8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

ANÁLISIS DE LAS CAUSAS DE LA FALTA DE DISPONIBILIDAD DE UNA FLOTA DE AVIONES AC-47T

Espejo Mora E.*, Rodríguez Robles E. J.º y Torres Pérez R.º

*Docente Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica – Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá,

Ciudad Universitaria UN - Edificio 407 – Secretaría 2do piso, ºEstudiantes Ingeniería Mecánica – Universidad Nacional de Colombia

*e-mail: eespejom@unal.edu.co RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados preliminares obtenidos de un análisis de falla llevado a cabo sobre una flota de aviones AC-47T, que en operación han experimentado una merma importante en su disponibilidad debido a un complejo conjunto de mecanismos de falla interrelacionados entre si. El cuadro de falla de la flota involucra deformación de superficies de control, corrosión de pieles, pérdida de remaches, agrietamiento de pieles y vibración en vuelo “Flutter”, adicionalmente dichas aeronaves han sido sometidas a importantes modificaciones estructurales y de planta motriz que cambiaron sus condiciones dinámicas. En laboratorio se determinaron los tipos de mecanismos de falla involucrados en los miembros estructurales, se hizo un modelo en elementos finitos del ala con el fin de determinar frecuencias y modos de vibración en una primera aproximación, y se buscó una relación con las modificaciones estructurales realizadas, encontrándose que probablemente éstas son las responsables del fenómeno vibratorio en vuelo y a su vez éste el que desencadena los demás problemas (corrosión, agrietamiento, perdida de remaches y deformaciones). PALABRAS CLAVE: Vibraciones Mecánicas, Análisis de Fallas, Fatiga, Corrosión, Deformación.

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INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo se aborda un análisis de las fallas de orden estructural que presenta una flota de aviones AC-47T que opera en Colombia, que se denominarán como aeronaves 0, 1, 4, 6, 7 y 8. Los seis aviones que componen la flota objeto de análisis son aeronaves que poseen varios años en servicio, sin tenerse certeza en ninguna de ellas sobre el número total de horas de vuelo o el historial de mantenimiento, ya que cada aeronave ha cambiado de propietario varias veces sin que el nuevo dueño obtenga siempre dicha información del vendedor. A lo largo de su vida útil estas aeronaves han sido sometidas a modificaciones mayores con el fin de actualizarlas y mejorar sus capacidades operacionales, sin embargo, durante los últimos años algunos de estos aviones han presentado problemas estructurales cada vez más recurrentes (corrosión de partes, problemas en remaches, grietas en pieles, deformaciones y vibración excesiva de las alas durante el vuelo “Flutter”), lo cual ha puesto en duda la seguridad en la operación y deja la inquietud de si este problema con el correr del tiempo se extenderá al resto de la flota. La historia del AC-47T se remonta al DC-3, fabricado por McDonnell Douglas, el cual hizo su primer vuelo en 1935, y entró en servicio con American Airlines en Julio 11 de 1936. A partir de ahí gran cantidad de aerolíneas comerciales incorporaron estas unidades a su flota. El DC-3 es un avión bimotor monoplano, fabricado enteramente en metal (duraluminios), de construcción en monocasco con superficies de control en material textil [1]. Al estallar la Segunda Guerra Mundial los DC-3 civiles fueron utilizados por las fuerzas militares, denominándose C-47, demostrando una gran versatilidad en el apoyo militar. Durante el conflicto se adjuntaron miles de aviones al ejército norteamericano con múltiples variantes, siendo su uso principal el transporte de carga o personal. Durante la guerra de Vietnam se artilló el C-47, siendo utilizado en labores de ametrallamiento a superficies con lo cual pasó a denominarse AC-47. A finales de la década de los 80 e inicios de los 90, varias compañías se dedicaron a comprar antiguos aviones de carga DC-3 o de su variantes militares C-47 y AC-47, con el fin de realizarle modificaciones estructurales mayores al avión y venderlo como una variante militar mejorada bajo la denominación AC-47T (donde los países latinoamericanos han sido los principales clientes). Entre las modificaciones más importantes se encuentra el cambio de los motores de pistón a turbohélices, el alargue del fuselaje, modificación del interior de las alas para incluir nuevos tanques de combustible (aumentar autonomía de vuelo), cambio de las superficies de control de textil a duraluminio, adición de Wing-tip, cambio de la aviónica, entre otras [2]. DESCRIPCIÓN DE LOS AVIONES DE LA FLOTA

