La ingeniería aeroespacial es una de las materias de ingeniería más desafiantes del mundo y probablemente encabeza la lista. Cualquier ingeniero que lea este artículo puede estar familiarizado con los ciclos de diseño comunes involucrados en el desarrollo de un producto. Pero es el nivel de complejidad lo que hace que la aviación sea tan desafiante.
Los diseños de aviones modernos enfrentan importantes desafíos operativos, ambientales y financieros. 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 en que. Utilizar los servicios de un fabricante de prototipos para pruebas a gran escala puede salvar el día.
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Ciclo de diseño de un avión moderno.
Cualquier diseñador que lea este artículo debería estar familiarizado con las tres fases básicas del diseño: diseño conceptual, preliminar y detallado. Sin embargo, la feroz competencia entre los actores del mercado y las altas expectativas de los clientes significan que una empresa debe producir innovaciones notables en las etapas de diseño para satisfacer diversos criterios. Analicemos el ciclo de diseño de una aeronave en términos de costo del ciclo de vida utilizando el siguiente diagrama.
Como puedes ver, las tres primeras fases antes de la fase de fabricación suponen el 95% del coste total. De las tres primeras fases, la fase 1, planificación y concepción, es la más importante. Por ello, nos centraremos en detalle en la primera fase, seguida de las otras dos.
Planificación y concepción
El primer paso es un estudio de viabilidad que determina si un requisito puede cumplirse con la tecnología existente. Además, el estudio de viabilidad también ayuda a optimizar el rumbo de un proyecto, es decir, un rediseño completo, que conlleva mayor riesgo y coste, o adopción/modificación del proyecto existente. Entonces comienza la fase de diseño. Todo diseñador de aviones está muy familiarizado con los modelos Raymer y Roskam y, según explican, la fase de diseño implica responder a las siguientes preguntas fundamentales:
- ¿Funcionará?
- Cómo se ve?
- ¿Qué son los requerimientos?
- ¿Cómo se pueden optimizar las citas?
- ¿Cómo se pueden optimizar el peso y los costes?
El objetivo final de la fase de ideación es identificar y preparar un concepto de diseño ideal y viable para su posterior perfeccionamiento. Por lo tanto, esta fase implica la elaboración, estudio e investigación de varios conceptos de diseño, con un conocimiento mínimo de los resultados experimentales y datos limitados sobre la viabilidad del diseño. El gráfico debajo de este párrafo muestra la mayor incertidumbre durante la fase de ideación en comparación con las fases avanzadas. Es más, un asombroso 65% de los costos del ciclo de vida ocurren durante esta fase, lo que significa que cualquier cambio posterior en el diseño básico representa una reducción en los ingresos generales y una extensión de los plazos.
El dilema que a menudo se enfrenta en la fase de diseño es iniciar un programa de diseño sin un esquema claro de los requisitos que deben cumplirse. Es muy importante delinear las necesidades del mercado y hacer explícitos a los clientes sus expectativas. Refinar los requisitos en una etapa posterior es un enfoque antieconómico e ineficiente y dicho ciclo de diseño tiene un impacto grave en los costos del ciclo de vida incurridos. Al diseñar una aeronave, existen múltiples requisitos y expectativas del cliente, a menudo contradictorios. Un conjunto diverso y complejo de sistemas de aeronaves basados en diferentes partes de una aeronave, p.e. B. las alas, el motor, el fuselaje, el tren de aterrizaje, la cola y el canard representan numerosos desafíos.
Lidiar con esto es un arte en sí mismo y es por eso que tales decisiones se facilitan mediante técnicas como la toma de decisiones por atributos múltiples (MADM). Al utilizar estas técnicas, se ponen en juego consideraciones implícitas y la toma de decisiones pasa de un enfoque determinista y centralizado a un enfoque dinámico y paramétrico. Además, técnicas como el análisis multidisciplinario y la optimización del diseño son esenciales para hacer frente a las limitaciones enredadas en dicho entorno. Esta técnica se ilustra en el siguiente diagrama, que muestra las interacciones entre diferentes disciplinas de la aviación.
En cuanto a la incertidumbre en la fase de diseño, los métodos establecidos, como ya se mencionó, se basan en teorías de probabilidad y métodos de diseño. Estos métodos incluyen el uso de funciones de densidad de probabilidad (PDF) y funciones de distribución acumulativa (CDF) para cada restricción de diseño. Luego se presentan y analizan juntos los datos de múltiples restricciones de diseño. Estos datos acumulativos le brindan al diseñador una visión clara del espacio de diseño e indican si necesita relajar una restricción o introducir una tecnología para mejorar el ciclo de diseño general.
En resumen, el diseñador crea una relación entre las variables de entrada y salida, teniendo en cuenta la variabilidad de los factores de entrada.
Borrador inicial
Esta fase es crucial para medir los diversos factores de diseño del concepto establecido en la primera fase. Esto requiere un estudio y análisis en profundidad de las interacciones interdisciplinarias entre los distintos sistemas y subsistemas de una aeronave. Por ejemplo, el concepto de aeroelasticidad es la combinación de mecánica estructural y aerodinámica.
En la ingeniería moderna, en la fase de diseño preliminar también se tienen en cuenta aspectos como la fiabilidad, la mantenibilidad, la estabilidad, el control, la seguridad y la economía. Ahora discutiremos con más detalle los desafíos de esta fase de diseño y el enfoque ideal para superarlos.
El modelado sofisticado, complejo y preciso requiere el uso de algoritmos numéricos sofisticados, p.e. B. Dinámica de fluidos computacional y análisis de elementos finitos. Sin embargo, los costes informáticos excepcionalmente elevados plantean otro desafío para los desarrolladores. El siguiente diagrama muestra visualmente el compromiso que se debe hacer al elegir herramientas de alta precisión en lugar de utilizar simulaciones simples.
El paso a herramientas complejas y de alta precisión no sólo significa mayores costos computacionales, sino también el desafío de considerar múltiples variables (a menudo cientos) y su interdependencia. Por lo tanto, se dedica mucho tiempo a identificar y mapear el entorno de simulación. (¡¡¡La historia aún no ha terminado!!!)
Si todavía está interesado en el contenido, lea “Diseño de aeronaves (Parte 2): Horizontes ampliados”. Gracias.
