Diseño de Aeronaves (Parte 1):Expandiendo Horizontes

Entre las carreras de ingeniería más duras a nivel mundial, la ingeniería aeroespacial y aeronáutica podría decirse que encabezan las listas. Cualquier ingeniero que lea este artículo puede estar familiarizado con los ciclos de diseño habituales involucrados en el diseño de cualquier producto, pero es el nivel de complejidad requerido en el campo de la aviación lo que lo hace tan desafiante.

El diseño de aeronaves modernas enfrenta estrictos desafíos operativos, ambientales y financieros. Se está notando un cambio de paradigma masivo sobre cómo se diseñan los sistemas complejos y cómo evitar fallas de diseño como en el caso del último Boeing 737 Max. En este artículo, analizaremos el flujo de un ciclo de diseño de aviones modernos y los casos en los que el uso de los servicios de un fabricante de prototipos para pruebas a escala puede salvar el día.

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Ciclo de diseño de un avión moderno

Todo diseñador que lea este artículo puede estar familiarizado con las tres fases básicas de diseño, es decir, diseño conceptual, preliminar y detallado. Sin embargo, la feroz competencia entre los actores del mercado con altas expectativas de los clientes significa que una empresa debe innovar notablemente en las fases de diseño para cumplir con diversos criterios. Discutamos el ciclo de diseño de un avión basado en el costo del ciclo de vida con la ayuda del siguiente diagrama.

Como puedes ver, las tres primeras fases previas a la etapa de fabricación suponen el 95% del coste total. Entre las tres fases iniciales, la más importante es la Fase 1, es decir, Planificación y Diseño Conceptual. Por lo tanto, centrémonos en la primera fase en detalle seguida de las otras dos.

Planificación y Diseño Conceptual

El paso inicial está marcado por un estudio de viabilidad que determina si un requisito se puede cumplir con la tecnología existente o no. Además, el estudio de factibilidad también ayuda a optimizar el camino para un proyecto, es decir, un rediseño completo, lo que significa el mayor riesgo y costo o adopción/modificación del diseño existente. A continuación, se inicia la fase de diseño conceptual. Cualquier diseñador de aeronaves conoce muy bien los modelos de Raymer y Roskam y, tal como lo describen, la fase de diseño conceptual implica responder las siguientes preguntas básicas:

• ¿Funcionará?
• ¿Qué aspecto tiene?
• ¿Cuáles son los requisitos?
• ¿Cómo optimizar las compensaciones?
• ¿Cómo optimizar el peso y los costes?

El objetivo final de la etapa de diseño conceptual es identificar y preparar un concepto de diseño factible y óptimo para un mayor refinamiento. Por lo tanto, esta fase implica elaborar, estudiar y examinar varios conceptos de diseño, todo con un conocimiento mínimo de los resultados experimentales y datos limitados con respecto a la practicidad del diseño. El gráfico debajo de este párrafo muestra el mayor rango de incertidumbre durante las etapas conceptuales en comparación con las etapas avanzadas. Sumado a esto, un enorme 65 por ciento del costo del ciclo de vida incurrido durante esta etapa significa que cualquier cambio en el diseño básico, más adelante, significa una reducción en los ingresos generales y la extensión de los plazos.

El dilema que comúnmente se enfrenta en la fase de diseño conceptual es el inicio de un programa de diseño sin delinear claramente un conjunto de requisitos a cumplir. Es muy importante delinear los requisitos del mercado y hacer que los clientes den a conocer explícitamente sus expectativas. Refinar los requisitos en una etapa posterior da como resultado un enfoque antieconómico e ineficiente y dicho ciclo de diseño tiene graves implicaciones en los costos del ciclo de vida incurridos. En el caso del diseño de una aeronave, existen múltiples conjuntos de requisitos y expectativas establecidos por los clientes, a menudo en conflicto. Un conjunto diverso y complejo de sistemas de aeronaves basados ​​en varias partes de una aeronave, p. alas, motor, fuselaje, tren de aterrizaje, cola y canard significan múltiples desafíos.

Lidiar con esto es un arte en sí mismo y es por eso que tales decisiones se facilitan utilizando técnicas como la Toma de decisiones de atributos múltiples (MADM). Con la ayuda de tales técnicas, entran en juego consideraciones implícitas y la toma de decisiones pasa de un enfoque determinista de punto único a un enfoque dinámico y paramétrico. Además, técnicas como el Análisis Multidisciplinario y la Optimización del Diseño son vitales para cumplir con conjuntos enredados de restricciones en dicho entorno. Esta técnica se ha descrito en el siguiente diagrama que muestra las interacciones entre varias especialidades aeronáuticas.

Con respecto a la incertidumbre en la etapa de diseño conceptual, como se describió anteriormente, los métodos establecidos se basan en teorías probabilísticas y métodos de diseño. Estos métodos implican el uso de funciones de densidad de probabilidad (PDF) y funciones de distribución acumulativa (CDF) para cada restricción de diseño. Luego, los datos de varias restricciones de diseño se grafican y analizan colectivamente. Estos datos acumulativos brindan al diseñador una visión clara de la región de diseño y si necesita relajar alguna restricción o introducir alguna tecnología para mejorar el ciclo de diseño en 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.

Diseño preliminar

Esta etapa es monumentalmente crítica para dimensionar los diversos factores de diseño para el concepto finalizado en la primera fase. Esto requiere un estudio y análisis en profundidad de las interacciones interdisciplinarias entre los diversos sistemas y subsistemas de una aeronave. Por ejemplo, el concepto de aeroelasticidad es la combinación de mecánica estructural y aerodinámica.

En la era de la ingeniería moderna actual, la fase de diseño preliminar también incluye consideraciones como confiabilidad, mantenibilidad, estabilidad y control, seguridad y economía. Ahora discutiremos con mayor detalle los desafíos que se encuentran en esta fase de diseño y la forma óptima de enfrentarlos.

El modelado sofisticado, complejo y preciso requiere el uso de algoritmos numéricos avanzados, p. Dinámica de Fluidos Computacional y Análisis de Elementos Finitos. Sin embargo, los costos computacionales excepcionalmente altos significan otro desafío para los diseñadores. El siguiente diagrama muestra en sentido figurado la compensación que implica elegir herramientas de alta fidelidad frente al uso de simulaciones simples.

Avanzar hacia herramientas complejas y de alta fidelidad no solo significa mayores costos computacionales, sino que también existe el desafío de lidiar con varias variables, que a menudo ascienden a cientos, y su interdependencia también. Por lo tanto, se dedica mucho tiempo a identificar y mapear el entorno de simulación. (¡¡La historia no termina!!!)

Si aún está interesado en el contenido, lea Diseño de aeronaves (Parte 2):Expandiendo horizontes. Gracias.