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1 UNIVERSIDADE PITÁGORAS CURSO: ENGENHARIA MECÂNICA 6º SEMESTRE ANA LEICIA SOUZA NUNES R.A 25474621 ALAN FEITOSA SILVA R.A 25981906 ADELSON LINDOSO N. JUNIOR R.A 26332671 DANIEL ALVES DOS S. NETO R.A 26338209 JOSÉ RAIMUNDO TEIXEIRA BATISTA R.A 25031269 PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PROJETO DE AERONAVE São Luis – MA 2022 3 INTRODUÇÃO Esta Produção Textual Interdisciplinar em Grupo (PTG) tem como objetivo resolver a temática “PROJETO DE AERONAVE RW105S”. O desafio será apresentar os estudos necessários para um relatório, aplicando os conhecimentos adquiridos nas disciplinas de Dinâmica de Corpos Rígidos, Eletrotécnica Geral, Metrologia e Controle Geométricosobre, Fundição e Processos Siderúrgicos e Mecânica dos Fluídos . Assim construiremos essa produção textual a partir de uma revisão bibliográfica, contando também com os conhecimentos adquirido em aula. 2 4 DESENVOLVIMENTO PASSO 01 – MOVIMENTAÇÃO DA AERONAVE. Corpos Rígidos é o conjunto de partículas agrupadas de forma que a distância entre as partes que constituem o corpo ou o sistema não sofram mudança, ou seja, essas partículas não se alteram para um referencial fixado no próprio corpo. Rotação: a observação do movimento da força aplicada ao corpo, como um pião rodando. Translação: é o movimento provocado por forças externas que agem sobre o corpo rígido. Equilíbrio estático: É uma definição baseada no repouso, ou seja, na relação de determinado referencial externo, quando nenhuma partícula que o constitui se move em relação a um dado referencial. Em relação a esse mesmo referencial, caso as partículas apresentem movimento, o corpo rígido estará então em Equilíbrio dinâmico. As situações de equilíbrio sempre dependerão do referencial adotado, isso porque o estudo de um equilíbrio depende do outro. 5 Momento de uma força: É a relação entre a força aplicada a um ponto, também chamado polo, com o produto dessa mesma força por uma distância, considerando a intensidade da força e sua linha de ação. Pode-se definir como: módulo do momento da força como o produto do módulo da força pela distância. Desenvolvimento dos cálculos: CALCULANDO AS MATRIZES DE ROLAMENTO, ALTITUDE E GUINADA PARA OS ANGULOS DEFINIDOS. 6 7 PASSO 2 - AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE SEGURANÇA PARA O AR COMPRIMIDO. a) Explique o princípio básico do equilíbrio da ponte de Wheatstone. R= Para determinar a resistência desconhecida, é necessário que a ponte de Wheatstone esteja em equilíbrio, isto é, a corrente no galvanômetro deve ser nula; Se a ponte de Wheatstone estiver em equilíbrio, então podemos igualar o produto cruzado das resistências. b) Através de algum método de análise de circuitos, deduza a relação matemática que garanta a relação R2.Rd = R1.R3 entreosresistores. R= RT = R1 x RD + R2 x R3 R1 + RD R2 + R3 VT = VR1 + VRD + VR2 + VR3 VB = VR1 + VRD + VR2 + VR3 8 PASSO 3 - ANÁLISE DE VIABILIDADE DE MATERIAIS. 3.1 Materiais disponíveis para aviação 3.1.1 Ligas de alumínio de acordo com Viana et al (2005), as ligas de alumínio, em geral, são aplicadas em cerca de 70% dos componentes estruturais dos aviões comerciais. A principal razão disso se dá ao fato de o material ter baixo peso específico, com boa resistência à fadiga e tenacidade à fratura. A indústria aeronáutica é a grande responsável pelo desenvolvimento das ligas de alumínio e a sua utilização em aplicações militares, o que começou na Primeira Guerra Mundial, segundo afirma Moraes (2000). Tal informação é complementada por Barbosa (2005), quando torna evidente que o alumínio é obtido a partir da bauxita. Vale salientar, portanto, que algo em torno de 108 milhões de toneladas desse minério foram extraídas em 1992, sendo principais produtores Austrália (36%), Guiné Francesa (17%), Jamaica (10%) e Brasil (9%). Apesar da notória participação do alumínio no desenvolvimento das aeronaves, não estudamos esse material e suas ligas profundamente, já que o foco deste trabalho é a aplicação de materiais compósitos na aviação experimental, assunto da próxima seção do estudo. . 