Question:
À quel point les vieux avions étaient-ils «sur-conçus» et dans quelle mesure sont-ils «sur-conçus» maintenant que nous disposons d'options de test et de recherche plus avancées?
Canuk
2015-12-26 13:40:31 UTC
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J'ai vu plusieurs fois des émissions à la télévision, et même des discussions avec des pilotes plus âgés, où ils me diront que les anciens avions étaient "sur-conçus" pour ajouter une certaine marge d'erreur sur les calculs d'ingénierie conçus. Bien sûr, aucune précision n'est donnée, et je pensais donc à l'ère actuelle des ordinateurs ultra-rapides, de meilleures souffleries, de nouveaux outils logiciels et des décennies d'expérience réelle, lorsque les gens conçoivent de nouveaux avions, quelle marge par rapport à eux les concevoir maintenant?

Il semble que la confiance dans la modélisation informatique semble être assez élevée, et «sur-ingénierie» semble avoir généralement signifié rendre les choses plus fortes que ce dont elles «ont besoin», des éléments plus renforcés , toutes les choses qui ajoutent au coût et au poids d'un avion qui sont des facteurs qui sont en contradiction avec la rentabilité et les performances.

Que voulez-vous dire par «ancien»? On ne peut pas dire que les avions d'avant 1920 étaient surdimensionnés, car ils étaient à peine capables de voler sur de courtes distances avant que leur moteur ne cale ou que leurs ailes en bois et en toile ne se brisent.
@vsz Je pense qu'il serait juste de considérer le grand nombre de Cessnas, Pipers et autres encore en vol qui ont été construits dans les années 1940-1970 comme «vieux», et tout ce qui a suivi (qui a pu profiter des ordinateurs, du vent tunnels, etc.) d'âge moyen ou neuf.
@vsz Je ne pense pas que les avions d'avant 1920 étaient, en tant que classe, aussi incapables que cela: de nombreux avions de la Première Guerre mondiale (1914-18) étaient capables d'acrobaties et avaient une portée de centaines de miles.
Considérez la quantité de moteurs utilisés dans un avion - les avions plus anciens avaient tendance à en avoir plus que nécessaire (4) simplement parce qu'ils voulaient que l'avion continue de voler même si deux moteurs tombaient en panne, par rapport aux avions modernes qui continueront généralement à voler avec un seul moteur en panne ( avec deux moteurs normalement)
@WayneConrad: si vous regardez les statistiques, vous verrez que près de la moitié des victimes des équipages étaient des accidents plutôt que des tirs ennemis.
@SlippD.Thompson Je suppose que j'étais un peu vague. Je pensais aux années 1930-1970. Ce qui a suscité la question était la série de Smithsonian sur "Les avions qui ont changé le monde" où ils ont présenté le DC-3 et ils ont parlé de la façon dont il était "sur-conçu" mais ont simplement jeté ce terme sans définition.
Cinq réponses:
#1
+33
Peter Kämpf
2015-12-26 20:44:44 UTC
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Vous avez raison de dire que les conceptions plus anciennes utilisaient (et nécessitaient!) des marges de sécurité plus élevées. Je n'appellerais cependant pas cela de l'ingénierie. Mais cela n’est pas le problème.

Les plus grandes avancées ont été faites dans les matériaux! Pas seulement de nouveaux alliages, mais un contrôle qualité bien meilleur dans la fabrication. Les feuilles et plaques d'aluminium que vous obteniez dans une usine il y a 50 ou 80 ans présentaient des variations beaucoup plus importantes de résistance locale et de résistance entre les différents lots de production. Il en va de même pour les fixations, les pièces forgées, peu importe. La fabrication contrôlée par ordinateur et les efforts incessants pour améliorer la qualité et la cohérence ont rendu cela possible. Seul le bois est toujours le même qu'à l'époque, mais Basil Bourque a raison: le traitement du bois s'est également amélioré à pas de géant.

Mais maintenant, considérons ce que nous faisons lorsque nous stressons une aile: nous utilisons le coefficient de portance statique maximum, ajoutez la déflexion des ailerons et utilisez ce moment de flexion à v $ _A $ pour dimensionner notre longeron d'aile. Nous faisons cela en appliquant un facteur de sécurité de 1,5 (§25.303). Pour les pièces avec un processus de production plus sujet aux erreurs, des facteurs supplémentaires doivent être ajoutés ( voir §25.619).

Et maintenant, considérez ce qui se passe dans le monde réel: La portance maximale dynamique Le coefficient, qui n'obéit pas aux règles et règlements imposés par la FAA, sera facilement 1,3 fois plus grand que le coefficient de portance statique utilisé pour solliciter le longeron d'aile. Lors des tests, jusqu'à 150% ont été atteints. Vous fait penser à quel point ce facteur de sécurité est vraiment raisonnable. Bien que nous comprenions très bien les charges statiques (car elles sont faciles à étudier), les charges dynamiques et de fatigue surprennent encore de temps en temps les ingénieurs. Une petite marge supplémentaire peut parfois être très utile.

