Projeto de Aeronave (Parte 2):Expandindo Horizontes

---

Postado em:25 de dezembro de 2020, | Por WayKen Rapid Manufacturing

Os tomadores de decisão de engenharia modernos consideram o uso de poder computacional excessivo neste estágio inútil e como um consumidor de tempo. A adoção de técnicas que envolvem aproximações são muito mais eficientes e ajudam a reduzir o tempo necessário para a execução da modelagem paramétrica. Tais técnicas incluem Modelagem de Ordem Reduzida, que reduz a complexidade matemática do sistema, garantindo que a física das equações diferenciais parciais governantes seja mantida intacta.

Depois que a análise inicial é conduzida, um procedimento iterativo entra em ação onde os resultados ditam mudanças no projeto para otimização. Este procedimento é a ligação entre as fases de projeto Conceitual e Preliminar. Veja mais o detalhe Prototipagem de Desenho Industrial.

Vamos dar uma olhada em uma forma resumida do famoso modelo Howe para o Processo de Síntese do Projeto.

• É considerado uma extensão do estudo de viabilidade, mas com maior detalhamento e complexidade.
• A primeira etapa desse processo é a seleção de uma ou mais configurações.
• A segunda etapa é conhecida como o Regime de Voo e Seleção de Powerplant. Nesta fase, para um determinado conjunto de condições de operação, ou seja, número de Mach, etc., o tipo de motor a ser selecionado é pré-selecionado, ou seja, turbo-hélice, pistão-hélice, turbofan, turbofan de baixo desvio, turbojato, ramjet, etc.
• A próxima etapa é a seleção do layout da fuselagem. Os detalhes da carga útil costumam ser o fator determinante por trás desse estágio. Isso fornece um bom ponto de partida para a primeira previsão da massa da aeronave.
• A configuração da asa vem a seguir. Este é um procedimento complexo para o laboratório de aerodinâmica, onde um grande número de parâmetros está envolvido. É uma fase fundamental durante o processo de projeto preliminar. Isso leva a uma estimativa inicial de sustentação, arrasto, massa de uma aeronave e também ajuda a obter cálculos de estimativa de carga da asa após a realização da análise sucessiva. As estimativas de carga alar são conduzidas com base em equações teóricas ajustadas de acordo com dados empíricos para várias condições de voo. Também ajuda a obter uma estimativa aproximada da relação entre impulso e peso.
• Finalmente, os estágios de análise paramétrica entram em ação. O primeiro estágio combina as dimensões da asa e da fuselagem para produzir um conjunto de resultados para cada fase de voo. Isso resulta na formação de um espaço de design. Conjuntos adequados de rácios Wing Loading e Thrust to Weight são selecionados para o segundo estágio da análise paramétrica.
• A segunda etapa da análise paramétrica incorpora os conjuntos de dados escolhidos para calcular a massa total da aeronave. O conjunto que fornece o valor de massa ideal é usado para criar um design de referência que é então usado para análise e avaliação aprofundadas.
• O design do árbitro é avaliado, o que, por sua vez, fornece:
  • Tamanhos estimados para superfícies de controle
  • Ajuda na conclusão do layout do trem de pouso
  • Melhor estimativa dos valores de sustentação, arrasto e massa
  • Cálculos revisados ​​para características de desempenho com base em dados de entrada ajustados e métodos de estimativa complexos
  • A repetição do procedimento ocorre até que os critérios de convergência em massa sejam atendidos
• Ao final desta fase de projeto, são realizados estudos de projeto de sensibilidade para identificar áreas críticas de projeto usando técnicas gráficas ou matemáticas. Além disso, outras atividades estão acontecendo simultaneamente, incluindo o projeto de sistemas hidráulicos, elétricos, de combate a incêndio, proteção contra gelo e sistemas pneumáticos.

A próxima fase, ou seja, a fase de Projeto Detalhado é onde a mágica acontece, ou seja, o projeto é totalmente definido, os modelos em escala para teste são solicitados a um fabricante de protótipos e, em seguida, os desenhos finais baseados no Projeto para Montagem e Projeto para Fabricação são apresentados com topologias reais , geometrias, dimensões, tolerâncias e especificações de materiais. Vamos discutir isso com mais detalhes agora na próxima seção.

