Estrategias de Diseño para Minimizar la Fatiga en Orificios de Estructuras Aeronáuticas

Fatiga y Configuración de Orificios en Estructuras Aeronáuticas

La fatiga es uno de los problemas más temidos que afectan a la estructura de las aeronaves. Los ensayos de laboratorio y las experiencias de servicio son las únicas pruebas que evidencian este fenómeno. Es por eso que, con el tiempo, se han desarrollado nuevos materiales y aleaciones, así como métodos de fabricación y tratamientos preventivos para minimizar las fallas causadas por fatiga.

La resistencia a la fatiga puede entonces cuantificarse y controlarse mediante una apropiada selección de los niveles de tensión durante la operación en servicio y la elección de detalles de diseño y materiales adecuados.

Concentración de Tensiones y Discontinuidades

Las discontinuidades en elementos estructurales producen un patrón de tensiones similar al flujo de un fluido cuando es desviado por efecto de un cambio de área o sección. La magnitud de esta interrupción del patrón de tensiones se mide mediante un factor de concentración de tensiones (Kt).

En consecuencia, cuanto mayor sea el cambio en el área de la sección transversal, mayor será la intensidad de las tensiones, lo que causa un incremento de la sensibilidad a la falla por fatiga. Por todo esto, la magnitud de la concentración de tensiones en el diseño de una reparación es probablemente el factor más importante que determina la vida en servicio de un elemento estructural.

Las características de fatiga de un orificio pueden cambiarse radicalmente modificando el acabado final del mismo. Las fallas por fatiga en la estructura de una aeronave han sido detectadas principalmente en los orificios para pernos, ranuras y radios de empalmes.

Efecto de la Carga de Tracción vs. Compresión

Las experiencias de laboratorio demuestran que, en un mismo modelo o probeta con un orificio sometido a tracción y luego a compresión, la concentración de tensiones es más alta bajo el esfuerzo de tracción que bajo el de compresión. Las fallas en un material ocurren siempre en los puntos de mayor concentración de tensiones generadas por carga de tracción.

Métodos para Aumentar la Vida Útil por Fatiga

El objetivo de aumentar la vida de fatiga de un elemento estructural en áreas de concentración de tensiones consiste en obtener tensiones residuales de compresión. Esto puede interpretarse como una precarga en el área del material donde se presenta una consecuente deformación plástica. En la práctica, las tensiones residuales de compresión se obtienen sobrecargando un área para obtener una fluencia local del material.

A los componentes de las estructuras aeronáuticas se les aplican generalmente los siguientes métodos:

• Compactado en frío para orificios (Cold Working)
• Bombardeo con bolillas para orificios y superficies (Shot Peening, Flap Peening)
• Ranuras acunadas (Coining), para contornos de orificios, aberturas y superficies.