Sur l ' Eurofighter, le facteur de sécurité structurel a en effet été réduit à 1,4 avec le raisonnement qu'une modélisation et une simulation plus précises permettraient d'utiliser un marge plus petite.

Si vous souhaitez ajouter un exemple concret de dépassement du facteur de sécurité de 1,5 dans une situation dynamique, vous pouvez vous reporter à [American Airlines 587 (pdf)] (http://www.ntsb.gov/investigations/AccidentReports/Reports/AAR0404 .pdf). La page 61 montre les charges de conception limites et ultimes, ainsi que les charges créées par les entrées de l'équipage.
@DeltaLima: C'est un bon exemple de charges dynamiques qui auraient été presque triviales à calculer, mais qui n'étaient pas couvertes par la réglementation. Le facteur de sécurité est bon, ce qui manquait était la conséquence d'entrées répétées à la fréquence propre du mouvement de lacet. Airbus s'est conformé à la lettre, mais pas à l'esprit de la loi (imparfaite!) Dans ce cas. Un bon ingénieur pourrait et anticiperait les charges plus élevées.
Est-ce vraiment quelque chose qui aurait pu être anticipé? Bien sûr, vous pouvez supposer qu'un pilote fera à peu près n'importe quoi à l'avion, mais dans quelle mesure est-il réaliste étant donné que les pilotes sont censés être hautement qualifiés et ne pas placer ce genre de charges sur la cellule? De plus, les Airbus modernes (quel est le pluriel d'Airbus?!) Volant en droit normal ne permettront pas à ce type d'entrée d'atteindre la surface de contrôle de toute façon.
Je me demande simplement, de toute évidence, les pilotes sont des humains et font des erreurs, mais le taux est-il si élevé que les marges de sécurité doivent être augmentées pour que les pilotes ne déchirent pas accidentellement leurs avions en plein vol? Cela ne semble pas arriver très souvent d'après ce que je peux dire.
@JustSid: Oui, la plupart des pilotes savent ce qu'ils font. Sur les avions plus petits sans augmentation de puissance, ils ressentent des forces de contrôle ce qu'ils font à leur avion. Mais certains sont trop confiants et ne réalisent pas à quel point ils opèrent près des limites. Comme le pilote de certification britannique du Do-228 qui a permis au trim de fonctionner complètement en avant et qui n'a pas pu se retirer du piqué résultant. Vous êtes censé réagir dans les 1,5 s suivant le début du dysfonctionnement du trim. Si vous attendez trop longtemps, c'est tout. Ses derniers mots ont été "aidez-moi sur le bâton!". C'est une caractéristique générale des complexes ...
@JustSid: ... systèmes techniques qu'ils sont plus complexes sous le capot que la plupart des opérateurs ne le supposent. S'ils ne respectent pas les règles, ils peuvent mourir, que ce soit dans une centrale nucléaire (Tchernobyl est un cas classique) ou dans un avion. Seules très peu de personnes ont les connaissances détaillées pour définir les règles, mais elles ne font pas fonctionner l'équipement.
@PeterKämpf Je comprends parfaitement d'où vous venez, et je comprends par trop de confiance, mais est-ce quelque chose qui devrait être corrigé en renforçant la cellule? Évidemment, je ne veux pas suggérer de surcharger les pilotes avec des choses qu'ils doivent garder à l'esprit, mais pour moi en tant que profane absolu, il semble que piloter l'avion dans ses contraintes ne devrait pas être trop difficile, d'autant plus que la plupart des avions de nos jours ramenez-le au sol en une seule pièce.
Comme vous pouvez le voir, je suis un programmeur, je préfère que l'utilisateur soit réparé que l'ingénieur doit le faire: p
Un exemple célèbre de tolérances de fabrication plus faibles à l'époque de la Seconde Guerre mondiale était un lot de moteurs défectueux fabriqués par Wright Aeronautical Corporation: https://en.wikipedia.org/wiki/Curtiss-Wright#Defective_parts_sold_to_U.S._military_in_World_War_II. C'était la base de la pièce d'Arthur Miller All My Sons.
@JustSid: vous pouvez toujours renforcer quelque chose, mais vous pouvez également installer de la discipline chez les opérateurs et les inspecteurs pour faire fonctionner un équipement optimisé en toute sécurité. Où tracez-vous la ligne? Souhaitez-vous rendre l'aile et les volets suffisamment solides pour étendre les volets à toute vitesse? Les compteurs des compagnies aériennes n'achèteraient pas le produit. Nous sommes arrivés où nous en sommes par essais et erreurs et avons déjà une situation sûre à 99,99%.
«Seul le bois est toujours le même qu’à l’époque.» En ce qui concerne le bois, cela ne s’est-il même pas amélioré de façon spectaculaire ces dernières décennies avec la fabrication moderne de contreplaqués? Un meilleur contrôle des processus, une meilleure mise en forme, de meilleures colles et résines? (Je ne suis pas un expert)
@PeterKämpf - bien sûr, faire en sorte que le mauvais fonctionnement soit bénin est la meilleure solution - pour votre cas de volets, au lieu d'avoir quelque chose de * cassé * si vous dépassez Vfe et essayez d'étendre les volets, ce qui fait que les actionneurs de volets calent / sont repoussés par les charges aériennes (c.-à-d. le soulagement de la charge des volets entraînés par la charge aérienne) serait une meilleure solution, non?
Le bois @Basil Bourque LVL a également été amélioré en taille / longueur; Il y a également eu d'énormes améliorations sur la qualité des bois massifs: imagerie automatisée par ordinateur, contrôles automatisés aux rayons X, etc.
Merci pour la bonne réponse. Je suppose que c'est pourquoi j'ai utilisé le terme sur-ingénierie dans des citations effrayantes, je savais qu'il y avait un meilleur mot ou une meilleure phrase pour ce que j'essayais de demander. Quand j'y pense, je demandais probablement ce que vous avez appelé des marges de sécurité plus élevées et @aeroalias appelé des estimations de charge plus prudentes, mais vous avez certainement répondu à ma question.
@BasilBourque Vous avez raison, le traitement s'est considérablement amélioré. Je pensais aux matières premières.
#2
+15
DeltaLima
2015-12-26 20:11:37 UTC
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Le facteur légal de "sur-ingénierie" n'a pas été changé depuis 1970:

