Universidade usa Simcenter Amesim para melhorar a capacidade de avaliar o comportamento do sistema de freio da aeronave em caso de falha

Brasil investe para fortalecer vínculo pesquisa-indústria

Um relatório recente do Instituto de Análises de Defesa (IDA) indica que o sistema nacional de inovação do Brasil ainda está amadurecendo, e o vínculo entre pesquisa e indústria precisa continuar melhorando. No passado, a qualidade e extensão da educação em ciência, tecnologia, engenharia e matemática do Brasil sofreram em comparação com os países pares. Assim, na última década, houve um impulso agressivo que resultou em melhorias na educação. Durante esse período, os números de graduação nos campos de engenharia e ciências duplicaram. Comparado às tendências em outros países emergentes, o Brasil agora está bem posicionado para o futuro.

Esse recente impulso também permitiu ao Brasil fortalecer os vínculos entre pesquisa e indústria. O objetivo é realizar pesquisas básicas que se alinhem com a indústria nacional e a economia privada.

Um exemplo de forte ligação entre instituições de pesquisa e indústria é a indústria aeroespacial brasileira. Um dos eixos dessa parceria é São José dos Campos, sede da Embraer e do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), uma das instituições mais fortes do Brasil para ensino superior e pesquisa avançada no campo aeroespacial.

O departamento de engenharia mecânica do ITA, liderado pelo professor Dr. Luiz Góes, realiza pesquisas sobre temas relacionados às necessidades industriais atuais. Um desses tópicos foi o desempe- nho do sistema de classificação e a tecnologia antiderrapante nos modos normal e de falha.

Continuar melhorando o desempenho do sistema de frenagem da aeronave

O sistema de freio é obviamente crítico para a operação segura da aeronave. No entanto, a definição de desempenho e confiabilidade aceitáveis tornou-se mais rigorosa nas últimas décadas, à medida que os pesos e as velocidades de pouso das aeronaves aumentaram substancialmente, e as autoridades reguladoras melhoraram seus requisitos de certificação, visando uma operação mais segura.

Portanto, o design, a arquitetura e as funcionalidades do sistema de freios evoluíram ao longo dos anos e o desenvolvimento do sistema antiderrapante, parte do sistema de freios em várias aeronaves desde 1940, marcou um marco importante na indústria. Além da principal função de impedir o travamento de rodas com freios, o sistema antiderrapante também é normalmente responsável por outras funcionalidades secundárias no sistema de freios.

Os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) aeroespaciais e fornecedores tra- balham com tecnologia de sistema de frenagem madura e confiável. No entanto, continua sendo crucial considerar todas as falhas típicas que podem afetar o desempenho do sistema de frenagem e as capacidades antiderrapantes, e como o sistema reage e compensa essas perdas.

Brake assembly model in Simcenter Amesim.

ITA usa simulação do sistema

Para fornecer uma opção alternativa, o departamento de engenharia mecânica de pesquisa do ITA, especialmente Góes e Mario Maia Neto, um candidato a PhD, pesquisaram essa questão. Eles propuseram uma abordagem complementar que permitiria aos engenheiros aeronáuticos realizar uma avaliação preliminar mais rápida, solucionando os impactos típicos de falhas no comportamento do sistema de frenagem da aeronave.

A maneira tradicional de avaliar o desempenho do sistema de freio é através da realização de testes de equipamento e campanhas de teste de voo. Mas esse processo é trabalhoso, demorado e caro. É por isso que Neto e Góes trabalharam em uma nova metodologia baseada em simulação computacional do sistema de freio hidráulico da aeronave. Seu estudo acadêmico teve como objetivo demonstrar a utilidade da simulação do sistema para projetar e validar o modelo de um sistema de freio hidráulico, a fim de avaliar o comportamento de variáveis relevantes ao sistema em condições operacionais normais e os potenciais efeitos de falhas típicas no desempenho dosistema. Pode ser do interesse da indústria complementar suas atividades de projeto de sistemas com avaliações de segurança e confiabilidade.

