Rediseño del Fluido Plenum Gulfstream V Validación mediante CFD y estimación de costos. para obtener el grado de. Rediseño de Tesis/Proyecto de Ingeniería e Innovación para el Pleno del Gulfstream V. para la obtención del título de Maestría en Ingeniería e Innovación.
Introducción
La Figura 4 muestra el diagrama del proceso de fabricación actual de Plenum, el cual consta de 19 etapas que se explican a continuación. Encima del Plenum se instalan dos soportes, se monta una placa de identificación y el difusor.
Antecedentes
Con este estudio se pudo determinar las configuraciones necesarias para el área del Plenum, como se indica en la Figura 3. Posible rediseño del Plenum con fundición de aluminio: Actualmente existe una posible solución de diseño hecha de paneles de chapa de aluminio y fundición (Figura 11). .
Justificación Global
Con los resultados obtenidos de este proyecto, la empresa pretende reducir el número de reprocesos en el producto, así como el tiempo y costos que generan. Por otro lado, al poder identificar el material y diseño adecuado para este tipo de plenum con una configuración diferente a la que existe en el mercado aeroespacial, es posible solicitar una patente.
Planteamiento del Problema
Aunque se han realizado varias mejoras en el proceso productivo de Plenum, estas no han tenido el impacto que la empresa esperaba. Las propuestas de diseño y análisis no se completaron y no fue posible reducir o igualar el peso del pleno compuesto.
Descripción del Proyecto Global Pregunta Global de Investigación
Se realizará la validación de los procesos de análisis de elementos finitos, simulación de procesos de fabricación, análisis de materiales, CFD y análisis de costos para garantizar que cumpla con los requisitos de desempeño requeridos por el sistema de control ambiental. Análisis de Elementos Finitos [FEA]: En esta parte del proceso se realizan cálculos con cargas que reaccionan en el plenum.
Preguntas de Investigación Pregunta Específica
Justificación Especifica
Realizar un análisis de fluidos en nuevos diseños como parte del proceso de validación beneficia al proyecto, ya que proporciona total seguridad de que el componente recién diseñado cumple con los requisitos y requisitos del sistema en vuelo, teniendo en cuenta la presión y temperatura reales más las condiciones de vuelo. crítico. En lo personal, como ingeniero de diseño del departamento de pruebas, representa para mí un desafío y una excelente oportunidad estar involucrado en el rediseño de un producto ya que es algo completamente diferente a las actividades que realizo todos los días en mi lugar de trabajo.
Objetivo General de Investigación Objetivo General
Planteamiento de Hipótesis
Es posible encontrar un proceso de fabricación que mejore el precio actual del Gulfstream V Plenum que tienen los proveedores locales.
Marco Teórico
Corte: Proceso en el que la separación del material se logra con una hoja, sierra o disco hecho de partículas abrasivas. Fundición y Moldeo: Es un proceso de fabricación que consiste en fundir un material, generalmente metal o plástico, que luego se inyecta o vierte en un molde para obtener la geometría final. Temperatura: nivel de energía térmica de un punto, que es directamente proporcional a la energía cinética de las moléculas del líquido.
Velocidad de flujo: Se define como la velocidad de un elemento infinitesimal de un fluido al pasar por un punto fijo.
Marco Referencial
Para el área de validación de fluidos, Yen, Z., et al. 2014), se centró en la distribución de la temperatura del flujo dentro del componente que se muestra en la Figura 22, ya que este componente es responsable de la transmisión de la temperatura del aire de escape a los siguientes sistemas y porque aumentar el rendimiento de un motor resulta en mayores temperaturas de descarga, Yen , Z., et al. 2014), intentó observar el comportamiento térmico del fluido para relacionarlo con el comportamiento estructural y optimizar el diseño. Para lo cual aplicaron una malla hexaédrica como se muestra en la Figura 22, también se consideró un fluido compresible y el modelo de turbulencia k− ε mencionado y utilizado en los dos casos anteriores. Para desarrollar el análisis de fluidos, así como para mallar el sistema se utilizó ANSYS CFX, la malla estuvo conformada por 103.48 elementos y 42.578 nodos, como se muestra en la figura 24.
Los resultados comparativos se muestran en la Figura 25, donde podemos ver que el comportamiento del fluido en ambos casos es similar hasta los 40 segundos, de 40 a 120 segundos hay una mayor desviación entre ambos datos y a partir de 120 segundos, los datos experimentales. muestra un comportamiento lineal, mientras que los datos obtenidos del análisis muestran un comportamiento exponencial.
Metodología general
Procedimiento
Análisis CFD del diseño actual del pleno: realice un análisis computacional de fluidos del diseño actual del pleno Gulfstream V y observe el comportamiento de los valores de salida de fluido. Recuperación de Costos de Producción: Obtenga la información de costos de producción para todo el Gulfstream V Plenum para los años 2017 y 2018 según los registros de producción. Identificación de proveedores actuales: utilizando el departamento de compras, identifique a los proveedores, empresas actuales de Honeywell, que tengan la capacidad de fabricar los nuevos diseños de Gulfstream V Plenum.
