Design Avançado de Aeronaves: Parte 2 – Expandindo Horizontes com Modelagem Eficiente

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

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 envolvendo aproximações é muito mais eficiente e ajuda a reduzir o tempo necessário para a modelagem paramétrica executar. Tais técnicas incluem Modelagem de Ordem Reduzida, que reduziu a complexidade matemática do sistema enquanto garante que a física das equações diferenciais parciais governantes seja mantida intacta.

Após a análise inicial ser conduzida, um procedimento iterativo entra em jogo onde os resultados ditam mudanças no design para otimização. Este procedimento é a ligação entre as fases de Design Conceitual e Preliminar. Veja mais detalhes em Prototipagem de Design Industrial.

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

• É considerado como uma extensão do estudo de viabilidade, mas com o envolvimento de maior detalhe e complexidade.
• A primeira etapa deste processo é a seleção de uma ou mais configurações.
• A segunda etapa é conhecida como Seleção de Regime de Voo e Planta de Potência. Neste estágio, para um dado conjunto de condições operacionais, ou seja, número de Mach, etc., o tipo de planta de potência a ser selecionado é pré-selecionado, ou seja, turboélice, pistão-élice, turbofan, turbofan de baixo bypass, turbojet, ramjet, etc.
• A próxima etapa é sobre a seleção do layout do fuselagem. Os detalhes da carga útil são frequentemente o fator determinante por trás desta etapa. Isso fornece um bom ponto de partida para a primeira previsão de massa da aeronave.
• Configuração da asa vem a seguir. Este é um procedimento complexo para o laboratório de aerodinâmica onde um grande número de parâmetros estão envolvidos. É uma fase fundamental durante o processo de design preliminar. Leva a uma estimativa inicial de sustentação, arrasto, massa de uma aeronave e também ajuda a alcançar cálculos de estimativa de carga alar após a análise sucessiva ser conduzida. Estimativas de carga alar são conduzidas baseadas em equações teóricas ajustadas de acordo com dados empíricos para várias condições de voo. Também ajuda a alcançar uma estimativa aproximada da relação empuxo-peso.
• Finalmente, as etapas de análise paramétrica entram em jogo. A primeira etapa combina dimensões de asa e fuselagem para produzir um conjunto de resultados para cada fase de voo. Isso resulta na formação de um espaço de design. Conjuntos adequados de Carga Alar e relações Empuxo-Peso são selecionados para a segunda etapa 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 ótimo é usado para criar um design de referência que é então usado para análise e avaliação em profundidade.
• O design de referência é avaliado, o que por sua vez fornece:
  • Tamanhos estimados para superfícies de controle
  • Auxílio na conclusão do layout do trem de pouso
  • Melhor estimativa de valores de sustentação, arrasto e massa
  • Cálculos revisados para características de desempenho baseados em dados de entrada ajustados e métodos de estimativa complexos
  • Repetição do procedimento ocorre até que critérios de convergência de massa sejam atendidos
• No final desta fase de design, estudos de design de sensibilidade são realizados para identificar áreas críticas de design usando técnicas gráficas ou matemáticas. Além disso, outras atividades estão ocorrendo simultaneamente, incluindo o design de sistemas hidráulicos, elétricos, supressão de incêndio, proteção contra gelo e sistemas pneumáticos.

Design Detalhado

O foco desta etapa é principalmente obter verificações para os procedimentos de design delineados nas fases anteriores. É a fase mais extensa de todo o processo de design. Foca no design final de cada peça, prototipagem e testes. Baseado nos dados adquiridos da fase de design preliminar, esta fase envolve o uso de pacotes de Desenho Assistido por Computador e Fabricação Assistida por Computador para apoiar atividades de design.

Existem três fatores sob consideração: desempenho, custos de fabricação, tempo necessário e eficiências operacionais. Para um resultado abrangente, existem dois tipos de procedimentos de teste envolvidos: Testes em Solo e Testes em Voo. Vamos dar uma olhada nas especificidades de ambos os tipos em maior detalhe.

• Testes em Solo: Envolve testes em túnel de vento para validar resultados de pacotes CFD, testes estruturais, avaliação de avionics e verificação de sistemas. Este é o estágio onde a prototipagem salva o dia. Prototipar peças em escala para testes iniciais é a chave para economizar custos e tempo precioso. Um bom provedor de serviços de prototipagem usará expertise apropriada para fabricar a estrutura com as especificações de material requeridas do seu lado. O protótipo pode ser usado para analisar resistência, rigidez, flutter, estabilidade elástica e outros parâmetros de 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 Estereolitografia fornece a precisão necessária para avaliação abrangente entre design delineado e resultados experimentais.
• Testes em Voo: O envolvimento de agências de certificação para verificar o desempenho e características de voo da aeronave real. Estas agências são conhecidas como autoridades de aeronavegabilidade. Elas avaliam o design de uma aeronave com base em requisitos de design e segurança predefinidos descritos nos Padrões de Aeronavegabilidade das Regulamentações Federais de Aviação. A tabela a seguir descreve de forma abrangente todos os padrões de aeronavegabilidade e seu respectivo uso.

O mais notável destes padrões inclui FAR Parte 23, aplicável para aeronaves normais, utilitárias e acrobáticas com Peso Máximo de Decolagem (MTOW) inferior a 12.500 libras e capacidade de 9 ou menos passageiros. Também dita padrões para aviões de transporte de passageiros com MTOW de não mais que 19.000 libras com capacidade de passageiros de 19 ou menos.

Para aviões de transporte comercial como Airbus A320 ou Boeing 737, FAR Parte 25 dita os padrões requeridos. Parte 25 inclui vários subpartes nomeadamente A, B, C, D, E e F, todos ditando padrões para os vários sistemas e subsistemas de uma aeronave de transporte comercial.

Da mesma forma, para rotorcrafts (mais comumente conhecidos como helicópteros) FAR Parte 27 e 29 ditam os padrões para categorias normal e de transporte respectivamente. Após alcançar as certificações de aeronavegabilidade, o ciclo de design praticamente termina com 95 por cento do custo do ciclo de vida incorrido neste estágio. Isso é então seguido por estágios de fabricação em larga escala.

Concluindo o Processo de Design de uma Aeronave

Esta revisão aprofundada do ciclo de design 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 design de uma aeronave é um feito 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 design de aeronave é inteiramente dependente da validação abrangente de ideias de design. Mas é realmente importante contratar os serviços do fabricante de protótipos certo no campo da aviação, pois a precisão dos protótipos importa muito. Quaisquer atalhos tomados em qualquer estágio do ciclo de design provam ser destrutivos mais tarde, como no caso do Boeing 737 Max recentemente.