3.1.2 Compósitos De acordo com Daniel e Ishai (1994),existem referências bíblicas que nos informam que já os egípcios usavam um compósito em sua vida cotidiana, uma vez que utilizavam palha misturada ao barro na fabricação de tijolos para as construções, o que pode ser comprovado em uma passagem bíblica (especificamente em Êxodos 5:7). Na atualidade, temos o concreto armado como um composto utilizado na construção civil e que teve o começo de seu desenvolvimento no século 19, quando foram usados pequenos pedaços de barras de aço misturados à argamassa para as construções daquela época. As resinas fenólicas, 26 misturadas com pedaços de asbesto, outro tipo de compósito, começaram a ser usadas pelo homem em diversos projetos no início do século XX. A seguir, apresentamos alguns dos desenvolvimentos em compósitos no século XX. Conforme Oliveira (2007), o primeiro casco de barco fabricado de material composto foi projetado e desenvolvido em 1942. A trançagem dos filamentos foi inventada em 1946 e aplicada à tecnologia de mísseis em 1950. O planador FS-24 Phoenix, construído em Stuttgart em 1957, foi a primeira aeronave construída em fibra de vidro. A primeira fibra de boro e as fibras de carbono de alta resistência foram usadas pela primeira vez no início de 1960, com aplicações avançadas na indústria aeronáutica em 1968. Matrizes metálicas, tipo boro-alumínio, foram introduzidas na construção de aeronaves em 1970. A empresa Dupont desenvolveu o Kevlar (ou aramida) em 1973. 9 Segundo Oliveira, Ainda, Conforme descrito por Callister, Pebly (1987) acrescenta a informação que os compósitos poliméricos podem ser entendidos como sendo a combinação de dois ou mais materiais, quais sejam: elementos de reforço e/ou cargas unidos por uma matriz polimérica, diferindo em forma e/ou composição. Esses componentes retêm suas identidades individuais, podendo ser fisicamente identificados, apresentando, porém, uma interface entre eles, o que lhes confere uma atuação em conjunto na aplicação final do compósito. Os compósitos podem ser divididos em: a) Compósitos reforçados por partículas (grandes ou por dispersão). b) Compósitos reforçados por fibras (de maneira contínua, de maneira descontínua alinhada, ou de maneira descontínua ordenada aleatoriamente). c) Compósitos estruturais, que podem ser laminados ou painéis em sanduíche, este último usado em grande escala na aviação civil e militar, e em outras áreas de engenharia. Callister (2006) afirma que, tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles em que a fase dispersa encontra-se na forma de uma fibra. Os objetivos de projeto dos compósitos reforçados com fibras incluem, com frequência, resistência ou rigidez alta em relação a seu peso, ou seja, suportam melhor as forças externas, em relação a outros materiais não “fibrosos”. Conforme Flamínio (2006), há uma extensa variedade de métodos de processamento disponíveis para se produzir compósitos de matriz polimérica, que podem ser classificados em processos de molde aberto (e.x. moldagem manual, moldagem por spray), processos de molde fechado (e.x. moldagem por injeção, moldagem por compressão, moldagem por transferência de resina) e processos contínuos (e.x. pultrusão, produção de laminados). A figura a seguir apresenta um panorama da distribuição percentual dos processos de fabricação de compósitos no Brasil.Os compostos se difundiram completamente na década de 70, nas indústrias aeroespaciais, automobilísticas, de equipamentos esportivos e aplicações biomédicas. Os anos da década de 1980 marcam o grande incremento da utilização das fibras de alto módulo. Atualmente, a ênfase está no desenvolvimento dos novos sistemas metal/matriz e cerâmica/matriz, bem como nos sistemas carbono/carbono para as aplicações em altas temperaturas. De uma maneira geral, pode-se considerar um material compósito como sendo qualquer material multifásico