15/03/2016 42Real Academia Sevillana de Ciencias
El Al 1862 (Cargo), Boeing 747Proceso de fallo
Secuencia del movimiento del motor desprendido afectando almotor desprendido, afectando al ala y su control y al motor nº 4,
que se desprende
15/03/2016 43Real Academia Sevillana de Ciencias
El Al 1862 (Cargo), Boeing 747Algunas consideraciones
• Construido en 1965.• Los bulones forman parte de un sistema de seguridad (fusibles mecánicos). para fallar ante sobrecarga y permitir el desprendimiento del motor.para fallar ante sobrecarga y permitir el desprendimiento del motor.
• La resistencia definida para obtener una secuencia de fallo determinada.
• El fallo no se produjo con la secuencia deseada.• Se encontraron daños por fatiga en otros en bulones y orejetas de otros aviones.
Medidas adoptadas posteriormente:• Rediseño del sistema de fijación evitando zonas con riesgo de fatiga.
• Aplicación de criterios de tolerancia al daño.• Mejora de los métodos de inspección y redefinición de los intervalos.
15/03/2016 44Real Academia Sevillana de Ciencias
JAL 123, Boeing 74712 de agosto, 1985, de Tokio a Osaka
Origen:Fractura y despresurización por fractura de la mampara posterior de la cabina, con avería de p p ,los circuitos hidráulicos y pérdida del control.
Resultado: 30 minutos después se estrella contra una montaña
Causa: Defectuosa reparación de los desperfectos producidos en la mampara posterior durante un p pdespegue en 1978.
15/03/2016 45Real Academia Sevillana de Ciencias
JAL 123, Boeing 747Algunas consideraciones
• Un accidente al despegar en 1978 dañó el cierre trasero de la cabina y hubo que sustituir la mitad inferior del hemisferio.
• Un error en la reparación hizo que la unión estuviera soportada solo por una línea de remaches ademássoportada solo por una línea de remaches, además con una pequeña componente de flexión.
• Las tensiones producidas en la fila de remaches provocó la iniciación y crecimiento de grietas entre ellos.
• Las grietas entre remaches se unieron provocando• Las grietas entre remaches se unieron, provocando (MSD ).
15/03/2016 46Real Academia Sevillana de Ciencias
JAL 123, Boeing 747Algunas consideraciones
Resumen:• Error en la reparación produciendo tensiones• Error en la reparación, produciendo tensiones superiores a las de diseño.
Recomendaciones posterioresRecomendaciones posteriores:• Modificar los programas de inspección.
difi l i hid á li l d f ll• Modificar el sistema hidráulico en la zona de fallo para garantizar que las reparaciones no modifican las condiciones de diseño fail‐safe.
15/03/2016 47Real Academia Sevillana de Ciencias
China Airlines 611, Boeing 74725 de mayo 2002, de Taipei a Hong Kong
Origen:Fractura y despresurización por crecimiento de una grieta desarrollada a partir de un defecto g pmal reparado 22 años antes.
Resultado: Desintegración en el aire
Causa: C i i t d i t d dCausa: Crecimiento de grietas desde defectos causados al rozar la cola con el suelo en un aterrizaje en 1980.
15/03/2016 48Real Academia Sevillana de Ciencias
China Airlines 611, Boeing 747Proceso de fallo
• El aterrizaje de 1980 dañó la zona marcada de la cola.
• El refuerzo colocado menor del recomendado por Boeing
• Las marcas de la chapa hicieron de zonas de inicio de grieta.
• Las grietas se unieron a las generadas en la línea de remaches provocando (MSD )remaches, provocando (MSD )
15/03/2016 49Real Academia Sevillana de Ciencias
China Airlines 611, Boeing 747Algunas consideraciones
• Entrada en servicio en 1979.
• En piezas recuperadas del fuselaje se encontró una grieta de 40En piezas recuperadas del fuselaje se encontró una grieta de 40 cm, unida a otras asociadas a MSD.
• Análisis posteriores permitieron estimar que la grieta final tenía más de un metro de longitud.
• Seis meses antes en una inspección se vieron manchas i t áti d l i t i d i t i d tsintomáticas de la existencia de grietas sin que se adoptaran medidas.
RResumen:• Reparación defectuosa sin seguir las directrices del fabricante.
15/03/2016 50Real Academia Sevillana de Ciencias
Lockheed C‐130A17 de junio, 2002
Origen:Durante las operaciones de extinción de un incendio en California, ambas alas se doblan hacia arriba y se desprenden.
Resultado: Destrucción del avión
CCausa: MSD en las líneas de remaches del revestimiento inferior del ala derecha.
Medidas adoptadas: Acuerdo entre el Servicio de Bosques de California y la FAA par a revisar los programa de mantenimiento a la vista de la edad dey la FAA par a revisar los programa de mantenimiento a la vista de la edad de la flota
15/03/2016 51Real Academia Sevillana de Ciencias
CONCLUSIONES
• Normalmente aparecen grietas en los aviones.
• El diseño tolerante al daño pretende garantizar que no se producen accidentes.
• Los sistemas de inspección y la aplicación de la mecánica de la fractura permiten detectarlas antes de que se produzcan fallo.
• Un gran número de los accidentes ocurren por errores en las operaciones de mantenimiento.
• Raras veces aparece un tipo de fallo no previsto.
• Las mejoras de las condiciones de acreditación y de• Las mejoras de las condiciones de acreditación y de recomendaciones de mantenimiento hacen cada vez más difícil la ocurrencia de accidentes producidos por fatiga.p p g
15/03/2016 52Real Academia Sevillana de Ciencias