Estudos Paramétricos no Projeto de Aeronaves - webx.ubi.ptwebx.ubi.pt/~pgamboa/pessoal/10403/apontamentos/capitulo17.pdf · Projeto de Aeronaves Projecto de Aeronaves - 10403 - 2013

Estudos Paramétricos no

Projeto de Aeronaves

Projecto de Aeronaves - 10403 - 2013

Pedro V. Gamboa Departamento de Ciências Aeroespaciais

Departamento de Ciências Aeroespaciais

Faculdade de Engenharia

Projecto de Aeronaves – 10403 - 2012

Universidade da Beira Interior

2

Conteúdo

• Introdução

• Estudos Paramétricos

• Apresentação dos Estudos

• Otimização Multivariável e Multidisciplinar

• Exemplo

• Conclusão





3

Introdução

• O processo de projeto é iterativo numa área definida por

requisitos rígidos;

• Este processo é satisfatório para obter a configuração inicial;

• O resultado é muito dependente dos parâmetros que definem

a aeronave;

• Os estudos paramétricos permitem compreender a influência

dos vários parâmetros no resultado final;

• Os estudos computacionais são importantes e obrigatórios

devido à extensão dos cálculos e dimensão do problema;

• É necessária experiência para definir corretamente as

interações entre os vários parâmetros e as várias disciplinas.





4

Estudos paramétricos (1)

• Os estudos paramétricos fornecem as respostas às perguntas

“E se...?”;

• A seleção e execução adequadas dos estudos é tão

importante como uma configuração boa ou análise correta

para que a aeronave “ótima” possa emergir





5

Estudos paramétricos (2) Objetivos dos estudos paramétricos

• Determinação de combinações de parâmetros do projeto

que satisfaçam os requisitos operacionais especificados;

• Cálculo dos valores para os parâmetros de configuração

mencionados acima que resultam na função objetivo mais

favorável (por exemplo, peso de descolagem ou custo de

operação);

• Estudos de sensibilidade para avaliar os efeitos de pequenas

mudanças na forma ou geometria, propriedades dos

materiais, coeficiente de arrasto, etc.;

• Análise de missão/desempenho e estudos de compromisso

para investigar o efeito de variações nos requisitos de

desempenho;

• Verificação do efeito de certos constrangimentos

tecnológicos em termos de prejuízos no peso e no custo.





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Estudos paramétricos (3) Categoria de estudos

• Estudos de projecto;

• Estudos de requisitos;

• Sensibilidades de crescimento.

Estudos de projecto Estudos de requisitos Sensibilidades de crescimento

T/W e W/S Alcance/carga útil/passageiros Peso vazio

A, L Tempo de espera CD0 e KCDwave

t/c, l Velocidade CLmax

Forma e arqueamento do perfil Taxa de volta, PS, nmax Tracção e sfc instalados

Sistemas de alta sustentação Comprimento da pista Preço do combustível

Esbeltez da fuselagem Tempo de subida

Diâmetro do hélice Nível de assinatura de radar

Materiais Preço

Configuração

tipo de cauda

enflechamento variável

número e tipo de motor

características de manutenção

disposição dos passageiros

Tecnologias avançadas





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Estudos paramétricos (4) Procedimento dos estudos

• Variar os parâmetros de projecto significa projectar muitos

aviões diferentes.





8

Apresentação dos estudos (1)

• Existem muitos parâmetros que podem ser investigados;

• Para manter o estudo tratável é preferível variar uma ou

duas variáveis de cada vez;

• O tipo de estudo a usar deve ser escolhido com base nos

aspectos que influenciam mais o projecto em questão.





9

Apresentação dos estudos (2) Estudos de dimensionamento

• T/W vs W/S





10

Apresentação dos estudos (3) Estudos de nove pontos

• “Carpet plot”





11

Apresentação dos estudos (4) Estudos de variável única





12

Otimização multivariável e

multidisciplinar (1)

• O volume computacional envolvido em estudos paramétricos

excede facilmente a capacidade de cálculo manual e a de

grande parte dos programas de computador existentes;

• Para optimizar verdadeiramente uma aeronave devem ser

incluídos dezenas de parâmetros nos estudos;

• A optimização multi-variável é uma ferramenta poderosa

para melhorar o projecto. Usa-se, por exemplo, o gráfico de

dimensionamento repetidamente e as diferenças finitas;

• A optimização multi-disciplinar do projecto, MDO, permite

criar modelos matemáticos a partir de disciplinas diferentes.

Usa-se, por exemplo, o método das diferenças finitas e

algorítmos genéticos.





13

Exemplo (1)

• Requisitos

Função:

Avião ligeiro de observação.

Desempenho:

Operação em pistas de 250 m (nível do mar e condições ISA);

Velocidade de perda 83 km/h;

Velocidade de cruzeiro 200 km/h;

Velocidade de vigilância 140 km/h;

Razão de subida ao nível do mar 4 m/s.