que exiba proporção significativas das propriedades de ambas as fases que o constituem, de tal modo, que é obtida uma melhor combinação de propriedades. De acordo com esse principio de 27 ações combinada, melhores combinações de propriedades são criadas através da combinação judiciosa de dois ou mais materiais distintos. Também são feitos intercâmbios de propriedades para muitos materiais compósitos. A ação combinada, melhores combinações de propriedades são criadas através da combinação judiciosa de dois ou mais materiais distintos. Também são feitos intercâmbios de propriedades para muitos materiais compósitos 10 3.1.2.1 Materiais compósitos na indústria aeronáutica. Conforme descrito por Oliveira (2007), a construção aeronáutica tradicional consiste na fabricação da estrutura da aeronave em madeira ou alumínio e, posteriormente, o seu recobrimento com placas ou chapas de madeira ou alumínio. Esse tipo de construção recebe duas designações: estrutura monocoque e estrutura semimonocoque. A Figura 15 apresenta esses dois tipos construtivos. Etimologicamente, a monocoque vem do Francês e quer dizer corpo único, ou seja, uma estrutura em forma de casca, capaz de suportar todas as cargas a ela imposta. Essa concepção é utilizada na construção aeronáutica desde a década de 1930. A estrutura semimonocoque difere da monocoque, porque, neste tipo, aparece um terceiro elemento que são os tensores longitudinais. Figura 15 - Tipos de estruturas de fuselagem de aviões Fonte: www.47ft.com. O maior desenvolvimento dos materiais de revestimento de estruturas de aeronaves ocorreu durante a Segunda Grande Guerra Mundial. Nessa época já se usavam, em grande escala, as ligas leves de alumínio em forma de chapas finas. Conforme nos informa Barbosa (2012), ainda na Segunda Grande Guerra Mundial, uma empresa inglesa desenvolveu o projeto e construiu um caça bombardeiro, denominado DH98 Mosquito, do qual toda a estrutura e os revestimentos eram em madeira. Naquela época, o consumo de alumínio na indústria bélica estava acima da capacidade de produção das indústrias metalúrgicas, o que tornou imperativo o desenvolvimento de materiais alternativos para a construção de aviões. Um material conhecido como Gordon Aerolite, fabricado com fibras não retorcidas de linho e resina fenólica, foi desenvolvido no final da década de 1930 pelo Dr. Norman de Bruyne, no Centro de Pesquisa de Cambridge na Inglaterra, para aplicação aeronáutica. Esse material foi utilizado no revestimento da fuselagem do caça de combate Spitfire, sendo o seu peso igual ao da fuselagem revestida Centro de Pesquisa de Cambridge na Inglaterra, para aplicação aeronáutica. 11 3.1.2.2 Substituição do alumínio por materiais compostos na indústria aeroespacial Segundo a EADS (European Aeronautic Defense and Space) (2004), os materiais compostos são, ao lado do alumínio, os materiais mais importantes para a construção aeronáutica na atualidade. Nos últimos 40 anos, os materiais compostos passaram a representar 15% de redução de peso estrutural nos aviões comerciais, e 50% de redução de peso nos helicópteros e aviões militares. No período de 2002 a 2003, várias instituições europeias (EADS, SICOMP, Universidades, etc.) organizaram o evento Composit Thematic Network, segundo nos informa Franco (2011). Esse evento foi constituído de dez workshops, que tiveram como objetivo detectar os problemas de utilização dos materiais compostos em vários ramos de transportes, entre eles o ramo aeroespacial. As conclusões desses workshops foram, dentre outras: Diminuição de custos. Desenvolver processos de fabricação automáticos de materiais compostos, isto é, desenvolvimento e aplicação de tecnologias de conformação de tecidos, em conjunto com sistemas de resina que permitam a impregnação do tecido, e a sua cura, sem a utilização de autoclave. 