Las aeronaves tipo AC-47T objeto del presente análisis fueron modificadas por la misma empresa, por lo que en principio tienen las mismas características constructivas, aunque no hay que olvidar que estos aviones en su fabricación original y durante la modificación fueron sometidos a labores fundamentalmente manuales, lo que hace que entre ellos existan sensibles diferencias ya que no provienen de líneas de ensamblajes con alta repetitibidad. Las principales modificaciones en orden descendente de importancia son: (a) cambio de los antiguos motores de pistón por dos turbo hélice, modificándose también el número de aspas de 3 a 5, figura 1, esta modificación cambió el peso, la velocidad promedio de la aeronave, la rata de consumo de combustible, las velocidades internas de rotación de las partes y la posición del centro de gravedad; (b) modificación de algunas de las costillas más internas de las alas para permitir la inclusión de cuatro nuevos tanques de combustible y refuerzo de las alas para compensar el peso adicional y el debilitamiento por la intervención en las costillas, figura 2; (c) alargue del fuselaje para corregir el cambio del centro de gravedad debido a la repotenciación y la adición de los tanques de combustible; (d) cambio de las superficies de control de textil a duraluminio para soportar mayores esfuerzos y (e) cambio en el diseño de los Wing-Tip con el objeto de optimizar el diseño aerodinámico para el nuevo régimen de velocidades. En la figura 3 se resumen las modificaciones realizadas y el cambio de Wing-Tip. En la tabla 1 se listan las prestaciones del AC-47T vs las del DC-3 original, de donde se resalta para efectos de este estudio el aumento de la velocidad promedio de la aeronave. El historial de operación y mantenimiento que se posee de la flota es muy pobre, ya que solo se tienen datos desde el primer semestre de 1997 y dicha base de datos no es completa, esto debido a que solo hasta épocas recientes se ha implementado un sistema de gestión de la confiabilidad en las empresas responsables de la operación de estas aeronaves. No obstante lo anterior se pudo establecer la ocurrencia de aproximadamente 340 eventos correctivos de mantenimiento relacionados con cambio de pieles por corrosión o agrietamiento, reposición de remaches, cambio de elementos deformados e inspecciones generales por eventos vibratorios reportados, de lo que quedó claro que de los seis aviones cuatro son los más afectados (aeronaves identificadas como No 6, l, 7 y 8), sin que esto necesariamente implique que las otras dos aeronaves no hallan presentado fallas, solo dice que no quedaron registradas.

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Fig. 1: (a) Motor a pistón P&W R-1830 original de los DC-3, C-47 y AC-47, y (b) Turbina P&W PT6A-67R con que fueron repotenciadas las aeronaves AC-47T.

Fig. 2: (a) Imagen de una de las alas mostrando los dos nuevos tanques de combustible que se insertan en cada una de ellas, y (b) Imagen de las láminas de refuerzo adicionadas a las alas para soportar el nuevo peso y contrarrestar el

debilitamiento de las costillas.