Neto e Góes usaram o software Simcenter Amesim™, parte do portfólio Simcenter™, para modelar o projeto hidráulico do sistema de frenagem.

Simcenter Amesim model used to investigate aircraft braking-system performance and antiskid technology in normal and failed modes.

Uma ferramenta de modelagem eficiente

Antes de modelar o sistema completo de freios hidráulicos, era importante que Neto e Góes soubessem do que o sistema era composto e como funcionava. Então, eles conseguiram transpô-lo adequadamente para um modelo e chegar às decisões corretas de solução de design.

Neto e Góes basearam suas pesquisas para este estudo em um tipo de sistema de frenagem. Este sistema de freio é fornecido pelo sistema de geração de energia hidráulica da aeronave, que depois é duplicado para fornecer energia hidráulica independentemente para cada conjunto de freio. Em cada linha do subsistema, um acumulador hidráulico é instalado para permitir que os freios sejam aplicados em condições de emergência ou com o sistema hidráulico principal desligado. Válvulas antideslizantes e válvulas de medição, exigidas pela arquitetura do sistema e responsáveis pela modulação da demanda de frenagem aplicada pelos pilotos, estão localizadas dentro de um único conjunto de válvulas. A válvula de medição consiste em uma válvula de pressão de controle; sua pressão de saída é diretamente proporcional à força aplicada pelos pilotos nos pedais de freio.

Uma vez que o sinal de entrada é recebido da unidade de controle do sistema antiderrapante, um novo equilíbrio de força é estabelecido em ambos os estágios da válvula antiderrapante, levando ao controle da pressão hidráulica nos conjuntos de freio. Finalmente, cada conjunto de freio é fornecido por ambos os subsistemas hidráulicos, existindo em total segregação entre as câmaras de pistão operadas por cada subsistema no interior do conjunto de freio.

O próximo passo é modelar o sistema com o Simcenter Amesim. O modelo é composto por três elementos com limites bem definidos: o conjunto da válvula, conjuntos do freio e blocos de entrada. Os componentes associados ao sistema hidráulico de geração e distribuição, representado pela fonte de energia, reservatório, acumuladores, tubulações, mangueiras e uma válvula de retenção, também fazem parte do modelo.

Segundo Neto, “o Simcenter Amesim é uma ótima ferramenta para criar rapidamente modelos de sistema, principalmente devido à sua facilidade em lidar com os blocos físicos encontrados em suas bibliotecas. Como avaliações preliminares do comportamento do sistema poderiam ser feitas, como engenheiro que melhorou nossa confiança nas decisões da solução de projeto.”

Brake torque response (nominal versus failed case) in Simcenter Amesim.

Prevendo o comportamento do sistema em caso de falhas típicas

Uma vez que o modelo foi projetado e validado, o objetivo de Neto e Góes era escolher arbitrariamente três grandes falhas típicas. Antecipar esses casos de falha permite que o usuário avalie quais estratégias podem ser implementadas para compensar os efeitos das falhas, de modo que os freios antiderrapantes possam continuar a desempenhar suas funções primárias.

Neto diz: “O uso do Simcenter Amesim nos ajudou a desenvolver um modelo computacional parametrizado para o sistema de freio hidráulico da aeronave para avaliar o comportamento de suas variáveis relevantes em condições operacionais normais e quando falhas típicas são simuladas.

“Devido ao rápido tempo de simulação de um software de modelagem física como o Simcenter Amesim, a presente abordagem poderia representar uma boa solução para uma avaliação preliminar rápida do comportamento do sistema em condições específicas”.

Um exemplo de falha consistiu no bloqueio de uma peça de pistão do conjunto de freio atuando em um disco de freio. A implementação deste modo de falha no modelo Simcenter Amesim é simples. Na verdade, isso é conseguido apenas mudando o valor numérico de um parâmetro do componente.

