Ottimizzazione e validazione dinamica di microsatelliti mediante l’analisi FEM
L’esperienza di SITAEL dal progetto al prodotto
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Descrizione Webinar
La space economy sta vivendo una rapida espansione, con un crescente numero di attori che investono in tecnologie all’avanguardia per l’esplorazione e l’innovazione spaziale.
Uno degli aspetti più complessi nella progettazione di satelliti è la gestione delle vibrazioni e delle sollecitazioni a cui questi dispositivi sono sottoposti durante il lancio e le operazioni.
L’analisi vibrazionale agli elementi finiti (FEA) rappresenta uno strumento fondamentale per ottimizzare la progettazione, garantendo robustezza e affidabilità, riducendo i tempi e i costi di sviluppo.
Insieme a Francesco Magistro Thermo-Mechanical Analyst, Space Engineering Department di SITAEL approfondiremo un caso di studio reale, esplorando le sfide ingegneristiche affrontate e i risultati ottenuti.
Simcenter Femap è un ambiente di modellazione agli elementi finiti su piattaforma Windows che permette di gestire tutte le operazioni di pre e post processing FEM. In Femap si può entrare con la geometria 3D costruita con qualsiasi modellatore CAD commerciale, esistono interfacce dirette per i principali CAD 3D non solo NX e Solid Edge di Siemens, ma con Femap si possono leggere direttamente file Catia, SolidWorks, Inventor, Creo e ovviamente formati neutri come Step e Parasolid che siamo in grado sia di leggere che eventualmente di scrivere e di esportare.
Una volta importata, la geometria può essere utilizzata per creare modelli ad elementi finiti molto dettagliati, utilizzando un’ampia libreria di elementi. L’utente ha a disposizione una serie di comandi che permettono di semplificare e idealizzare la geometria per consentire la generazione automatica della mesh, assegnare le condizioni al contorno e, una volta eseguita l’analisi, visualizzare e interpretare i risultati.
Uno dei punti di forza di Femap è quello di essere un ambiente neutro nei confronti del solutore. Ovviamente avendo Siemens a disposizione il proprio solutore Simcenter Nastran l’integrazione con Simcenter Nastran e il Thermal and Flow Solver di Siemens è estremamente elevato e preciso, ma tale livello di integrazione si ha anche con solutori di terze parti come ad esempio MSC Nastran, Ansys o Abaqus. Pertanto tutte queste caratteristiche, il fatto di essere CAD neutro e volendo anche neutrale rispetto al solutore permette di inserire Femap in qualsiasi workflow di analisi ad elementi finiti.
Motivi che rendono unico Simcenter Femap. Femap è molto utilizzato nel settore aerospace, ma non solo in quello, piuttosto che fare un elenco di feature e function che possano in qualche maniera ingolosire l’utilizzatore, ho posto questa domanda ai miei colleghi “Quali possono essere le funzionalità di Femap che lo rendono particolarmente adatto alla modellazione FEM in ambito spazio?” Tra tutti gli argomenti che sono emersi ho selezionato tre fattori chiave.
Il primo motivo è l’impostazione di Femap che è un preprocessore completo per Nastran, indipendentemente dal fatto che sia il Nastran di Siemens o MSC Nastran con Femap infatti posso definire fino in fondo il setup del modello utilizzando l’interfaccia grafica. Partendo creando la mesh, passando per le condizioni al contorno e arrivando alla definizione delle analisi. Altri ambienti di modellazione FEM molto noti a un certo punto possono costringere l’operatore a dover mettere le mani nel file di lancio, nel file di testo, il BDF dell’analisi.
Ecco con Femap questa operazione di editing del file di lancio e di modifica manuale non è indispensabile, a meno che non sia necessario per il progetto, non è un’operazione richiesta da Femap.
Ultimo, ma non ultimo i modelli realizzati con Simcenter Femap per Simcenter Nastran sono ampiamente accettati in ambito spaziale per cui garantiscono la piena compatibilità con progetti di questo tipo.
Il secondo motivo è quello di essere uno strumento molto diffuso, molto utilizzato e questo dà la possibilità di accedere a un’ampia documentazione su questo strumento sia di tipo ufficiale che ufficiosa. Di fatto Femap è lo strumento di riferimento utilizzato in numerose aziende del settore aerospaziale e questo grazie anche poi al network di partner Siemens che lavorano appunto su questa piattaforma rende disponibile numerosi riferimenti online come video esempi, casi applicativi e non ultimo la community di Femap che è ospitata sul blog di Siemens.