FAR Partie 25, section 303:

Sauf autrement spécifié, un coefficient de sécurité de 1,5 doit être appliqué à la charge limite prescrite qui sont considérées comme des charges externes sur la structure. Lorsqu'une condition de chargement est prescrite en termes de charges ultimes, un facteur de sécurité n'a pas besoin d'être appliqué, sauf indication contraire.

[Amdt. 25-23, 35 FR 5672, avr. 8, 1970 ]

#3
+12
aeroalias
2015-12-26 20:20:07 UTC
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La suringénierie est un concept d'ingénierie de la valeur, pas de conception d'aéronefs. En général, la sur-ingénierie signifie rendre la conception plus robuste ou inutilement compliquée que nécessaire. En ce sens, je dirais que les avions sont / ont rarement été sur-conçus. Les avions plus anciens étaient plus prudents dans la détermination des charges.

Dans la conception structurelle de tout avion, le concepteur essaie de rendre l'avion sûr en un certain nombre d'étapes:

  • Le facteur de sécurité (qui pour les avions de transport, est 1.5)

  • Propriétés matérielles conservatrices

  • Charges conservatrices.

Le processus suivi maintenant est à peu près le même; cependant, les ingénieurs sont capables de déterminer les charges agissant sur les structures avec une plus grande précision par rapport aux temps antérieurs et sont en mesure d'optimiser la structure en conséquence. Le facteur de sécurité et la prise en compte des propriétés conservatrices des matériaux n'ont pas beaucoup changé.

Bien que l'on puisse dire que, par exemple, rendre le longeron de l'aile plus épais que nécessaire pour tenir compte des charges imprévues est bon du point de vue structurel, il est mauvais du point de vue performances / poids / consommation de carburant. Le problème est que si le concepteur renforce sciemment le facteur de sécurité plus que nécessaire, il réduit en fait les performances de l'avion. En conséquence, la sur-ingénierie (plus que la conception ou les exigences réglementaires) est une simple mauvaise conception et n'est pas recommandée.

En bref, le processus n'a pas changé au fil du temps - c'est simplement que les outils se sont améliorés et que plus de données sont disponibles.


Il y a d'autres problèmes ici - les avions comme le F-35 Lightning II sont souvent appelés sur-machinés, mais le fait est qu'ils ont été conçus pour les spécifications données. Par exemple, le F-35 était requis par conception pour exécuter les tâches d'un certain nombre d'aéronefs et, en tant que tel, traverse une période d'ingénierie très difficile.

+1 pour souligner la différence entre «sur-ingénierie» et marge de sécurité. Tous les ingénieurs en mécanique et en génie civil qui s'occupent de systèmes critiques pour la sécurité utilisent les marges de sécurité dans leurs calculs. L'industrie aérospatiale n'est pas différente. «Sur-ingénierie» signifie normalement rendre un système plus compliqué qu'il n'en a vraiment besoin pour faire le même travail. Cela a généralement pour résultat des systèmes robustes _less_, car les systèmes plus complexes ont plus de choses qui peuvent mal tourner.
#4
+3
NPSF3000
2015-12-27 13:56:00 UTC
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Sur une note différente des autres réponses, il y a eu quelques articles indiquant que de nouvelles conceptions de type «os» sont envisagées et mises en œuvre par des sociétés comme Airbus.