Fig. 3: (a) Resumen de las modificaciones más relevantes que posee la flota en análisis, (b) y (c) Detalle del cambio

de diseño en el Wing-Tip. MODOS DE FALLA Y SUS ESTADISTICAS EN LA FLOTA

Uno de los problemas estructurales más recurrentes de la flota es la corrosión de sus pieles y de algunos elementos estructurales internos de las alas, encontrándose como tendencia general que la corrosión inicia cerca de las zonas de traslape remachadas, siendo el mecanismo de daño la corrosión por exfoliación, figuras 4 y 6a. El problema se ha detectado principalmente en las aeronaves No 7, 1 y 6, figura 4. En el tiempo se puede notar una tendencia al alza del número de eventos de falla. El agrietamiento de las pieles en las alas es otro problema recurrente, encontrándose como tendencia general que las grietas son de fatiga y se nuclean a partir del borde de la cabeza de un remache, formando lo que se conoce como grietas tipo ceja, figura 5. El problema se ha detectado principalmente en las aeronaves No 7, 1, 6 y 8, figura 5. En el tiempo se puede notar una tendencia al alza del número de eventos de falla. Las grietas tipo ceja se asocian a grietas de fatiga formadas por esfuerzos cíclicos de baja magnitud, figuras 6b y 6c.

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Tabla 1: Prestaciones del AC-47T vs las del DC-3 original [3].

Fig. 4: (a) lamina de piel corroída cerca de zona remachada, (b) larguerillo interno de ala corroído y (c) número de eventos de falla por corrosión desde 1997 hasta el 2004 en las aeronaves 7, 1 y 6.

La pérdida de cabeza de los remaches es otro problema recurrente. El problema se ha detectado principalmente en las aeronaves No 7, 1, 6 y 8, figura 7. En el tiempo se puede notar una tendencia al alza del número de eventos de falla. Deformaciones en pieles o superficies de control que obligaron al cambio de elementos también se encuentran reportadas. El problema se ha detectado principalmente en las aeronaves No 7, 1 y 6, figura 8. En este caso no hay una tendencia al alza del número de eventos de falla tan marcada. A partir de lo anterior se puede notar que existe una relación entre los cuatro modos de falla mencionados, ya que tienden a presentarse en las zonas de unión de láminas y larguerillos, siendo evidente que la densidad de aparición de estos eventos de falla está interrelacionada, es decir, que las mismas aeronaves muestran los cuatro modos de falla. De particular interés es la presencia de deformación de las pieles en la parte inferior de las alas, presentando sumido de lámina, lo que lleva a pensar que están soportando presiones aerodinámicas altas, este modo particular de deformación no necesariamente está relacionado con los otros mecanismos de falla descritos.

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Fig. 5: (a) lámina de piel con dos grietas tipo ceja alrededor de un agujero para remache y (b) número de eventos de falla por agrietamiento desde 1997 hasta el 2004 en las aeronaves 7, 1, 6 y 8.

Fig. 6: (a) Sección metalográfica de lámina de piel corroída mostrando la exfoliación o corrosión intergranular, (b) piel con grieta de fatiga formada en borde de cabeza de remache y (c) esquema que relaciona el nivel de esfuerzo que

provoca grietas de fatiga en láminas remachadas, de acuerdo a la ubicación de la grieta.

Fig. 7: (a) Lámina de piel que muestra remaches sin cabeza y (b) número de eventos de falla por pérdida de cabezas de remaches desde 1997 hasta el 2004 en las aeronaves 7, 1, 6 y 8.

Tres de las cuatro aeronaves que presentan alta densidad de eventos de falla de los mecanismos antes mencionados, también reportaron la ocurrencia de estados vibratorios severos en vuelo, del tipo flapeo o “Flutter” aerodinámico, que puso en riesgo el control de las aeronaves. En el tiempo se puede notar una tendencia al alza del número de eventos de falla, figura 9. De acá también se puede deducir que los eventos vibratorios están relacionados con los mecanismos de falla descritos, ya que se concentran en las mismas aeronaves. Si se grafican el número de eventos de falla de la flota sin importar el mecanismo se nota que hay una marcada tendencia al alza, figura 10, indicando esto que probablemente los problemas se acentuarán y es de esperarse que aparezcan en las otras dos aeronaves que no muestran hasta el 2004 una densidad de problemas tan alta como en las otras cuatro.