Comparación de costos: Con los costos de producción actuales del Gulfstream V Plenum y las nuevas cotizaciones es posible comparar precios.
Planificación
Entregables
Cronograma
Recursos
3.1 Resultados
Cálculo de parámetros iniciales
Los primeros 18 casos se muestran en la Figura 28. Estos casos consideran una velocidad del aire cero y que la puerta del pleno permanece cerrada, por lo que el flujo de aire a través del pleno se debe a la acción del ventilador del pleno. . Como resultado de esta actividad, los casos y parámetros seleccionados se presentan de forma resumida en la Tabla 3. Es necesario simular el flujo provocado por el ventilador ACM hacia el difusor, por lo tanto se obtiene una diferencia de presión de 0.20 psi, a partir de los datos obtenidos. anteriormente, en una superficie definida entre las aspas del ventilador, se puede observar en color verde esta superficie en la figura 31, así como las superficies definidas como entrada y salida.
Es necesario simular el flujo provocado por el ventilador ACM hacia el difusor, por lo que para el análisis se consideró un cambio de presión de 0.20 psi, tomado de los datos previamente adquiridos, en el área definida en el centro de las paletas. ventilador, esta cara es visible en color verde en la Figura 31, así como las superficies definidas como entrada y salida.
Análisis de nuevos diseños
El comportamiento del fluido en el Diseño #1 mantiene una presión con poca variación en gran parte de su volumen, siendo el principal cambio de presión causado por el aumento de velocidad en el área del ventilador, que como se muestra en las Figuras 45 y 46 en verde y azul. En la Tabla 7 se muestran los valores máximos y mínimos de presión y velocidad a la salida del Plenum. Al igual que en el Diseño #1, el comportamiento del fluido mantiene una presión con poca variación en gran parte de su volumen, siendo el principal cambio de presión causado por el aumento de velocidad en el área del ventilador, lo cual se puede observar en las Figuras 53 y 54 en verde y azul.
En la Tabla 8 se muestran los valores máximos y mínimos de presión y velocidad a la salida del Plenum.
Análisis comparativo de resultados
Para el caso 1, a presión máxima, el diseño original y el Diseño #1 comparten el mismo valor, mientras que el Diseño #2 difiere en un 64.7% con respecto al valor original, esto se puede observar en la Figura 59. Comparación del valor obtenido del diseño original con el Diseño #1, tenemos una variación del 91%, y para el Diseño #2 la variación es del 89.5%. Respecto a las velocidades máximas del Caso 1, el Diseño #1 tiene una variación del 8% y el Diseño #2, 11.5% con respecto al original, como se muestra en la Figura 61.
Respecto a la velocidad máxima del Caso 1, el diseño #1 tiene una variación del 5% y el Diseño #2, un 10% con respecto al original, como se muestra en la Figura 64.
Investigación de costo actual
Como se muestra en la Tabla 10, al sumar el precio de producción de la pieza compuesta, la producción y el ensamblaje de todos los componentes del Plenum y los materiales utilizados, obtenemos un costo total por Plenum de $5.076,91.
Análisis comparativo de proveedores
Como resultado de los ajustes a las cotizaciones, en la Tabla 12 se muestran los costos de fabricación del molde y piezas fundidas, correspondientes a los dos proveedores mencionados en esta misma Tabla. La Tabla 13 presenta las operaciones de fabricación requeridas para cada uno de los diseños y sus costos, incluidos los costos de materiales. De acuerdo a lo establecido en la Actividad anterior, el costo de producción de los nuevos diseños se diferencia principalmente por el proceso de fijación, que para el Diseño #1 es remachado y para el Diseño #2 soldadura, como se observa en la Tabla 13.
Según los costos identificados que se muestran en la Tabla 14, se encuentra que el Diseño n.° 2 cuesta $31.24 menos que el Diseño n.° 1, por lo que el Diseño n.° 2 representa la mejor opción de ahorro de costos.
Análisis comparativo de costos
Conclusiones
- Conclusiones Generales del proyecto
- Aportaciones
- Limitaciones
- Líneas de investigación futuras
De acuerdo a estos resultados se verificó la Hipótesis #1, la cual establece que a través del análisis de fluidos se puede validar que las propuestas de diseño del Gulfstream V Plenum cumplen con los valores esperados de presión, flujo másico y velocidades de los fluidos. A través del análisis de fluidos se definió el comportamiento del fluido dentro del diseño del actual Plenum. Se utilizó el análisis de fluidos para definir el comportamiento del fluido dentro de las dos propuestas de diseño.
Con base en los resultados del análisis de fluidos se definió un criterio de mejora del desempeño de los componentes.
Conclusión del Proyecto Global
Por lo tanto, al Diseño 2 se le asignó una ponderación del 35% del Factor de Seguridad porque es más seguro que el Diseño 1. Por peso, el Diseño 1 tiene un 30% porque tiene un peso menor que el Diseño 1. Diseño 2. A partir de estos resultados, las propiedades del Diseño 2 en comparación con Se evaluó el diseño original, mostrándose los resultados en la Tabla 17.
Luego de evaluado este componente, se determinó que el Diseño 2 supera en 3 de los 4 parámetros respecto al original.