31 Desenvolvimento de metodologias de projeto e ferramentas analíticas que permitam a simulação do material composto e do processo de fabricação (especialmente comportamento não linear e comportamento de longo prazo). Desenvolvimento de sistemas de materiais (fibras, sistemas de resinas, binders), com relação a custo, métodos de fabricação e desempenho. Por exemplo, desenvolver a nanotecnologia aplicada a materiais compostos. Desenvolvimento de técnicas avançadas de união de peças ou partes (colagem, ou uniões aparafusadas), para aumentar o desempenho destes conjuntos e diminuir custos de fabricação. 3.1.2.3 Aplicações dos materiais compósitos na indústria aeroespacial De acordo com a EADS (2003, citado por FRANCO, 2011), devido à alta resistência específica, à alta rigidez específica, à alta resistência à fadiga, à alta resistência à corrosão e à alta capacidade de absorver energia, os materiais compostos se tornaram materiais com emprego crescente no ramo aeroespacial. A Figura abaixo apresenta a comparação de desempenho mecânica dos materiais compostos em relação ao aço, ao alumínio e ao titânio, que são materiais tradicionalmente utilizados na indústria aeroespacial. 12 3.1.2.4 O estado da arte de aplicação dos materiais compósitos na aviação civil Na Europa, a Airbus, e, nos EUA, a Boeing são os fabricantes de aviões que lideram o desenvolvimento da tecnologia que permite a substituição dos materiais tradicionais pelos materiais compostos. Evolução da substituição de componentes por materiais compostos Fonte: DRL Braunschweig A Figura apresenta o estado da arte de aplicação de materiais compostos na área da aviação civil. Nela, observa-se que, além da quantidade de peças fabricadas de material composto ter crescido substancialmente, a importância estrutural dessas peças também cresceu. 13 Figura : O estado da arte na utilização de materiais compostos na aviação civil Fonte: FRANCO, V. Compósitos, fratura e dano. De acordo com Franco (2011), a aeronave Boeing 787 Dreamliner é considerada uma revolução na aplicação desse tipo de material em sua estrutura. Enquanto compósitos representam 50% do peso (80% do volume) da estrutura do Dreamliner, outros materiais também são usado, por exemplo, Alumínio: 20%, Titânio: 15% (este avião foi o primeiro modelo de dimensões grandes, comercial, a usar a tecnologia de materiais de Titânio em sua construção), Aço: 10% e outros materiais: 5%. Na aviação militar, a aplicação dos materiais compósitos está em estágio mais avançado do que na aviação civil, como é apresentado na figura abaixo: Percentual de material composto usado na aviação militar Fonte: EADS Segundo a EADS (2003, citado por FRANCO, 2011), os motivos que provocam a utilização mais intensiva de material composto na aviação militar do que na aviação civil são os seguintes: Requerimentos de segurança menos rígidos quanto à utilização de novos materiais. Maior quantidade de verbas para pesquisa e desenvolvimento na área militar, visto que os governos dão suporte aos centros de pesquisa. Peças de menor tamanho. 14 3.1.2.5 Compósitos Estruturais A combinação de baixa massa específica com valores elevados de resistência e rigidez que os compósitos poliméricos avançados proporcionam permite que essa classe de materiaisseja empregada nas indústrias aeronáutica e espacial em substituição aos materiais metálicos tradicionais, conforme nos informa Malek (1992). Com base em Rezende (2007), desde o advento das fibras de vidro, aramida e carbono, a indústria aeronáutica tem se utilizado dessa tecnologia na fabricação de peças para aeronaves, ilustrada pelo uso de materiais compósitos, em substituição aos materiais metálicos, das aeronaves Boeing 777, Airbus A-380 e do Embraer 170. Com a evolução tecnológica, os materiais poliméricos de alta resistência estrutural foram ganhando espaço nesse segmento, podendo ser observado um crescimento desses materiais na fabricação das aeronaves, tendo-se hoje projetos de novas aeronaves com a previsão de uso de 50% em peso em materiais compósitos. A figura a seguir ilustra o uso de materiais compósitos na aeronave EMB 170. Vista explodida da aeronave Embraer 170 mostrando