Terzo aspetto, spesso sottovalutato di Femap, è la sua programmabilità ogni comando interno di Femap è scritto utilizzando le medesime API che vengono messe a disposizione degli utenti per crearsi le proprie macro e le proprie istruzioni. Questo vuol dire avere pieno accesso al database del modello FEM sia in fase di pre-processing per automatizzare workflow ripetitivi che in fase di post-processing per creare strumenti di verifica su misura come ad esempio il caso che abbiamo visto prima della Navicella, della capsula Orion.
In realtà esistono molti altri motivi che rendono unico Femap per le applicazioni nel settore spazio, ma a nostro avviso queste tre sono tra quelle più significative.
Allora come dicevo io mi occupo appunto di analisi termomeccaniche e parte del lavoro consiste nella modellazione agli elementi finiti di tutto il satellite e della sua verifica strutturale, mi permetto di fare un piccolo excursus giusto per inquadrare il campo del caso di studio, per poi entrare più nel dettaglio del caso di studio stesso. Quindi la verifica strutturale, per quanto riguarda i satelliti è necessaria per dimostrare la capacità della struttura stessa di resistere ai carichi ambientali, questi carichi ambientali sono delle accelerazioni che perlopiù derivano dal lanciatore e si suddividono in carichi quasi statici e dinamici. Quindi per i carichi dinamici abbiamo dei carichi in ambiente Sign e Random per i satelliti, per i mini satelliti come quelli di cui ci occupiamo principalmente, quindi fino a circa 400 kg, oppure in ambiente acustico per satelliti di taglia maggiore.
Quindi per effettuare queste verifiche sulla robustezza della struttura il satellite viene posizionato in laboratorio su delle piattaforme vibranti che sono chiamate slip table, queste piattaforme vibranti vengono messe in movimentazione da un’armatura che è chiamata shaker, per collegare fisicamente il satellite a queste piattaforme si utilizzano dei componenti meccanici che sono appunto delle interfacce meccaniche che sono chiamate fixture oppure VTF abbreviato, acronimo di Vibration Test Fixture, quindi il caso di studio che presentiamo oggi riguarda proprio il design di una di queste fixture.
Se andiamo infatti alla slide successiva vediamo come queste che sono riprodotti in questa slide sono i principali requisiti che devono essere tenuti in considerazione quando si parla di design di fixture.
Praticamente si vuole realizzare un pezzo che sia sufficientemente leggero quindi la massa è uno dei primi requisiti, ma che sia sufficientemente rigido anche in modo da non accoppiarsi dinamicamente con il satellite e quindi permettere di testare il satellite, verificare quali sono le sue reali capacità.
Inoltre, devono anche essere verificate tante altre condizioni tra cui principalmente la resistenza agli stress, quindi banalmente non si deve rompere. Quando si effettua il test e ci sono anche dei vincoli, dei requisiti su la producibilità del pezzo stesso quindi trovare dei materiali adatti e anche la producibilità alle macchine utensili, quindi sfruttare la tecnologia esistente per realizzarli.
Ultimo, ma non meno importante è il costo. Si vuole realizzare ovviamente una fixture che possa essere producibile appunto anche da un punto di vista di costi, quindi che non costi eccessivamente tanto.
Nella slide successiva si riparla di Femap, effettivamente noi le analisi che svolgiamo come anche tutto il pre e il post processing sfruttiamo il software Femap.
Quindi lo sfruttiamo appunto sia per la modellazione e qui mi trovo diciamo d’accordo con quello che diceva Francesco all’inizio, sia per simulare tutte le condizioni operative che il satellite vede durante la vita operativa appunto e simulare anche il comportamento meccanico.
Poi grazie a Femap abbiamo anche la possibilità di correlare i risultati Test FEM in modo da ottenere poi delle previsioni per dei modelli successivi più adeguate.