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Fig. 8: (a) y (b) Pieles de alas que muestran deformación permanente y (c) número de eventos de falla por deformación desde 1997 hasta el 2004 en las aeronaves 7, 1 y 6.

Fig. 9: (a) Esquema del flapeo o “Flutter” aerodinámico que experimentaron en vuelo algunas de las aeronaves y (b) número de eventos de falla por flapeo “Flutter” desde 1997 hasta el 2004 en las aeronaves 7, 1 y 6.

Fig. 10: Número de eventos de falla de la flota sin importar su mecanismo vs el tiempo, desde 1997 hasta el 2004 en las aeronaves 7, 1, 6 y 8.

MODELO EN ELEMENTOS FINITOS DEL ALA

Ya que el problema vibratorio es el más crítico de todos los descritos, debido a que su ocurrencia pone en alto riesgo el control de la aeronave, se decidió realizar un primer modelo del ala del avión con el fin de determinar sus modos y frecuencias naturales de vibración, y los efectos sobre éstos que ejercen la modificación en las costillas, la adición de los tanques y el refuerzo realizado en la versión AC-47T. El modelo de análisis modal se realizó en el programa ANSYS V8 para una geometría aproximada al ala del DC-3 y una aproximada a la del AC-47T, teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: (a) no se incluyó amortiguamiento, (b) el modelo del ala incluyó al alerón y al wing-tip, (c) se usaron elementos SHELL63 para

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láminas de las pieles y BEAM 4 para vigas y larguerillos, (d) después del análisis de convergencia se usó un tamaño de elemento promedio de 13 cm de lado, dando un total de 18000 elementos y 15000 nodos aproximadamente para los dos modelos, (e) se usó como material de las pieles y elementos estructurales del ala al duraluminio 2024-T3 y para los refuerzos de acero del ala del AC-47T se usó AISI 304, (f) se colocó restricciones totales de desplazamiento y rotación en los nodos de la base del ala, (g) el tiempo de proceso por cada corrida del modelo osciló entre 1 y 3 horas en pc estándar, usando como método de solución el “Reduced”, ya que éste permite escoger las direcciones de vibración esperadas [4] (en dirección vertical y horizontal) y (h) el combustible ubicado en los tanques del ala de AC-47T se incluyó en el modelo como dos masas puntuales. En la figura 11 se pueden observar las dos diferencias principales incluidas en los modelos entre el ala del DC-3 y el AC-47T (debilitamiento de costillas y refuerzos de acero).

Costillas debilitadas

Refuerzos

Fig. 11: (a) Detalle de la base del ala del modelo DC-3 y (b) detalle de la base del ala del modelo AC-47T.

El modo de vibración que reportan los pilotos de la flota es el aleteo, es decir, oscilaciones de las alas en dirección vertical que corresponde al primer modo de vibración calculado por el programa en los dos modelos, obteniéndose frecuencias de 8,154 Hz para el modelo DC-3 y de 7,894 Hz para el modelo AC-47T, figura 12. También se calcularon los modos y frecuencias de oscilación de ordenes mayores, sin embargo, ya que no corresponden al modo de vibración observado por las tripulaciones no se mencionarán acá. No obstante lo anterior el modelo del ala del AC-47T mostró un modo de vibración particular que no evidenció el del DC-3, consistente en oscilación vertical del ala con una oscilación en fase de la piel ubicada sobre los tanques auxiliares que se incluyeron en la modificación, figura 13, dicho modo particular de vibración se presenta a 13 Hz.