os componentes fabricados compósitos poliméricos avançados. Fonte: EMBRAE 3.1.2.6 Prepregs ou pré-impregnados De acordo com Baker et al (2002), o termo pré-impregnado é aplicado a todo produto intermediário, pronto para moldagem, e pode ser definido como sendo uma composição de fibras de reforço com um determinado polímero, termorrígido formulado ou termoplástico, em uma particular fração em massa. Esses materiais oferecem uma combinação de consistência e processabilidade de produto, devido à quantidade controlada de resina, porém requerem a aplicação de vácuo e pressão durante o processo de cura. As duas matérias-primas básicas para a produção de pré-impregnados são a matriz polimérica e as fibras de reforço na forma de tecido ou fitas unidirecionais. A fibra de carbono é um dos reforços que possui maior módulo e resistência disponível para aplicação estrutural. Já a resina epóxi termorrígida utilizada no pré-impregnado apresenta-se parcialmente polimerizada, estágio de cura conhecido como estágio B, exigindo o seu armazenamento a -18º C para a desaceleração do processo de polimerização. 15 Historicamente, na produção da indústria aeronáutica, a maioria dos componentes é fabricada pelo método convencional de corte e laminação manual das camadas do material préimpregnado, sobre um molde devidamente preparado com agente desmoldante, seguido da cura em autoclave, complementa Costa et al (2005). Conforme Hergenrother (2000), apesar das vantagens que os materiais compósitos apresentam e que motivam a sua utilização na indústria aeroespacial, essa classe de materiais tem como desvantagem, em comparação aos metais, a susceptibilidade aos danos, perdendo muito de sua integridade estrutural quando isso ocorre. Os danos podem ocorrer durante o processamento da matéria-prima, ou durante a fabricação da peça, seu manuseio, seu transporte, sua armazenagem, manutenção ou em serviço. Costa et al (2005), concluem, ainda, que a cura de uma matriz polimérica é considerada como sendo a chave para a fabricação de compósitos poliméricos avançados a partir de sistemas pré-impregnados, durante a qual a matriz encontra-se em um estágio intermediário de cura. A qualidade final do produto obtido pode ser controlada pelo estudo do ciclo de cura empregado, associado aos parâmetros de processo, tais como: tempo, temperatura, pressão, assim como a sequência na qual essas variáveis são combinadas. TAREFA 04 – ANÁLISE AERODINÂMICA DO RW105S. a) Pesquise o que é e qual a importância das linhas aerodinâmicas (carenagem). R= A Aerodinâmica é o estudo das forças que atuam sobre um objeto em movimento no ar que o evolve. As forças aerodinâmicas agem sobre aeronaves, barcos à vela, automóveis ou qualquer outro objeto que se desloque no ar. Cientistas e engenheiros estudam as forças aerodinâmicas porque estas afetam o movimento dos objetos. O estudo da aerodinâmica foi condição necessária para a construção dos primeiros aviões. hoje em dia a indústria aeronáutica usa os princípios aerodinâmicos ao projetar qualquer tipo de avião. Estes princípios também se aplicam à força do ar que passa por edifícios e pontes. Em consequência, os arquitetos têm de basear-se na aerodinâmica para certificar-se se um arranha-céu poderá suportar a força do vento. Da mesma forma, a aerodinâmica ajuda os desenhistas a melhorarem o desempenho dos automóveis. Por extensão os engenheiros utilizam estes princípios ao lidarem com as forças que atuam sobre objetos postos em fluídos que não sejam o ar. É o caso dos engenheiros que fazem projetos de submarinos, carburadores de automóveis e turbinas. A aerodinâmica é parte de um ramo da engenharia que estuda a dinâmica dos fluídos. Algumas espécies de vôo não envolvem aerodinâmica. Um ônibus espacial que se desloca acima da atmosfera não envolve aerodinâmica porque ali não há ar, consequentemente não há forças aerodinâmicas. b) Faça um levantamento bibliográfico sobre as forças de sustentação e os seus respectivos equacionamentos, quando se trata de