Per quanto riguarda il caso di studio in oggetto, questa slide praticamente mostra tutto il flusso che viene seguito durante il design di questa fixture e si parte da un modello iniziale che già è presente attraverso una serie di operazioni quindi di lavoro di analisi, progettazione CAD e anche iterazioni fra i due reparti, si arriva al prodotto finale e appunto il caso di studio cerca di spiegare quello che è stato fatto in questo tipo di analisi.
Successivamente, nella slide successiva vediamo appunto l’ottimizzazione topologica, quindi la fixture è stata ottimizzata sia da un punto di vista topologico sia da un punto di vista di design e si parte da un pezzo grezzo quindi modellato in maniera molto molto grezza appunto, il quale rispetta determinati requisiti e poi viene fatta una prima ottimizzazione topologica con questa prima ottimizzazione topologica si ha all’incirca un’idea di quello che deve essere il pezzo, di come deve essere organizzato il lavoro e poi attraverso tutte le fasi che abbiamo visto prima si passa al design finale ottimizzato e infine alle verifiche che ne giustificano diciamo la producibilità.
Per quanto riguarda l’ottimizzazione topologica Femap ci permette di utilizzare diversi parametri, io qui ho semplicemente schematizzato un paio, quelli più importanti che riguardano appunto l’ottimizzazione topologica.
Quindi è possibile congelare alcuni elementi e rendere attivi altri elementi in modo da evitare o permettere che questi elementi vengano ottimizzati, quindi gli elementi congelati non verranno utilizzati nell’ottimizzazione mentre quelli attivi verranno ottimizzati. Con ottimizzazione si intende che il materiale viene eliminato laddove non serve.
Oltre a queste caratteristiche qui, ci sono anche i goal che devono essere rispettati in un analisi di ottimizzazione topologica come anche in un’analisi di ottimizzazione del design e questi goal riguardano principalmente la frequenza, la prima frequenza e la massa e il peso in generale quindi sostanzialmente si vuole che la prima frequenza del sistema accoppiato satellite più fixture sia entro un determinato range in modo comunque da evitare accoppiamenti fra i due e il peso resti contenuto entro un certo range.
Ovviamente si possono aggiungere anche dei goal riguardanti lo stress e altre tipologie di goal, di parametri insomma.
Nella slide successiva vediamo quello che è stato il flusso di analisi, qui sostanzialmente il satellite viene accoppiato alla fixture e viene fatta una prima analisi modale, questa analisi modale serve per capire quali sono gli shift in frequenza che si ottengono quando il satellite appunto è accoppiato alla fixture rispetto alla configurazione in cui il satellite viene mantenuto hard mounted.
Quindi se questi shift in frequenza non sono all’interno di un certo range che è un requisito di partenza allora si riprocede con le iterazioni di design, fin quando questi shift restano al di fuori di questo range continua il ciclo, mentre quando siamo all’interno del range allora si passa ad un’ottimizzazione topologica secondaria chiamiamola così che ha lo scopo di andare a eliminare il materiale laddove non serve. Quindi tutti gli elementi che effettivamente sono scarichi vengono eliminati e restano solo quelli che servono necessariamente. Una volta che il design finale è stato congelato vengono fatte le ultime analisi di verifica quindi il pezzo viene rimeshato completamente, molto più dettagliato, vengono fatte le analisi di verifica modale quindi si riverifica effettivamente il requisito sullo shift in frequenza e vengono fatte anche tutte le analisi a stress e anche le viti vengono verificate in modo che non ci siano problemi durante il test. Se tutte queste verifiche danno esito positivo allora si dà l’ok, si parte con la produzione.
Gli step successivi alla produzione sono la caratterizzazione del comportamento della fixture quindi si utilizza uno shaker appunto per capire come si comporta dinamicamente la fixture, si correla il modello della fixture stessa e si verifica con le diverse piattaforme.
Infatti nella slide successiva c’è un esempio di campagna di test dedicata sulla fixture. Quindi la fixture prodotta viene appunto messa sullo slip table o sullo shaker come abbiamo visto prima e vengono effettuate delle ricerche di risonanza in modo da capire qual è il primo modo della fixture, una volta che si hanno queste informazioni si prosegue, con la slide successiva, con la correlazione. Sfruttiamo anche qui Femap per la correlazione, infatti il tool integrato di charting di Femap permette praticamente di importare le curve di test e sempre all’interno dello stesso software vengono fatte tutte le verifiche affinché le curve si sovrappongano.
