Projeto de Aeronaves (Parte 1): Expandindo Horizontes

Fabricante de protótipos na indústria da aviação - imagem especial


A engenharia aeroespacial é um dos assuntos de engenharia mais desafiadores do mundo e provavelmente está no topo da lista. Qualquer engenheiro que esteja lendo este artigo pode estar familiarizado com os ciclos de projeto comuns envolvidos no desenvolvimento de um produto. Mas é o nível de complexidade que torna a aviação tão desafiadora.

Os projetos de aeronaves modernas enfrentam grandes desafios operacionais, ambientais e financeiros. Há uma enorme mudança de paradigma sendo observada na forma como sistemas complexos são projetados e como erros de projeto podem ser evitados, como no caso do mais recente Boeing 737 Max. Neste artigo discutimos o fluxo de um ciclo de projeto de aeronave moderna e os casos em que. Usar os serviços de um fabricante de protótipos para testes em grande escala pode salvar o dia.

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Ciclo de projeto de uma aeronave moderna

Qualquer designer que leia este artigo deve estar familiarizado com as três fases básicas do projeto, ou seja, Projeto Conceitual, Preliminar e Detalhado. No entanto, a feroz concorrência entre os intervenientes no mercado e as elevadas expectativas dos clientes significam que uma empresa deve produzir inovações notáveis ​​nas fases de design para satisfazer vários critérios. Vamos discutir o ciclo de projeto de uma aeronave em termos de custo do ciclo de vida usando o diagrama a seguir.

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Como você pode ver, as três primeiras fases antes da fase de fabricação representam 95% do custo total. Das três primeiras fases, a fase 1, planejamento e concepção, é a mais importante. Portanto, vamos nos concentrar detalhadamente na primeira fase, seguida pelas outras duas.

Planejamento e concepção

O primeiro passo é um estudo de viabilidade que determina se um requisito pode ou não ser atendido com a tecnologia existente. Além disso, o estudo de viabilidade também auxilia na otimização do caminho de um projeto, ou seja, um redesenho completo, que acarreta maior risco e custo, ou adoção/modificação do projeto existente. A fase de concepção começa então. Todo projetista de aeronaves conhece muito bem os modelos Raymer e Roskam e, conforme explicam, a fase de projeto envolve responder às seguintes questões fundamentais:

  • será que vai dar certo?
  • Como se parece?
  • Quais são os requisitos?
  • Como os compromissos podem ser otimizados?
  • Como o peso e os custos podem ser otimizados?

O objetivo final da fase de concepção é identificar e preparar um conceito de design viável e ideal para refinamento adicional. Esta fase envolve, portanto, a elaboração, o estudo e a investigação de vários conceitos de projeto, com conhecimento mínimo dos resultados experimentais e dados limitados sobre a praticidade do projeto. O gráfico abaixo deste parágrafo mostra a maior incerteza durante a fase de concepção em comparação com as fases avançadas. Além do mais, impressionantes 65% dos custos do ciclo de vida ocorrem durante esta fase, o que significa que qualquer alteração subsequente no design básico representa uma redução na receita geral e uma extensão dos prazos.

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O dilema frequentemente enfrentado na fase de projeto é iniciar um programa de projeto sem um esboço claro dos requisitos a serem atendidos. É muito importante delinear as necessidades do mercado e fazer com que os clientes sejam explícitos sobre suas expectativas. Refinar os requisitos numa fase posterior é uma abordagem antieconómica e ineficiente e um tal ciclo de concepção tem um sério impacto nos custos do ciclo de vida incorridos. Ao projetar uma aeronave, existem vários requisitos e expectativas do cliente, muitas vezes conflitantes. Um conjunto diversificado e complexo de sistemas de aeronaves baseados em diferentes partes de uma aeronave, por ex. B. asas, motor, fuselagem, trem de pouso, cauda e canard representam inúmeros desafios.

Lidar com isso é uma arte em si e é por isso que tais decisões são facilitadas por meio de técnicas como a Tomada de Decisão de Atributos Múltiplos (MADM). Utilizando tais técnicas, considerações implícitas são postas em jogo e a tomada de decisões passa de uma abordagem determinística e centralizada para uma abordagem dinâmica e paramétrica. Além disso, técnicas como Análise Multidisciplinar e Otimização de Projeto são essenciais para lidar com restrições emaranhadas em tal ambiente. Esta técnica é ilustrada no diagrama a seguir, que mostra as interações entre diferentes disciplinas da aviação.

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Em relação à incerteza na fase de projeto, os métodos estabelecidos, como já mencionado, baseiam-se em teorias de probabilidade e métodos de projeto. Esses métodos incluem o uso de Funções de Densidade de Probabilidade (PDFs) e Funções de Distribuição Cumulativa (CDFs) para cada restrição de projeto. Os dados para múltiplas restrições de projeto são então apresentados e analisados ​​em conjunto. Esses dados cumulativos dão ao projetista uma visão clara do espaço do projeto e indicam se ele ou ela precisa relaxar uma restrição ou introduzir uma tecnologia para melhorar o ciclo geral do projeto.

Resumindo, o designer cria uma relação entre variáveis ​​de entrada e saída, levando em consideração a variabilidade dos fatores de entrada.

Rascunho inicial

Esta fase é crucial para medir os vários fatores de design do conceito estabelecido na primeira fase. Isto requer estudo e análise aprofundados das interações interdisciplinares entre os vários sistemas e subsistemas de uma aeronave. Por exemplo, o conceito de aeroelasticidade é a combinação da mecânica estrutural e da aerodinâmica.

Na engenharia moderna, aspectos como confiabilidade, manutenibilidade, estabilidade, controle, segurança e economia também são levados em consideração na fase de projeto preliminar. Agora discutiremos com mais detalhes os desafios desta fase de design e a abordagem ideal para superar esses desafios.

A modelagem sofisticada, complexa e precisa requer o uso de algoritmos numéricos sofisticados, por ex. B. Dinâmica de fluidos computacional e análise de elementos finitos. No entanto, os custos de computação excepcionalmente elevados representam outro desafio para os desenvolvedores. O diagrama a seguir mostra visualmente o compromisso que deve ser feito ao escolher ferramentas de alta precisão em vez de usar simulações simples.

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A mudança para ferramentas complexas e de alta precisão não significa apenas custos computacionais mais elevados, mas também o desafio de considerar múltiplas variáveis ​​(muitas vezes centenas) e a sua interdependência. Portanto, muito tempo é gasto identificando e mapeando o ambiente de simulação. (A história ainda não acabou!!!)

Se você ainda estiver interessado no conteúdo, leia “Projeto de Aeronaves (Parte 2): Horizontes Expandidos”. Obrigado.

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