aviões. R= A utilização dos princípios de hidrodinâmica permitiu à humanidade desenvolver superfícies com perfis aerodinâmicos que permitiam o surgimento de forças verticais que se contrapunham à força peso, tornando o voo de um corpo com densidade maior do que a do ar possível. A seguir, iremos estudar o equacionamento básico desta força, que é a responsável pelo voo e o entendimento de conceitos importantes, tais como: 16 – Centro de Pressão (CP); – Corda Média Aerodinâmica; – Estabilizadores horizontal e vertical, entre outros. Na figura a seguir observa-se a situação normal do voo, no qual se tem um escoamento laminar, não turbulento na parte superior (extradorso) e na parte inferior (intradorso) de uma asa de uma aeronave. Devido à incompressibilidade do ar e do efeito Venturi no intradorso, como se tem uma velocidade menor, devido ao menor percurso do ar, tem-se uma pressão maior do que no extradorso, que, devido ao maior percurso do ar, tem um escoamento com maior velocidade e, portanto, menor pressão. Essa diferença de pressão entre o intradorso e o extradorso é a responsável pelo surgimento da força de sustentação L (Lift). É necessário que saibamos o ponto de aplicação das forças que nele agem. No caso da força de sustentação, ela é aplicada em um ponto denominado centro de pressão (CP). Denominando a linha que liga o bordo de ataque do aerofólio (ponto mais anterior) ao bordo de fuga (ponto mais posterior) de corda média aerodinâmica, define-se o ângulo de ataque α como sendo o ângulo que a corda média aerodinâmica forma com a direção ao vento relativo. 17 É lógico que esse vento relativo surge devido à ação dos motores da aeronave que a impulsionam para frente. A ação dos motores gera a força de tração que será estudada mais para frente. A força de sustentação depende da velocidade do vento relativo v, da densidade do ar, do coeficiente de sustentação CL e da área alar (área da asa) S. O coeficiente de sustentação é função do design da asa, o que envolve o perfil utilizado, e do ângulo de ataque. Matematicamente, a força de sustentação é dada por: Um fato importante sobre a força de sustentação é aquele na qual a asa se encontra no ângulo de ataque crítico. Esse ângulo é aquele no qual o filete de ar se descola da asa, gerando uma diminuição brusca na sustentação, conhecida como estol (do inglês stall, significa “apagamento”). c) Com base na análise aerodinâmica do modelo RW105S, qual é o tamanho da corda (c) e a envergadura (b) adequada da asa se a distância de decolagem deve ser de 1 km? Assuma que toda a sustentação e arrasto sejam devidos à asa e que o avião esteja decolando no nível do mar. 18 TAREFA 05 – PROPAGAÇÃO DE ERROS SP = ± P √S 2 4+ S 2 1 U 2 I 2 SP ± 324 × 48 √0,1 2 + 0,5 2 20 × 8 2 15× 6 2 SP = 10,516 P= 324 × 48 ± 10.516 P= U×I P =20.8 x 15.6 P = 324.48 19 CONCLUSÕES Podemos constatar que esse relatório foi de suma importância para aprofundarmos os nossos conhecimentos teóricos com situações práticas, do exercício da profissão de engenheiro mecânico. Desenvolvemos nossas capacidades de compreender os conceitos da aerodinâmica. Concluímos assim, que a partir dessa produção textual fixamos os conteúdos ministrados nesse semestre e assim desenvolvemos a capacidade crítica para a resolução das atividades profissionais. 20 REFERÊNCIAS https://www.portalsaofrancisco.com.br/fisica/como-funciona-aerodinamica https://www.preparaenem.com/fisica/forca-sustentacao-um-aviao.htm https://www.ufpe.br/documents/616030/926745/Estudo_aerodinamico_de_disposit.pdf/accf8787-204a- 48a4-bb87-2b10e2cbe37b https://www.portalsaofrancisco.com.br/fisica/como-funciona-aerodinamica https://www.preparaenem.com/fisica/forca-sustentacao-um-aviao.htm https://www.ufpe.br/documents/616030/926745/Estudo_aerodinamico_de_disposit.pdf/accf8787-204a-48a4-bb87-2b10e2cbe37b https://www.ufpe.br/documents/616030/926745/Estudo_aerodinamico_de_disposit.pdf/accf8787-204a-48a4-bb87-2b10e2cbe37b 21 3
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