Posteriormente, Neto comparou o comportamento dos dois modos simulados e tentou encontrar o caminho certo para resolver a perda de desempenho devido ao modo de falha. Os pesquisadores descobriram que a condição de congestionamento do pistão pode ser responsável por uma redução no torque disponível (perda de 16,5% no valor do torque) de um conjunto de freio, bem como pela existência de torque residual nele. Como resultado, a distância total de parada da aeronave no pouso pode ser comprometida pelo primeiro efeito e uma condição adversa chamada de freio de arraste pode ocorrer devido ao segundo efeito.

Uma condição de freio de arraste pode, eventualmente, levar a trepidações inadvertidas no solo ou até mesmo uma ruptura de pneu devido ao calor gerado.

Para a última etapa desta metodologia computacional, a estratégia era definir ações posteriores para manter o nível de sistema necessário, como repetir o design existente e introduzir tarefas de manutenção específicas.

Satisfeito com o uso da plataforma Simcenter Amesim, Neto explica que “a modelagem física com o Simcenter Amesim é fácil de implementar. Ser capaz de clicar, arrastar e conectar os blocos físicos encontrados em suas diversas bibliotecas permite a criação de modelos complexos sem a necessidade de escrever fórmulas matemáticas inteiras para cada subsistema no modelo. A causalidade integral, a compilação e a execução de algoritmos numéricos também são rápidas.”

Brake hydraulic system model in Simcenter Amesim

Assegurando análise de desempenho, detecção de falhas e diagnóstico

O trabalho liderado por Neto incluiu um estudo acadêmico abordando um tópico de engenharia hidromecânica sem benefícios quantificáveis.

No entanto, Neto explica que, “Alguns dos pontos positivos qualitativos do uso de modelos de simulação em ciclos de desenvolvimento de produtos são destacados no artigo, como a redução dos ciclos de desenvolvimento do sistema da aeronave, a ajuda na previsão de problemas operacionais do sistema eo suporte a atividades de solução de problemas. para identificar as causas-raiz dos problemas reais de campo.

“No contexto atual, modelagem e simulação têm o potencial de melhorar a execução de várias atividades de desenvolvimento de projeto, como estudo de arquitetura de sistema, validação de requisitos, análise e otimização de desempenho, segurança e avaliação, detecção de falhas e diagnóstico.”

Simulação do sistema de ensino para futuros engenheiros

O Brasil investe e conta com as futuras gerações para fortalecer a competitividade de sua indústria com ênfase em engenharia e educação científica. Uma estratégia abrange a necessidade de saber como gerenciar as principais ferramentas de engenharia dos agentes industriais. Essa é uma visão proposta pelo ITA e apoiada por Góes:

“No ITA, nossa missão é preparar os futuros engenheiros para enfrentar os desafios de suas vidas profissionais, especialmente em um setor competitivo, como a indústria aeronáutica. Acreditamos que preparar os futuros engenheiros da Embraer com esse conhecimento especializado melhorou muito a produtividade da empresa, levando a um produto mais seguro e competitivo no mercado global. ”

O ITA e a Embraer formaram uma parceria em 2000 para desenvolver um programa de mestrado profissional, que serve como uma linha de engenheiros aeronáuticos e aeroespaciais para atender às necessidades da Embraer. Isso requer um ensino dedicado para garantir que os futuros graduados possam gerenciar os softwares usados pela Embraer, como o Simcenter Amesim.

“Ter a capacidade de desenvolver modelos de sistemas e executar simulações ajudará nossos alunos a melhorar sua compreensão sobre o comportamento do sistema, permitindo a execução de atividades pós que os ajudarão a desenvolver produtos e sistemas melhores no futuro, como otimização de sistema e análise de sensibilidade”, diz Góes.

Góes aprecia a parceria entre ITA e Siemens PLM Software: “Proporcionar aos alunos um pacote de ferramentas de software avançadas, como Simcenter Amesim fez uma grande diferença. A simulação de uma multi-física, tem sido uma ótima maneira da Siemens PLM Software apresentar aos alunos os recursos importantes dessa avançada metodologia de simulação.”