安全寿命設計

安全寿命設計では、製品は特定の設計寿命で使用停止されることが想定されています。

安全寿命は、単純な金属製の航空機に特に関係します。航空機の機体部品は、その寿命を通じて交互の荷重を受けるため、金属疲労の影響を受けやすくなります。翼や尾翼部品などの特定の領域では、飛行中に構造上の破損が発生すると壊滅的な結果となります。^[1]

安全寿命設計技術は、修理が非常に難しいか、故障すると生命や財産に重大な損害を与える可能性がある重要なシステムに採用されています。これらのシステムは、修理を必要とせずに何年も機能するように設計されています。

セーフライフ設計哲学の欠点は、航空機にかかる交互負荷に関して厳密な仮定を行わなければならないため、その仮定が不正確であることが判明した場合、部品が使用停止になる前に亀裂が生じる可能性があることです。この欠点を補うために、フェイルセーフ設計やフォールトトレラント設計などの代替設計哲学が開発されました。

安全寿命アプローチの 1 つの方法は、自動車産業におけるメカニズムの強靭性を計画し、想定することです。1800 年代半ばに蒸気機関の出現により機械構造への反復荷重が強化されたときに、このアプローチが確立されました (Oja 2013)。Michael Oja によると、「エンジニアと学者は、周期的応力 (またはひずみ) がコンポーネントの寿命に与える影響を理解し始めました。周期的応力 (S) の大きさと、故障までのサイクル数 (N) の対数を関連付ける曲線が開発されました」 (Oja 2013)。SN曲線は、基本的な関係が安全寿命設計にあるためです。曲線は、最大荷重と最小荷重の比 (R 比)、検査対象の材料の種類、周期的応力 (またはひずみ) が適用される規則性など、多くの条件に依存します。今日でも、この曲線は、実験室の試験片を多くの連続周期負荷レベルで実験的にテストし、破損までのサイクル数を検出することで、依然として重要な意味を持っています (Oja 2013)。Michael Oja は、「当然のことながら、負荷が減少するにつれて、試験片の寿命は長くなります」と述べています (Oja 2013)。実験的課題の実際的な限界は、油圧駆動試験機の周波数制限によるものでした。この高サイクル寿命が発生する負荷は、材料の疲労資産として認識されるようになりました (Oja 2013)。

航空機の構造には、一般的にセーフライフとフェイルセーフの 2 つのタイプがあります。前者は、主要な荷重支持部材が破損した場合に残留強度が低いタイプですが、後者は代替荷重経路を備えているため、主要な荷重支持部材に亀裂が生じても、隣接する部材が荷重を引き受けることができるため残留強度が維持されます。現代の航空機では、最大 3 つの代替荷重経路を備えたフェイルセーフ構造が提供されていますが、1947 年当時は、主要な荷重支持構造はセーフライフでした。これは、穏やかな上空での運用用に設計された暫定的な機体では問題になりませんでしたが、高度 500 フィート付近では、荷重と応力がより不安定になりました。

安全寿命設計の考え方は、すべてのヘリコプター構造に適用されます。^[2] UH-60 ブラックホークなどの現在の陸軍ヘリコプターでは、複合材料が機体とローターの重量の 17 パーセントを占めています (Reddick)。Harold Reddick は、「先進複合材機体プログラム (ACAP) などの主要なヘリコプター複合材構造研究開発プロジェクトや、UH-60 低コスト複合材ブレード プログラムなどの製造方法と技術 (MM&T) プロジェクトの出現により、数年以内に量産プログラムでヘリコプターの機体とローターの重量の 80 パーセントに複合材を適用できるようになると予測されています」と述べています (Reddick)。この適用に加えて、複合材構造が所有経済性のために疲労寿命が長く、飛行安全のために損傷耐性が優れているように、健全で明確な設計基準を産業化することが不可欠な義務です。安全寿命と損傷許容基準は、すべてのヘリコプター飛行重要コンポーネントに実用的です (Reddick)。

• フェイルセーフ
• フォールトトレラント設計
• 安全工学
• ダメージ許容度
• 1945年オーストラリア国営航空スティンソン墜落事故

• Oja, Michael (2013-03-18)。「構造設計コンセプト: 安全寿命と損傷許容度の概要」。Vextec.com | 設計から現場サービスまでのライフサイクル コストの削減。2019-06-11 取得。
• 「疲労（材料）」、Wikipedia、2019-06-04、2019-06-11 取得
• レディック、ハロルド。「ヘリコプター構造物の安全寿命と損傷耐性の設計アプローチ」（PDF）。NASA。2019年6月11日閲覧。

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