Master's Thesis

Wing fatigue safe life investigation of single-engine multipurpose aircraft

Final Thesis 9.84 MB Appendix 11.7 MB

Author of thesis: Ing. Jan Hubáček

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: Ing. Ladislav Chybík

Reviewer: doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D.

Abstract:

The Diploma Thesis deals with fatigue safe-life estimation of critical wing cross-section of an aircraft. The aircraft type is specified as all-metal high-wing strut monoplane. Aircraft is certified under FAR 23 Amendment 23-46 regulations.  Wing safe-life estimation is evaluated in respect to methods listed in FAR 23 and its advisory circulars.
\\
The theoretical part of diploma thesis reviews the project bases and literature.  It briefly introduces project background, reasons for fatigue life calculation and aircraft subjected to fatigue analysis. Subsequently literature review was focused on requirements of standards, advisory circular documents and and research in field of fatigue life.
\\
Second part of the thesis is focused on a computational analysis and a software development. First sub-part of computational analysis includes preparation of input data, including V-n diagram calculation, mission profile estimation, wing load distribution, critical cross-section stress analysis. Then detail analysis of fatigue was evaluated in respect to fatigue characteristics estimation, cumulative damage and fatigue life calculation with defined mission profile, wing safe life estimation.

Keywords:

fatigue, safe-life, wing, strut, turboprop, FAR 23, AC23-13A, ACE100, AFS-120-73-2, damage calculation, spectra, SMG-92, Finist

Date of defence

16.06.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svou diplomovou práci. Tu doplnil porovnáním dvou typových letů a jejich vlivem na analýzu životnosti. Následně se rozvinula diskuse na téma únavy a únavových zkoušek leteckých konstrukcí.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Aircraft Design (M-STL)

Composition of Committee

prof. Ing. Antonín Píštěk, CSc. (předseda)
doc. Ing. Ivo Jebáček, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Robert Popela, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miloslav Petrásek, CSc. (člen)
Ing. Miroslav Šplíchal, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Štrůbl (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ladislav Chybík

Cílem diplomové práce je výpočet životnosti kritického řezu křídla letounu SMG-92, nicméně práce je koncipována šířeji tak, že zahrnuje i problematiku výpočtu zatížení letounu, průběhů zatížení po rozpětí křídla, napjatostní analýzu vybraných řezů na křídle a identifikace kritického řezu.

V úvodu práce se diplomant seznámil s projektem, jeho historií a záměry současného vlastníka projektu.  Letoun byl vyvíjen v Rusku a certifikován v Maďarsku v roce 2000, diplomant se proto musel vyrovnat s dokumentací tvořenou bez podpory výpočetní techniky a popisovanou v azbuce. Ačkoliv se jednalo o první praktické setkání diplomanta s výkresovou dokumentací, rychle pochopil systém a specifika tvorby dokumentace a kusovníků a byl schopen samostatně vyhledávat potřebná data. K výpočtu zatížení letounu bylo možné využít pouze údajů z typového certifikátu a letové příručky, proto neúplné informace musel nahradit buď kvalifikovaným odhadem nebo přípustnými zjednodušeními. V teoretické části definoval požadavky předpisů a dohledal použitelné poradní materiály, shrnul teoretické podklady a názvosloví v životnosti obecně a popsal specifika v letectví. Pro výpočet zpracoval a validoval vlastní výpočtový software. Vedoucí diplomové práce velmi kladně hodnotí záměr zpracovat diplomovou práci v anglickém jazyce, neposuzuje anglický pravopis, nicméně textovou a grafickou úpravu považuje za srozumitelnou a přehlednou. Drobným nedostatkem je nesprávné dělení slov v textu.

Při vedení diplomové práce byl vedoucím kladen důraz na samostatnost při navržení variant řešení jednotlivých dílčích problémů a na rozvinutí schopností argumentovat a rozhodovat. Diplomant docházel k četným pravidelným konzultacím s vedoucím i se specialistou na životnost vždy dobře připraven. K práci přistupoval aktivně a se zájmem, držel se naplánovaného harmonogramu. Využil také možnosti prohlídky letounu.

Práce je hodnotná a dává diplomantovi dobré předpoklady k uplatnění znalostí v oboru. Cíle práce byly splněny.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: A

Práce se zabývá výpočtem bezpečné únavové životnosti křídla letounu SMG-92 Turbine Finist, který byl realizován v souvislosti s aktivitami současného držitele typového certifikátu tohoto letounu, české firmy Praga Avia. Diplomant se po úvodním představení letounu a dosavadní historie jeho vývoje věnuje jeho připravované certifikaci u Evropské agentury pro bezpečnost letectví (EASA), která má být založena na transferu již existujícího staršího typového certifikátu provedeného podle předpisu FAR-23 (TCDS transfer). Na tuto část plynule navazují pasáže týkající se předpisových požadavků pro oblast únavové životnosti, základů únavy materiálů a únavy leteckých konstrukci. Zde se diplomant nevyhnul některým nepřesnostem (např. v rovnici Gerberovy korekce na vliv středního napětí nebo v případě tvrzení, že Palmgren-Minerova hypotéza kumulace únavového poškození je inherentně konzervativní). Následně jsou zpracovány vstupy do únavového výpočtu – stanoveny obálky zatížení, spočteno zatížení křídla, provedena napěťová analýza a vytipováno únavově kritické místo v oblasti uchycení vzpěry křídla. Diplomant pro vlastní únavový výpočet křídla letounu SMG-92 použil SW MS Excel a standardní výpočtový model zohledňující všechna relevantní zatěžovací spektra (poryvové, manévrové, pojezdové, od přistávacího rázu) a cykly Z-V-Z. Kladně lze hodnotit, že svůj model verifikoval porovnáním s výsledky připravenými s využitím referenčního SW ACE100 poskytovaného pro tento typ analýz FAA. Z čistě akademického hlediska je možné snad jen vytknout skutečnost, že se analýza omezila jen na jeden typický profil letu odpovídající využití letounu pro výsadky parašutistů.
Všechny v zadání stanovené cíle byly splněny a diplomovou práci proto doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová