Accelerazioni degli equipaggiamenti soggetti a vibrazioni random
Autore
Massimiliano Cotterchio - Politecnico di Torino - [1999-00]
Documenti
Abstract
L’argomento che s’intende trattare nel presente lavoro, riguarda le accelerazioni che agiscono sugli elementi soggetti a vibrazioni random. In particolare si farà riferimento a quei particolari elementi che costituiscono gli equipaggiamenti dei moduli della stazione orbitante internazionale ISS progettati e costruiti dall’Alenia Aerospazio.
Questi moduli hanno forma pressoché cilindrica e vengono posti in orbita attraverso l’utilizzo di alcuni lanciatori, primo fra tutti lo Space Shuttle.
Durante le varie fasi del volo, gli elementi che costituiscono il modulo sono soggetti a svariate fonti di sollecitazione: vibrazioni di tipo aleatorio, enormi pressioni acustiche e shock derivanti dalle esplosioni utilizzate per la separazione delle parti del lanciatore. Tutte queste sollecitazioni si trasmettono attraverso le strutture e le sottopongono sia a stress di tipo statico sia a fenomeni di fatica.
L’insieme delle strutture che compongono il modulo costituisce un sistema dinamico in grado sia di attenuare le suddette sollecitazioni sia di amplificarle. Il risultato, che effettivamente si otterrà, deriva dalla configurazione e dalle caratteristiche dinamiche delle strutture stesse. La risposta dinamica effettiva discende dalla configurazione e dalle caratteristiche dinamiche delle strutture stesse.
A questo punto inizia ad apparire chiaro il primo problema da affrontare: la configurazione e le caratteristiche dinamiche delle strutture influenzano le sollecitazioni che esse subiscono ma, allo stesso tempo, gli stress condizionano la geometria ed i materiali del sistema. Ne consegue che per compiere una progettazione volta ad ottimizzare al meglio le caratteristiche di massa e di rigidezza del sistema è necessario svolgere alcune interazioni.
E’ evidente la necessità di riuscire ad ottenere la migliore stima possibile delle sollecitazioni durante le fasi preliminari del progetto: in questa maniera si sarà in grado di ridurre il numero di loop necessari alla definizione del progetto finale.
La stima preliminare delle sollecitazioni agenti sulle strutture di un modulo spaziale è tutt’altro che semplice ed immediata. Le difficoltà nascono a seguito dell’elevata complessità delle configurazioni strutturali con cui si ha a che fare e dalle svariate e complesse situazioni di carico da fronteggiare.
Nell’ambito di questo lavoro si sono considerate le sole sollecitazioni derivanti dalle vibrazioni di tipo random: queste discendono dalla trasmissione delle vibrazioni originate da fenomeni acustici, aerodinamici e meccanici.
La combinazione di questi effetti genera il cosiddetto ambiente d’esercizio delle strutture. La determinazione dell’ambiente d’esercizio è un compito alquanto complicato poiché sono notevoli le difficoltà nel ricreare al suolo le condizioni di volo del lanciatore in modo tale da poter misurare i livelli di vibrazione presenti. Questa procedura si compie in rarissimi casi, mentre, solitamente, si procede alla determinazione degli ambienti d’esercizio basandosi sui dati disponibili dalle passate missioni ed elaborandoli per adattarli a quella considerata. In questo modo si ottengono gli ambienti d’esercizio unicamente per un numero limitato di posizioni del modulo, le quali, solitamente, corrispondono alle zone d’interfaccia fra la struttura primaria e quelle secondarie del modulo. Le strutture secondarie non sono altro che dei sistemi progettati in maniera tale da fornire l’ubicazione degli equipaggiamenti necessari al funzionamento del modulo stesso.
Noto l’ambiente d’esercizio all’interfaccia fra la struttura primaria e quella secondaria del modulo è necessario risalire alla conoscenza delle sollecitazioni che quest’ultima trasmette al singolo equipaggiamento. Questo può essere compiuto attraverso metodologie d’analisi agli elementi finiti, ma ciò comporterebbe dei tempi d’esecuzione notevolissimi e quindi, questa strada è solitamente scartata. Inoltre, l’accuratezza del calcolo dipende dalla conoscenza del modello geometrico utilizzato nell’esecuzione dell’analisi agli elementi finiti, il quale non è per nulla ben definito nelle prime fasi della progettazione poiché dipende esso stesso dalle accelerazioni agenti sugli equipaggiamenti.
Nel presente lavoro si cercherà di mostrare i possibili metodi di stima delle accelerazioni, passati e presenti, che possono essere utilizzati nelle fasi preliminari del progetto. Come si vedrà in seguito, data la complessità del problema, quasi sempre si attuano delle semplificazioni più o meno spinte al fine di raggiungere il risultato prefissato. In molti casi, oltre alle semplificazioni apportate, si farà largo uso di concetti semi-empirici basati essenzialmente sull’esperienza, maturata negli anni, dai progettisti dei moduli spaziali.