Missão:

Vigilância de 5 horas a 300 km da base com reservas para 2 horas de vigilância;

Manobras durante 15 minutos;

Transporte de 2 tripulantes (86 kg cada) e 40 kg de bagagem.





14

Exemplo (2)

• Equações para determinação do combustível para a missão

Fase da missão Wi/Wi-1

Aquecimento, rolagem e descolagem 0,990

Subida 1,0065-0,0324M com M 0,1

Cruzeiro R

S

W

V

K

SW

CVg

C D

P

P

e

2

0

22

2

Espera

E

S

W

V

K2

SW2

CVC 0D3

P

P

e

Manobras t

W

PC1

P

P

Descida 0,998

Aterragem e rolagem 0,998





15

Exemplo (3)

• Equações de constrangimento de desempenho

Requisito Expressão

Vel. perdamaxL

2

S CV5,0S

W

Descolagem

2

LLD

TOLLP

KCCCS

W

gs

2

C2

44,1

S

W

C

2,1

W

P0

maxmax

Razão de subida

S

W

V

K2

SW2

CVRC

1

W

P0D

3

P

Vel. cruzeiro

S

W

V

K2

SW2

CV1

W

P0D

3

P

AlcanceK

CV5,0

S

W0D2

AutonomiaK

C3V5,0

S

W0D2

Aterragem

2

LLD2

L

L KCCC15,1

C2

tg

hs

2

g

S

W0

max





16

Exemplo (4)

• Gráfico de dimensionamento

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

0 200 400 600 800 1000 1200

W/S [N/m2]

P/W

[W

/N]

WTO = 5800 N

WTO = 6300 N

WTO = 6800 N

WTO = 7300 N

Perda

Descolagem

Razão de Subida

Velocidade deCruzeiro

Alcance

Autonomia

Aterragem

Envelope

Motor disponível

Ponto Projecto





17

Exemplo (5)

• Avião ligeiro de observação

Comprimento total 5,86 m

Altura total 1,98 m

Envergadura 9,99 m

Área da asa 9,76 m2

Alongamento 10,00

Peso de descolagem 5871 N

Carga útil 2 tripulantes (86 kg cada) + 40 kg de bagagem

Peso vazio 3148 N

Alcance máximo em cruzeiro 1460 km

Distância de descolagem 235 m

Distância de aterragem 150 m





18

Exemplo (6)

• Efeito de A e Lc/4 em WTO (motor fixo)

5700

5750

5800

5850

5900

5950

6000

6050

6100

0 1 2 3 4 5 6

WT

O [

N]

A = 8,0 A = 10,0 A = 12,0

Lc/4 = -5,0 Lc/4 = 0,0 Lc/4 = 5,0

Ponto Projecto





19

Exemplo (7)

• Efeito de t/c e l em WTO (motor fixo)

5700

5750

5800

5850

5900

5950

6000

6050

6100

0 1 2 3 4 5 6

WT

O [

N]

t/c = 15,0 t/c = 18,0 t/c = 21,0

l = 0,50 l = 0,60 l = 0,70

Ponto Projecto





20

Exemplo (8)

• Estudo do efeito do alongamento (motor fixo)

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

6 7 8 9 10 11 12 13 14

Alongamento, A

Vari

ação

do

Parâ

metr

o

[%]

S WF WE





21

Exemplo (9)

• Estudo do efeito da distância de cruzeiro (motor fixo)

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 100 200 300 400 500 600 700

Distância de cruzeiro [km]

Vari

ação

do

Parâ

metr

o

[%]

sTO WF WE





22

Exemplo (10)

• Efeito da altitude para pista de dimensão constante (motor

fixo)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Altitude [m]

Vari

ação

do

Parâ

metr

o

[%]

WE WF sTO sL S





23

Exemplo (11)

• Estudo de motor elástico

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60

Escala do motor

Vari

ação

do

Parâ

metr

o

[%]

S WF tcrz





24

Exemplo (12)

• Influência da variação do CD0

-4

-3

-2

-1

0

1

2

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

Variação no CD0 [%]

Varia

ção

do

Parâm

etro

[%

]

sTO RC VC sL R

-4

-2

0

2

4

6

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

Variação no CD0 [%]

Varia

ção

do

Parâm

etro

[%

]

S WF sTO





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Conclusão

• A compreensão da influência dos vários parâmetros de

projecto requer a aplicação dos estudos paramétricos;

• Os cálculos complexos inerentes a estes estudos exigem a

necessidade de ferramentas computacionais;

• A experiência permite um estudo mais objectivo e realista;

• A aeronave óptima só é alcançada com o uso cuidado e

sistemático dos estudos paramétricos;

• Tudo influencia tudo o resto, mesmo os métodos usados.

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