Quindi viene utilizzato questo tool anche per sovrapporre le curve di test e i risultati di FEM altro step successivo quindi è la verifica finale con diverse piattaforme.
Qui gli obiettivi sono per esempio sulla prima frequenza, quindi quando si effettua un accoppiamento fra satellite e fixture si deve verificare che le prime frequenze laterali di satellite non shiftino di più di un 1.5% ad esempio per i modi laterali, oppure di uno 0,5 per i modi longitudinali.
Inoltre anche la fixture deve avere appunto come dicevamo prima una massa contenuta quindi il progetto che abbiamo realizzato, che abbiamo studiato becca in pieno questi requisiti, quindi qui vediamo ad esempio per un primo satellite della piattaforma Platino i requisiti sono matchati pienamente e nella slide successiva per esempio possiamo vedere la stessa fixture, quindi riutilizzata con altre piattaforme, con satelliti di classe leggermente superiore, quindi di masse superiori, ma che comunque beccano i primi modi diciamo rispetto alla configurazione hard mounted dei satelliti.
Quindi in conclusione abbiamo presentato appunto il caso di studio che abbiamo sfruttato per progettare questa fixture, quindi siamo partiti da un caso iniziale, una fixture iniziale che era stata progettata con determinati requisiti poi è stata studiata mediante ottimizzazione topologica e di design una nuova configurazione magari più rigida, più resistente, ma anche più pesante. Dopo una serie di iterazioni CAD FEM siamo giunti al design finale della VTF il la quale è stata verificata sempre mediante FEM e ha dato esito positivo anche con piattaforme differenti.
Quindi termino qui il mio discorso. Grazie a tutti!
Ottimo, grazie Francesco allora ti chiedo se ci puoi supportare nell’avanzare con le slide. Certamente mi dici te quando devo cambiare. Perfetto!
Allora intanto questa è una brevissima agenda, quindi occuperò veramente in maniera breve il primo punto e poi lasciamo parola a Francesco per presentare il nostro caso di studio che come avevamo un po’ anticipato riguarda l’analisi, l’ottimizzazione strutturale di un supporto per satelliti per test di vibrazione con le specificità e le complessità del caso affrontate grazie al tool Femap. Volevo dare prima ai presenti giusto qualche informazione riguardo Sitael per presentarci.
Quindi possiamo passare alle slide successive Francesco per favore. Grazie mille.
Allora come hai detto correttamente Sitael è cliente SmartCAE nell’approvvigionamento della licenza e delle competenze cui SmartCAE ci supporta per l’utilizzo del software Femap.
Lo utilizziamo praticamente da sempre, per darvi un’idea Sitael nella configurazione attuale aziendale quindi con le sue sedi che andremo a vedere. Intanto per darvi qualche informazione, è parte del gruppo Angel ed è la più grande società italiana completamente a capitale privato nell’ambito dell’aerospazio.
Ci muoviamo su campi di innovazione per quanto riguarda i prodotti e a breve facciamo un piccolo excursus per vedere lo stato dell’arte, ad oggi Sitael gestisce essenzialmente tre linee principali di prodotto, partiamo da satelliti, anzi arriviamo, perché è un punto d’arrivo, alla progettazione e la realizzazione e test totalmente in house di satelliti, piattaforme satellitari tra i 75 e 500 kg.
Ci occupiamo dello sviluppo di sistemi di propulsione elettrica chiavi in mano, quindi dallo storage del propellente al propulsore stesso e ci occupiamo anche dello sviluppo di equipaggiamenti elettronici di varia natura e utilizzo sia per missioni Sitael sia per missioni di clienti terzi.
Nella slide successiva abbiamo una breve carrellata che dà l’idea della gamma di prodotti e anche dell’età di questi prodotti. I primi risalgono a tardi anni 90, primi anni 2000, in cui Sitael si occupava dello sviluppo di piccole unità elettroniche essenzialmente sistemi di gestione di potenza a bordo.