Desplazamiento Desplazamiento

Fig. 12: Vistas del ala deformada durante el primer modo de vibración, similar para los dos modelos.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Todos los modos de falla descritos están interrelacionados entre si, pudiéndose postular que la vibración excesiva es el modo de falla primario, es decir, que desencadena a los demás, ya que: (a) puede generar agrietamiento de las pieles y elementos estructurales por fatiga derivada de los esfuerzos cíclicos de la oscilación, (b) la oscilación provoca “Fretting” en las zonas de unión degradando los recubrimientos y permitiendo así que la acción corrosiva se acentúe allí y (c) amplitudes altas de vibración pueden explicar la generación de zonas deformadas en pieles y superficies de control así como sobrecargas cíclicas en los remaches que los descabecen. A raíz de los resultados arrojados por el modelo de modos de vibración del ala modificada AC-47T, se indagó con el personal de mantenimiento si hubiesen notado que la densidad de corrosión, descabezado de remaches, agrietamiento y pieles deformadas se incrementara en la zona ubicada encima de los tanques incluidos por la modificación, confirmándose

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esta situación, lo que lleva a concluir que el debilitamiento de las costillas en dicha zona bajó la rigidez de las uniones haciendo que en vuelo vibren, acelerando los mecanismos de falla descritos.

Fig. 13: Vistas del ala deformada del AC-47T durante el modo particular de vibración que se da a 13 Hz, donde hay

aleteo y deformación cíclica de las pieles ubicadas sobre los tanques incluidos en la modificación. La deformación de las pieles específicamente de aquellas encontradas en las partes bajas de las alas, se puede atribuir adicionalmente a sobrecarga aerodinámica, es decir, producto de sobrevelocidad de flujo o lo mismo mayor presión dinámica, lo cual es posible ya que la repotenciación de las aeronaves aumentó su velocidad promedio. La sobrevelocidad adicionalmente generar desprendimiento de flujo de la superficie superior de las alas lo cual se constituye en una fuente de vibración que no se presentaría en condiciones de flujo ideal sin desprendimiento. Así pues se puede notar que como efecto de la modificación se tienen dos fenómenos relevantes: (a) sobrevelocidad para el diseño aerodinámico del ala que hace que como producto del desprendimiento de flujo se tenga una fuerza cíclica excitadora que en condiciones normales no se presentaría y (b) el debilitamiento de algunas de las costillas del ala para incluir los tanques de combustible adicionales, que bajó la rigidez de manera local y en general para todo el elemento, lo que se nota en la sensible disminución de la frecuencia natural del primer modo de vibración del ala del AC-47T respecto a la del DC-3. Estas dos situaciones están llevando probablemente a que en vuelo se presenten los estados vibratorios con la subsiguiente generación de los demás modos de falla. El aumento en la frecuencia de aparición de la mayoría de los modos de falla con el tiempo, es probablemente una manifestación del proceso de envejecimiento propio de la aeronave aunado al daño acumulado por la ocurrencia de los estados vibratorios durante los vuelos. CONCLUSIONES

• Con los estudios llevados a cabo se concluye de manera preliminar que son las modificaciones propias de la aeronave AC-47T, en lo concerniente a repotenciación y debilitamiento de costillas en las alas para inclusión de nuevos tanques, las principales responsables del cuadro de falla de presenta la flota.

• La tendencia de los datos de mantenimiento sugiere que probablemente con el tiempo la ocurrencia de los diferentes modos de falla se acentuará en todas las aeronaves de la flota.

• El modelo en elementos finitos del ala todavía dista mucho de reproducirla fielmente, sin embargo, arrojó resultados que han sido relevantes para llevar a cabo el análisis de falla.

• No obstante lo anterior el análisis de falla no ha concluido y siguen revisándose las hipótesis planteadas y se está abierto a otras posibilidades.

REFERENCIAS

1. DOUGLAS AIRCRAFT Co, Structural Repair Manual for the Model DC-3, 1946, 125 págs. 2. Stan McGREW, DC3-TP67, Pilots Ground School, Presentación en diapositivas de Basler Turbo Conversions,

2001. 3. Dirección electrónica: http://www.baslerturbo.com/performance.html. 4. ANSYS, Structural Analysis Guide, SAS IP Inc., 2003.