O Processo de Projeto de Aeronaves
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- João Vítor Lemos Igrejas
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1 O Processo de Projeto de Aeronaves Projecto de Aeronaves (10403) 2014
2 Introdução O projeto de uma aeronave nasce, geralmente, da troca de sugestões entre construtor e comprador, mas pode nascer da iniciativa da entidade projetista O projeto de aeronaves é um compromisso entre muitos fatores e constrangimentos opostos É importante reconhecê-los e compreender a influência de cada um na configuração e no desempenho da aeronave 2
3 O que é o Projeto? O projeto de aeronaves é uma sequência de estudos direcionados para a construção de uma aeronave viável 3
4 Projeto Multidisciplinar O projeto de aeronaves é multidisciplinar. Todas as disciplinas contribuem para um objetivo comum 4
5 Processo de Projeto 1. Definir o problema, definir o objetivo do produto, traduzir este objectivo em parâmetros de desempenho e estabelecer medidas de mérito para o custo, a facilidade de fabricação e o desempenho; 2. Recolher dados sobre os requisitos e limites do problema, projetos existentes, tecnologias disponíveis e métodos de análise; 3. Criar ou sintetizar um ou mais conceitos e descrevê-los em palavras, parâmetros, diagramas, desenhos, etc.; 4. Selecionar os tipos de análise necessários para avaliar o(s) conceito(s); 5. Analisar, registar e comunicar os resultados; 6. Tomar decisões: Vai funcionar? Qual ideia é a melhor? O que deve ser mudado? As medidas de mérito são razoáveis? Se forem necessárias alterações, voltar ao ponto 1 ou 2 e repetir o ciclo. 5
6 Fases do Projeto (1) O processo de projeto clássico é dividido em três fases: Projeto conceptual: O objetivo desta fase é selecionar um conceito viável e otimizá-lo o mais possível; Projeto preliminar: Depois de escolhido o conceito, mais iterações no processo de projeto são necessárias para selecionar os materiais, definir as dimensões, estruturas e funções do projeto. São realizadas simulações em computador e modelos físicos são construídos e testados; Projeto detalhado: Nesta fase o produto é preparado para a produção. O projeto é descrito em completo detalhe e os processos de fabrico são planeados. Desenhos detalhados, listas de materiais e estimativas detalhadas de custos são preparadas. Normalmente constrói-se um protótipo para ensaios. 6
7 Fases do Projeto (2) Requisitos da Missão Projeto Conceptual Objetivos de Desempenho e Custos Ensaios em Túnel de Vento Projeto Preliminar Simulações Computacionais CAD/CAM Projeto Detalhado & Fabricação Ensaios em Voo Simulações Computacionais Produção 7
8 Fases do Projeto (3) 8
9 Fases do Projeto (4) Requisitos Projeto Conceptual Projeto Preliminar Projeto Detalhado Projeto de Produção Irá funcionar? Que requisitos guiam o projeto? Qual deve ser o aspeto? Qual deve ser o seu peso e custo? Que compromissos se devem considerar? Que tecnologias se devem usar? Os requisitos levam a um avião viável? Configuração. Desenvolver a traçagem (definição da superfície). Desenvolver testes e análises. Otimização. Desenhar componentes principais. Desenvolver estimativa de custo real (estatística). Definir a configuração interna (estrutura e sistemas). Desenhar as peças. Testar componentes principais (estrutura, trem, etc.). Finalizar estimativa de peso e desempenho. Ensaios construtivos, avaliação de tecnologias, avaliação de protótipos, etc. 9
10 Fases do Projeto (5) Limites operacionais Requisitos da Missão Identificação de materiais Identificação de tecnologias Projeto Conceptual Identificação de conceitos Recursos e Orçamento Objetivos de Desempenho e Custos Ensaios em Túnel de Vento Ensaios construtivos CAD/CAM Definição da estrutura Definição dos Sistemas Projeto Preliminar Projeto Detalhado & Fabricação Ensaios em Voo Simulações Computacionais Configuração e análise Ensaio de protótipos Estudos paramétricos Simulações Computacionais Produção 10
11 Fases do Projeto (6) Projeto Preliminar Projeto Conceptual Projeto Detalhado Projeto de Produção 11