Airbus s'est associé à Autodesk pour repenser la conception de ces modestes partitions. Sa nouvelle partition a fait ses débuts aujourd'hui lors de la conférence de l'Université Autodesk à Las Vegas et, grâce à l'impression 3D et à de nouveaux algorithmes sauvages basés sur la moisissure visqueuse et la croissance osseuse, elle ne pèse que 66 livres. Les partitions actuelles d’Airbus pèsent chacune 143 livres. «Notre objectif était de réduire le poids de 30%, et nous avons globalement obtenu une réduction de poids de 55% », déclare Bastian Schaefer, responsable de l'innovation chez Airbus. "Et nous sommes juste au début." http://www.wired.com/2015/12/airbuss-newest-design-is-based-on-slime-mold-and-bones/

Il existe même des designs futuristes assez impressionnants:

enter image description here

http://www.airbus.com/innovation/ futur-par-airbus / l'avion-concept /

http://www.smithsonianmag.com/arts-culture/aircraft-design-inspired-by-nature- et-enabled-by-tech-25222971 /? no-ist

Rassurez-vous, ce plan conceptuel décrit est aussi susceptible de devenir réalité que ces pronostics sur l'an 2000 des années 50. Écrire ceci depuis mon habitat sous-marin qui ne peut être atteint qu'en voiture volante. Oui en effet!
@PeterKämpf est sûr que c'est pourquoi je dirige avec un article montrant comment ces techniques sont considérées (à petite échelle) aujourd'hui. Le fait n'est pas que c'est LE FUTUR, mais plutôt qu'il y a de la place pour améliorer les conceptions actuelles, en partie en utilisant des techniques de CAO nouvelles et améliorées. Je pense que le PO pourrait être intéressé par de tels développements.
Il y a de nombreuses petites pièces dans les avions d'aujourd'hui qui peuvent grandement bénéficier d'un peu plus d'attention. La plupart sont des compromis restants qui ont fonctionné suffisamment bien pour ne pas être examinés en détail plus tard, de sorte qu'ils n'ont jamais été analysés ou optimisés correctement.
Cette structure est-elle vraiment futuriste, ou est-elle en train de revoir les géodésiques de Barnes Wallis de la Seconde Guerre mondiale?
@PeterKämpf Voulez-vous élaborer un peu sur ces détails? Cela semble beaucoup plus intéressant que l'image ci-dessus!
@PavelPetrman consultez cet exemple: http://www.wired.com/2015/12/airbuss-newest-design-is-based-on-slime-mold-and-bones/
#5
+2
Steve H
2015-12-26 19:56:02 UTC
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Je pense que le calcul des contraintes et des charges n'est pas meilleur qu'il y a 50 ans. Les ingénieurs comprenaient alors les forces et la physique comme aujourd'hui. Ils ont simplement utilisé une règle à calcul au lieu d'un logiciel, mais ils ont obtenu les mêmes résultats. Au lieu de modéliser les choses, ils en construisent de vraies et les testent. Ils ont obtenu les mêmes réponses. Ils ont construit une aile, l'ont pliée jusqu'à ce qu'elle se brise et ont découvert sa force et ont pu en construire une selon les spécifications de charge nécessaires sans la surconstruire. Les logiciels modernes obtiennent simplement des résultats moins chers et plus rapides.

Les grandes différences entre hier et aujourd'hui sont les matériaux et l'évolution du système. Ne pas calculer les forces et les contraintes.

Vous ne pouvez pas calculer les contraintes / déformations / déplacements dans un système mécanique arbitraire, du moins pas de manière analytique (solution de forme fermée) et pas très précisément. Mais vous pouvez obtenir des résultats très précis avec une marge d'erreur connue avec la mécanique numérique, par ex. avec la méthode des éléments finis (FEM). En bref, je ne suis pas du tout d'accord avec votre déclaration de calculs. En passant, je pense que les expériences sont toujours utiles et toujours utilisées pour valider vos modèles mécaniques. Cependant, je suis d'accord avec votre déclaration d'évolution des matériaux et de la construction.
Veuillez noter qu'il existe encore de nombreux systèmes qui ne peuvent pas être modélisés et simulés de manière satisfaisante - même pas avec la méthode des éléments finis. Les exemples incluent la mécanique des contacts, les interactions fluide-structure-thermo-interactions, la modélisation des dommages (par exemple, usure, fatigue) et bien d'autres!


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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