Projeto de Aeronave (Parte 1):Expandindo Horizontes

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Entre os cursos de engenharia mais difíceis do mundo, as engenharias aeroespacial e aeronáutica estão no topo das listas. Qualquer engenheiro lendo este artigo pode estar familiarizado com os ciclos usuais de projeto envolvidos no projeto de qualquer produto, mas é o nível de complexidade exigido no campo da aviação que o torna tão desafiador.

O design moderno de aeronaves enfrenta desafios operacionais, ambientais e financeiros rigorosos. Uma enorme mudança de paradigma está sendo notada em como os sistemas complexos são projetados e como evitar falhas de projeto, como no caso do mais recente Boeing 737 Max. Neste artigo, discutiremos o fluxo de um ciclo de projeto de aeronave moderna e as instâncias em que o uso dos serviços de um fabricante de protótipos para testes em escala pode salvar o dia.

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Ciclo de projeto de uma aeronave moderna

Todo designer que lê este artigo pode estar familiarizado com as três fases básicas do projeto, ou seja, Projeto Conceitual, Preliminar e Detalhado. No entanto, a concorrência acirrada entre os participantes do mercado com altas expectativas dos clientes significa que uma empresa precisa inovar notavelmente nas fases de design para atender a diversos critérios. Vamos discutir o ciclo de projeto de uma aeronave com base no custo do ciclo de vida com o auxílio do diagrama a seguir.

Como você pode ver, as três primeiras fases anteriores à etapa de fabricação representam 95% do custo total. Entre as três fases iniciais, a mais importante é a Fase 1, ou seja, Planejamento e Projeto Conceitual. Portanto, vamos nos concentrar na primeira fase em detalhes, seguida pelas outras duas.

Planejamento e Projeto Conceitual

A etapa inicial é marcada por 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 ajuda a otimizar o caminho para um projeto, ou seja, o redesenho completo, o que significa o maior risco e custo ou adoção/modificação do projeto existente. Em seguida, inicia-se a fase de projeto conceitual. Qualquer projetista de aeronaves conhece muito bem os modelos Raymer e Roskam e, conforme eles descrevem, a fase de projeto conceitual envolve responder às seguintes perguntas básicas:

• Irá funcionar?
• Como é?
• Quais são os requisitos?
• Como otimizar as compensações?
• Como otimizar peso e custos?

O objetivo final do estágio de projeto conceitual é identificar e preparar um conceito de projeto viável e ideal para posterior refinamento. Esta fase envolve, portanto, elaborar, estudar e examinar vários conceitos de design, todos com conhecimento mínimo dos resultados experimentais e dados limitados sobre a praticidade do design. O gráfico abaixo deste parágrafo mostra a maior faixa de incerteza durante os estágios conceituais em comparação com os estágios avançados. Além disso, 65% do custo do ciclo de vida incorrido durante esse estágio significa que qualquer alteração no projeto básico, mais tarde, significa uma redução nas receitas gerais e extensão dos prazos.

O dilema comumente enfrentado na fase de projeto conceitual é o início de um programa de projeto sem delinear claramente um conjunto de requisitos a serem atendidos. Delinear os requisitos do mercado e fazer com que os clientes tornem suas expectativas explicitamente conhecidas é muito importante. Refinar os requisitos em um estágio posterior resulta em uma abordagem antieconômica e ineficiente e esse ciclo de projeto tem implicações graves nos custos do ciclo de vida incorridos. No caso de um projeto de aeronave, existem vários conjuntos de requisitos e expectativas muitas vezes conflitantes estabelecidos pelos clientes. Um conjunto diversificado e complexo de sistemas de aeronaves com base em várias partes de uma aeronave, por exemplo, asas, motor, fuselagem, trem de pouso, cauda e canard significam múltiplos desafios.

Lidar com isso é uma arte por si só e é por isso que tais decisões são facilitadas usando técnicas como Multiple Attribute Decision Making (MADM). Com o auxílio de tais técnicas, considerações implícitas são postas em jogo e a tomada de decisão passa de uma abordagem determinística de ponto único para uma abordagem dinâmica e paramétrica. Além disso, técnicas como Análise Multidisciplinar e Otimização de Design são vitais para atender a conjuntos emaranhados de restrições em tal ambiente. Esta técnica foi esboçada no diagrama a seguir, que descreve as interações entre vários majores aeronáuticos.

No que diz respeito à incerteza no estágio de projeto conceitual, conforme descrito anteriormente, os métodos estabelecidos são baseados em teorias probabilísticas e métodos de projeto. Esses métodos envolvem o uso de Funções de Densidade de Probabilidade (PDFs) e Funções de Distribuição Cumulativa (CDFs) para cada restrição de projeto. Os dados para várias restrições de projeto são então plotados e analisados ​​coletivamente. Esses dados cumulativos dão ao projetista uma visão clara da região do projeto e se ele precisa relaxar qualquer restrição ou introduzir qualquer tecnologia para a melhoria geral do ciclo de projeto.

Em suma, o projetista cria uma relação entre variáveis ​​de entrada e saída tendo em vista a variabilidade dos fatores de entrada.

Projeto Preliminar

Esta etapa é monumentalmente crítica para dimensionar os vários fatores de design para o conceito finalizado na primeira fase. Isso requer um estudo aprofundado e análise das interações interdisciplinares entre os vários sistemas e subsistemas de uma aeronave. Por exemplo, o conceito de aeroelasticidade é a combinação de mecânica estrutural e aerodinâmica.

Na era da engenharia moderna de hoje, a fase de projeto preliminar também inclui considerações como confiabilidade, facilidade de manutenção, estabilidade e controle, segurança e economia. Agora vamos discutir com mais detalhes os desafios que estão nesta fase de projeto e a maneira ideal de enfrentá-los.

A modelagem sofisticada, complexa e precisa requer o uso de algoritmos numéricos avançados, por exemplo. Dinâmica de Fluidos Computacional e Análise de Elementos Finitos. No entanto, custos computacionais excepcionalmente altos significam outro desafio para os projetistas. O diagrama a seguir representa figurativamente a compensação envolvida na escolha de ferramentas de alta fidelidade versus o uso de simulações simples.

Mover-se para ferramentas complexas e de alta fidelidade não significa apenas maiores custos computacionais, mas também o desafio de lidar com diversas variáveis, muitas vezes chegando a centenas, e sua interdependência também. Assim, um tempo significativo é gasto na identificação e mapeamento do ambiente de simulação. (A história não está terminando!!!)

Se você ainda estiver interessado no conteúdo, leia o Projeto de Aeronave (Parte 2):Expandindo Horizontes. Obrigada.