12 Fases do Projeto (7) As fases do projeto não são perfeitamente sequenciais mas sobrepõem-se em certo grau: Pode conter ensaios construtivos, avaliação de protótipos, etc. 12
13 Projeto Conceptual (1) O projeto baseia-se nos requisitos/especificações da aeronave para orientar as decisões tomadas; O projeto conceptual pode iniciar-se com um estudo comparativo de aeronaves existentes que desempenham funções idênticas; Com base nos estudos comparativos é necessário decidir que tipo de projeto responde melhor aos requisitos. Existem três possibilidades: Alterações relativamente pequenas a uma aeronave já existente; Alterações profundas a uma aeronave já existente; Projeto completamente novo; 13
14 Projeto Conceptual (2) Um projeto completamente novo resulta, normalmente, na melhor solução para os requisitos propostos mas também requer o maior investimento; O resultado dos estudos iniciais deve ser uma orientação para o resto do projeto. 14
15 Projeto Conceptual (3) Projeto detalhado 15
16 Projeto Conceptual (4) As perspectivas podem ajudar a visualizar melhor as dimensões relativas e as formas da aeronave; O registo das datas permite ter uma noção da evolução dos conceitos. 16
17 Projeto Preliminar (1) O projeto preliminar pretende dimensionar a aeronave com base na informação recolhida no projeto conceptual; A configuração da aeronave será definida; Realização de análises com base nas disciplinas principais: Aerodinâmica; Propulsão; Massa; Estabilidade e controlo; Etc.. Ensaios em túnel de vento; Ensaios construtivos; 17
18 Projeto Preliminar (2) São realizados testes em modelos: Aerodinâmicos; Propulsivos; Estruturais; Estabilidade e controlo; Definição das formas do avião (matematicamente). 18
19 Projeto Preliminar (3) Projeto detalhado 19
20 Projeto Preliminar (4) 20
21 Projeto Preliminar (5) Pode ser benéfico manter mais do que uma configuração para as diferenças entre elas poderem ser melhor analisadas e compreendidas; Esboços iniciais permitem transmitir ideias e comparar conceitos. Esboços conceptuais da fase inicial do projeto do Lockheed P-38 por Kelly Johnson em
22 Projeto Preliminar (6) 22
23 Projeto Detalhado (1) A configuração da aeronave não irá alterar-se significativamente; Dimensionamentos e análises mais aprofundadas dos vários grupos são levadas a cabo: Aerodinâmica; Estrutura; Sistema propulsivo; Trem de aterragem; Sistema de controlo; Sistema elétrico; Sistema hidráulico. Protótipos de avaliação; 23
24 Projeto Detalhado (2) Quando se decide entrar no desenvolvimento em escala real inicia-se a fase de projeto detalhado, onde todas as partes são definidas até ao mais pequeno pormenor; Detalhe dos componentes: Definição da estrutura; Definição dos sistemas; Produção de desenhos de peças e conjuntos; Cálculo do peso e CG; Intensificação dos ensaios em conjuntos e componentes reais: Estrutura; Mecanismos; Simulação; 24
25 Projeto Detalhado (3) Pode construir-se um ou mais protótipos da aeronave completa para avaliação. 25
26 Projeto Detalhado (4) Projeto detalhado 26
27 Projeto Detalhado (5) 27
28 Projeto Detalhado (6) 28
29 Projeto Detalhado (7) 29
30 Projeto Detalhado (8) 30
31 Protótipo (1) Antes da conclusão do projeto detalhado da aeronave de série podem desenvolver-se protótipos para verificar o cumprimento das especificações: Cumpre o peso previsto? O desempenho é o desejado? As qualidades de voo são adequadas? A estrutura está bem dimensionada e construída? 31
32 Protótipo (2) Uso de tecnologias diferentes: Processos de fabrico mais simples e baratos; Protótipo do Bambi em alumínio Avião de série (MCR01) em compósito carbono/epoxi 32
33 Protótipo (3) A não conformidade vai influenciar novas iterações no projeto a nível conceptual, preliminar e/ou detalhado Testes no solo e em voo são fundamentais 33