Projeto detalhado

O foco desta etapa é principalmente obter verificações para os procedimentos de projeto descritos nas fases anteriores. É a fase mais extensa de todo o processo de design. Ele se concentra no design final, na prototipagem e nos testes de cada parte. Com base nos dados adquiridos na fase de projeto preliminar, esta fase envolve o uso de pacotes Computer-Aided Design e Computer-Aided Manufacturing para apoiar as atividades de projeto.

Há três fatores em consideração:desempenho, custos de fabricação, tempo necessário e eficiência operacional. Para um resultado abrangente, existem dois tipos de procedimentos de teste envolvidos, ou seja, teste de solo e teste em voo. Vamos dar uma olhada nas especificidades de ambos os tipos com mais detalhes.

• Teste de solo: Envolve testes em túnel de vento para validar resultados de pacotes CFD, testes estruturais, avaliação de aviônicos e verificação de sistemas. Este é o estágio em que a prototipagem salva o dia. A prototipagem de peças em escala para testes iniciais é a chave para economizar custos e tempo precioso. Um bom provedor de serviços de prototipagem usará o conhecimento adequado para criar a estrutura a partir das especificações de material exigidas do seu lado. O protótipo pode ser usado para analisar força, rigidez, vibração, estabilidade elástica e outros parâmetros do sistema. Carga estática, carga dinâmica, análise modal vibracional e análise de flutter são alguns dos principais testes a serem realizados. Para peças de aeronaves em escala, a impressão 3D de estereolitografia fornece a precisão necessária para uma avaliação abrangente entre o projeto delineado e os resultados experimentais.
• Testes em voo: O envolvimento de agências de certificação para verificar o desempenho e as características de voo da aeronave real. Essas agências são conhecidas como autoridades de aeronavegabilidade. Eles avaliam o projeto de uma aeronave com base no projeto predefinido e nos requisitos de segurança descritos nos Padrões de Aeronavegabilidade dos Regulamentos Federais de Aviação. A tabela a seguir descreve de forma abrangente todos os padrões de aeronavegabilidade e seu respectivo uso.

O mais notável desses padrões inclui o FAR Part 23, que é aplicável para aeronaves normais, utilitárias e acrobáticas com peso máximo de decolagem (MTOW) inferior a 12.500 libras e capacidade para 9 ou menos passageiros. Também determina padrões para aviões de passageiros com um MTOW de não mais de 19.000 libras com capacidade de passageiros de 19 ou menos.

Para aviões da categoria de transporte comercial como o Airbus A320 ou o Boeing 737, a FAR Parte 25 determina os padrões exigidos. A Parte 25 inclui várias subpartes, nomeadamente A, B, C, D, E e F, todas ditando padrões para os vários sistemas e subsistemas de uma aeronave de transporte comercial.

Da mesma forma, para aeronaves de asas rotativas (mais comumente conhecidas como helicópteros), as partes 27 e 29 da FAR ditam os padrões para a categoria normal e de transporte, respectivamente. Após a obtenção das certificações de aeronavegabilidade, o ciclo de projeto praticamente termina com 95% do custo do ciclo de vida incorrido por esta etapa. Isto é então seguido por etapas de fabricação em grande escala.

Conclusão do processo de design de uma aeronave

Esta revisão aprofundada do ciclo de projeto de uma aeronave pode parecer muito complexa. No entanto, com uma abordagem passo a passo, decisões maduras baseadas em pensamento crítico e tomada de decisão sábia, o ciclo de projeto de uma aeronave é uma façanha alcançável. Na era moderna, onde as apostas são altas, tanto em termos de custo quanto de tempo, o uso de prototipagem é vital quando e onde necessário, porque o sucesso de um projeto de aeronave depende inteiramente da validação abrangente das ideias do projeto. Mas é realmente importante prestar os serviços do fabricante de protótipos certo no campo da aviação, pois a precisão dos protótipos é muito importante. Quaisquer atalhos tomados em qualquer estágio do ciclo de design provam ser destrutivos mais tarde, como no caso do Boeing 737 Max recentemente.