Ansys y ATI FlyZero Utilizan la Ingeniería Digital Para Diseñar Aviones Conceptuales

Todos los principales fabricantes de equipos originales de automóviles (OEMS) han anunciado que se volverán completamente eléctricos dentro de unos años, por lo que la atención se centra en la industria de la aviación para reducir drásticamente las emisiones de carbono. Si bien es mucho más difícil descarbonizar el sector de la aviación, muchos líderes de la aviación prometen alcanzar objetivos de emisiones netas de carbono cero para 2050 ¹ , por lo que los OEM de la aviación se están esforzando por adoptar nuevas iniciativas y tecnologías para alcanzar estos objetivos de manera segura.

Al adoptar la transformación digital e integrar la simulación en los flujos de trabajo, los ingenieros pueden diseñar sistemas más limpios, más rápidos e inteligentes que reduzcan las emisiones de carbono, el uso de materiales y la contaminación acústica. La ingeniería digital permite a los ingenieros integrar las mejores prácticas de sostenibilidad en todas las fases del ciclo de vida, incluida la fase de diseño conceptual.

Para respaldar el objetivo de la industria de la aviación comercial de cumplir los objetivos de reducción de emisiones ² , el Instituto de Tecnología Aeroespacial (ATI) FlyZero trabajó con las soluciones de Ansys para desarrollar tres conceptos de aviones con cero emisiones de carbono en vuelo para su uso en 2030.

ATI FlyZero quería comparar el impacto en la sostenibilidad de tres aviones de referencia con los tres aviones conceptuales (Figura 1). Los aviones de referencia son aviones de queroseno con combustible de hidrocarburos que se espera que estén en servicio en 2030. El avión conceptual explora nuevas tecnologías de propulsión, como la combustión de hidrógeno y las pilas de combustible de hidrógeno con sistema de propulsión eléctrico.

1. El tamaño mediano FlyZero utiliza combustión de hidrógeno en comparación con el tamaño mediano de referencia, que es un avión similar al Airbus A330-200 con mejoras esperadas para 2030.
2. FlyZero utiliza la combustión de hidrógeno para la propulsión, mientras que el sistema de energía a bordo se cambia a tecnología de celda de combustible en comparación con el modelo de referencia, que es un avión tipo Airbus A320-300 con mejoras esperadas para 2030.
3. FlyZero regional utiliza pilas de combustible de hidrógeno para la propulsión y los sistemas de energía frente al regional de referencia, que es un avión tipo ATR42 con mejoras esperadas para 2030.

Los aviones se dividieron en cinco módulos de diseño principales:

1. 1. Estructura de avión
   2. Propulsión
   3. Sistemas eléctricos
   4. Sistemas de poder
   5. Cabina 

FlyZero utilizó la biblioteca de datos de materiales en Ansys Granta MI y Ansys Granta Selector para establecer datos de referencia para los materiales y procesos de fabricación. Esto compara información técnica, de costos y de sostenibilidad, respaldada por una herramienta y metodología simplificadas de análisis del ciclo de vida (LCA) ( Eco Audit en Granta), y herramientas para detectar sustancias restringidas e impactos sociales. El paquete de software Ansys aborda la gestión de información de materiales para obtener información técnica y de sostenibilidad, con integración a los procesos de diseño de ingeniería:

1. Coordinación de la lista de materiales (BoM) utilizando Granta MI
2. Asignación de datos de referencia de MaterialUniverse
3. Detección de sustancias restringidas
4. Cálculo del impacto ambiental de cada línea en la BoM
5. Detección de impactos sociales
6. Detección de puntos ambientales críticos a lo largo del ciclo de vida del producto
7. Sustituir opciones de materiales y fabricación para mejorar la sostenibilidad del producto (por ejemplo, riesgos, impactos ambientales y sociales) frente a decisiones de diseño técnico.
8. Informar a las partes interesadas

La Figura 2 indica en qué parte del flujo de trabajo de desarrollo de productos el conjunto de herramientas Ansys puede intervenir tempranamente para la evaluación de la sostenibilidad y las decisiones de compensación.

El equipo de FlyZero determinó que el material con mayor impacto ambiental era el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) utilizado para las estructuras de todos los aviones. El CFRP puede reemplazar al acero y al aluminio gracias a su alta relación resistencia-peso, lo que mejora enormemente el ahorro de combustible: la densidad del CFRP puede ser la mitad que la del aluminio y cuatro veces menor que la del acero.

Sin embargo, los materiales y el proceso de fabricación del CFRP (y su baja reciclabilidad) deberían reevaluarse comparándolos con opciones de propulsión con menos  La tecnología de reciclaje y carbono de base biológica puede presentar una oportunidad para lograr un menor impacto ambiental, pero enfrenta otros desafíos, como una baja resistencia al fuego y resistencia, y actualmente todavía está en el camino hacia la escalabilidad.

La detección de sustancias restringidas también indicó que los plásticos, incluido el epoxi, presentaban algunos de los mayores riesgos, seguidos de los materiales a base de níquel. En términos de desempeño social, la lista de elementos con mayor impacto se desvió de las listas de sustancias y materiales destacados como riesgos para las listas ambientales y de sustancias restringidas, y en su lugar identificó elementos que tienen volatilidad de precios debido a problemas de abastecimiento geopolítico y/o escasez.   

La Figura 3 identifica las etapas de alto nivel del proceso de diseño e indica la integración de las herramientas y datos del software de materiales Ansys para permitir una evaluación rápida de los materiales y la fabricación para un diseño ecológico efectivo, con información sobre las opciones al final de su vida útil. La fase de diseño conceptual es un momento crítico en la vida útil de un producto, ya que es el punto en el que se deciden esencialmente los materiales, la fabricación, el diseño de la fase de uso y las decisiones sobre el final de la vida útil, y el 80% de los impactos y costos del ciclo de vida están bloqueados. Sin embargo, también es la fase de diseño con más opciones (materiales, procesos, geometría, etc.), pero tiene la menor cantidad de información detallada disponible debido a la confidencialidad del proveedor y/o falta de mediciones primarias. 

Este trabajo informó al equipo de FlyZero sobre el impacto ambiental de la aeronave cuantitativamente (potencial de calentamiento global, energía incorporada) y cualitativamente mediante la identificación de materiales peligrosos/restringidos, seguridad del suministro o abastecimiento no ético, reciclabilidad, etc. Los resultados de este trabajo informarán las decisiones para futuros desafíos de investigación y desarrollo, como la necesidad de sustitución de materiales o procesos de fabricación.