34 Grupos de Projeto (1) Todo o processo de projeto é de natureza iterativa com o objetivo final de obter uma solução otimizada com base em requisitos conflituosos; Soluções que melhor respondem um grupo pode ser grandemente inapropriado para outro ou outros grupos; Alterações numa área em particular têm, normalmente, um efeito negativo noutras áreas. Isto é, de certa forma, inevitável mas o projeto deve, eventualmente, convergir para uma solução de compromisso; Uma gestão e coordenação efetivas dos vários grupos de projeto são críticos para o sucesso do projeto. 34
35 Grupos de Projeto (2) Aerodinâmica: Métodos e dados aerodinâmicos teóricos, empíricos e experimentais Dados da geometria da aeronave e do peso (massa) GABINETE DE AERODINÂMICA Análise da configuração Análise da sustentação, arrasto e desempenho Análise do peso e cargas GABINETE DE PROJECTO GRUPO DE AVALIAÇÃO GABINETE DE PESOS 35
36 Grupos de Projeto (3) Propulsão: Métodos e dados propulsivos teóricos, empíricos e experimentais Dados da geometria da aeronave e do peso e dados do motor GRUPO DO MOTOR E INSTALAÇÃO Instalação do motor, geometria e sistemas do motor Desempenho do motor instalado Detalhes do motor e sistemas GABINETE DE PROJECTO GRUPO DE AVALIAÇÃO GABINETE DE PESOS 36
37 Grupos de Projeto (4) Pesos: Métodos estatísticos e dados de projectos anteriores Informação de outros departamentos técnicos e do gabinete de projecto GABINETE DE PESOS Dados de peso e centragem GABINETE DE PROJECTO GABINETES TÉCNICOS 37
38 Grupos de Projeto (5) Controlo: Dados teóricos, empíricos e experimentais de estabilidade e controlo Dados da geometria da aeronave, geometria da cauda e do peso e centragem GRUPO DO CONTROLO DE VOO Dimensões da cauda e sistema de operação Geometria da cauda e requisitos do sistema GABINETE DE PROJECTO GABINETE DE PESOS 38
39 Grupos de Projeto (6) Estruturas: Métodos e dados estruturais teóricos, empíricos e experimentais Dados da geometria, operações, requisitos de aeronavegabilidade e do peso e centragem GABINETE DE ESTRUTURAS Projecto estrutural e detalhe de componentes Projecto estrutural e detalhe de componentes GABINETE DE PROJECTO GABINETE DE PESOS 39
40 Desenvolvimento do Produto Integrado No desenvolvimento do produto integrado o enfoque cai, em ordem decrescente, no cliente, no produto, no processo, nos constrangimentos e finalmente na estrutura da organização; Devido à complexidade do produto aeronave e aos custos elevados envolvidos no seu projeto é necessário juntar todos os grupos de projeto desde o início; Assim, por exemplo, o gabinete de projeto sabe, à partida, se é possível fabricar determinado componente porque conversou com a produção; As decisões tomam-se ao nível dos grupos especialistas em vez do topo da hierarquia. No entanto, existe um projetista experiente com decisão final na configuração da aeronave, baseada nos requisitos do cliente e informação técnica da equipa de projeto. 40
41 Otimização Multidisciplinar (1) O que é a otimização multidisciplinar no projeto (MDO)? É uma metodologia para melhorar o projeto de sistemas de engenharia, onde tudo influencia tudo o resto 41
42 Otimização Multidisciplinar (2) Projeto e Otimização Integrados: Primeira geração de otimização; Ideal para projetos simples; Atenção colocada na eficiência da otimização. Ot. 42
43 Otimização Multidisciplinar (3) Análise e Otimização Distribuídas: Segunda geração de otimização; Análise modular com particular atenção na otimização interdisciplinar. Coordenação Otimização Análise Análise Análise Análise 43
44 Otimização Multidisciplinar (4) Projeto e Otimização Distribuídos: Normalmente conseguido com arquiteturas informais: sequenciais e iterativas. Coordenação Otimização Subtarefa Subtarefa Projeto Projeto Subtarefa Subtarefa Projeto Projeto 44
45 Otimização Multidisciplinar (5) MDO Distribuída: O projeto de engenharia atualmente é feito desta forma. Controlo Propulsão Estruturas Aerodinâmica Sistemas 45
46 Otimização Multidisciplinar (6) Objetivo do projecto distribuído: Projecto de equipa. Aerodinâmica Estruturas Minimização Boom 46
47 Otimização Multidisciplinar (7) 47
48 Esboço Conceptual 48
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