In particolare, una porzione ragguardevole dell’elaborato, tratta la definizione e la verifica della metodologia di stima delle accelerazioni.
Questi moduli hanno forma pressoché cilindrica e vengono posti in orbita attraverso l’utilizzo di alcuni lanciatori, primo fra tutti lo Space Shuttle.
Durante le varie fasi del volo, gli elementi che costituiscono il modulo sono soggetti a svariate fonti di sollecitazione: vibrazioni di tipo aleatorio, enormi pressioni acustiche e shock derivanti dalle esplosioni utilizzate per la separazione delle parti del lanciatore. Tutte queste sollecitazioni si trasmettono attraverso le strutture e le sottopongono sia a stress di tipo statico sia a fenomeni di fatica.
L’insieme delle strutture che compongono il modulo costituisce un sistema dinamico in grado sia di attenuare le suddette sollecitazioni sia di amplificarle. Il risultato, che effettivamente si otterrà, deriva dalla configurazione e dalle caratteristiche dinamiche delle strutture stesse. La risposta dinamica effettiva discende dalla configurazione e dalle caratteristiche dinamiche delle strutture stesse.
A questo punto inizia ad apparire chiaro il primo problema da affrontare: la configurazione e le caratteristiche dinamiche delle strutture influenzano le sollecitazioni che esse subiscono ma, allo stesso tempo, gli stress condizionano la geometria ed i materiali del sistema. Ne consegue che per compiere una progettazione volta ad ottimizzare al meglio le caratteristiche di massa e di rigidezza del sistema è necessario svolgere alcune interazioni.
E’ evidente la necessità di riuscire ad ottenere la migliore stima possibile delle sollecitazioni durante le fasi preliminari del progetto: in questa maniera si sarà in grado di ridurre il numero di loop necessari alla definizione del progetto finale.
La stima preliminare delle sollecitazioni agenti sulle strutture di un modulo spaziale è tutt’altro che semplice ed immediata. Le difficoltà nascono a seguito dell’elevata complessità delle configurazioni strutturali con cui si ha a che fare e dalle svariate e complesse situazioni di carico da fronteggiare.
Nell’ambito di questo lavoro si sono considerate le sole sollecitazioni derivanti dalle vibrazioni di tipo random: queste discendono dalla trasmissione delle vibrazioni originate da fenomeni acustici, aerodinamici e meccanici.
La combinazione di questi effetti genera il cosiddetto ambiente d’esercizio delle strutture. La determinazione dell’ambiente d’esercizio è un compito alquanto complicato poiché sono notevoli le difficoltà nel ricreare al suolo le condizioni di volo del lanciatore in modo tale da poter misurare i livelli di vibrazione presenti. Questa procedura si compie in rarissimi casi, mentre, solitamente, si procede alla determinazione degli ambienti d’esercizio basandosi sui dati disponibili dalle passate missioni ed elaborandoli per adattarli a quella considerata. In questo modo si ottengono gli ambienti d’esercizio unicamente per un numero limitato di posizioni del modulo, le quali, solitamente, corrispondono alle zone d’interfaccia fra la struttura primaria e quelle secondarie del modulo. Le strutture secondarie non sono altro che dei sistemi progettati in maniera tale da fornire l’ubicazione degli equipaggiamenti necessari al funzionamento del modulo stesso.
Noto l’ambiente d’esercizio all’interfaccia fra la struttura primaria e quella secondaria del modulo è necessario risalire alla conoscenza delle sollecitazioni che quest’ultima trasmette al singolo equipaggiamento. Questo può essere compiuto attraverso metodologie d’analisi agli elementi finiti, ma ciò comporterebbe dei tempi d’esecuzione notevolissimi e quindi, questa strada è solitamente scartata. Inoltre, l’accuratezza del calcolo dipende dalla conoscenza del modello geometrico utilizzato nell’esecuzione dell’analisi agli elementi finiti, il quale non è per nulla ben definito nelle prime fasi della progettazione poiché dipende esso stesso dalle accelerazioni agenti sugli equipaggiamenti.
Nel presente lavoro si cercherà di mostrare i possibili metodi di stima delle accelerazioni, passati e presenti, che possono essere utilizzati nelle fasi preliminari del progetto. Come si vedrà in seguito, data la complessità del problema, quasi sempre si attuano delle semplificazioni più o meno spinte al fine di raggiungere il risultato prefissato. In molti casi, oltre alle semplificazioni apportate, si farà largo uso di concetti semi-empirici basati essenzialmente sull’esperienza, maturata negli anni, dai progettisti dei moduli spaziali.
In particolare, una porzione ragguardevole dell’elaborato, tratta la definizione e la verifica della metodologia di stima delle accelerazioni.
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