Ricordiamo AMS-01 come uno dei primi lavori importanti di cui Sitael è stata partecipante e arriviamo all’oggi con i prodotti di spicco come il satellite micro HETs sviluppato per ASI ed ESA, quindi agenzie italiana ed europea per lo spazio, che festeggerà direi a breve un anno di vita in orbita. È un po’ il sunto delle capacità Sitael in quanto la sua missione è testare e confermare la bontà delle scelte tecnologiche fatte per i nostri sistemi di propulsione elettrica e nel riquadro in alto vedete quali sono le prossime missioni gestite da Sitael in partnership con diversi partner italiani come Thales, Leonardo, Airbus per lo sviluppo e lancio delle missioni PLATINO in diverse declinazioni, come vedete anche all’interno da ultimo della costellazione del PNRR italiano IRIDE.
Dove siamo? Dove ci troviamo? Io in questo momento vi parlo dalla sede di Forlì, mentre il collega Francesco Magistro vi parlerà della sede di Pisa, l’headquarter di Sitael è a Mola di Bari vicino appunto alla città di Bari nel sud d’Italia, lì abbiamo la maggior parte dei nostri dipendenti. Pisa è l’altra sede produttiva così come la definiamo insieme a quella di Mola di Bari, altre sedi come la mia di Forlì, Roma, Torino e Milano sono sedi di progettazione e gestione. Distribuite tra le varie sedi abbiamo facility per lo sviluppo, l’integrazione e il test completamente in house di tutte e tre line di prodotto che vi ho elencato.
Passando alla slide successiva abbiamo un velocissimo excursus di quelli che sono ad oggi le già citate agenzia ASI ed ESA per l’ultima missione lanciata e collaboriamo a vari titoli a vari livelli con una serie di clienti istituzionali e privati qui riportati. Non sto a tediarvi troppo con dettagli o particolari, perché mi piace lasciare spazio poi ai contenuti del webinar.
Veniamo a noi, quindi come dipartimento ingegneria termomeccanica all’interno di Sitael, in questo momento contiamo 20 attivi inclusi me e Francesco presenti oggi al webinar. Siamo distribuiti praticamente su tutte le sedi Sitael, grazie ai mezzi di comunicazione di gestione dati messi a disposizione tra cui anche quelli che ci permettono oggi di usare indistintamente tra le varie sedi il tool Femap.
Siamo divisi in due anime quella di progettazione meccanica o mechanical design e quella di analisi termomeccanica, ramo di cui fa parte il collega Francesco Magistro.
Siamo coinvolti in tutte le fasi di vita del prodotto dalla definizione e revisione dei requisiti fino al supporto dei test preparatori, preliminari alla consegna al cliente del prodotto e in casa oggi deteniamo le competenze e i tool necessari a svolgere il nostro lavoro nelle varie fasi di vita del prodotto.
Ho riportato qualche immagine, più suggestiva che altro, per far vedere come riusciamo a coprire un po’ tutte le specificità delle nostre linee di prodotto, equipaggiamenti elettronici, sistemi propulsivi e satelliti con focus ovviamente sull’impiego. Oggi siamo qui a raccontare della suite Femap, ora non vorrei rubare più tempo e lascerei la parola a Francesco per presentare e descrivere il caso di studio di oggi.
Volevo sapere, tornando alla mia slide dove indicavo diciamo le caratteristiche di Femap che lo rendono particolarmente adatto all’analisi, alla modellazione FEM nel settore spazio, qual è il vostro punto di vista? Il punto di vista degli utenti Sitael?
Allora sicuramente mi trovi d’accordo con tutto quello che hai detto tu Francesco, però principalmente io penso che uno dei punti forti di Femap sia appunto quello che mediante una sola interfaccia grafica è possibile fare veramente tutto quello che ci può servire, dalla semplice modellazione, alla gestione di tutte le analisi, al post processing dei dati, tutto tramite appunto la stessa interfaccia. Quindi si prepara il modello si lancia l’analisi, si vedono i risultati, si eventualmente importano dei risultati di test, si fa un confronto con i risultati FEM test e questo sicuramente è una delle cose migliori che perlomeno io apprezzo di più. Sicuramente poi anche l’interfacciabilità del software con programmi come Excel o Word, basta un tasto a volte per trasferire tutti i dati necessari su tabelle Excel, oppure con un tasto creare un report in Word, quindi penso che queste siano le caratteristiche migliori, oltre a quelle che hai elencato tu ovviamente.
Perfetto ti ringrazio, l’altra domanda che mi è venuta in mente è: voi che CAD utilizzate per progettare?
Allora di progettazione usiamo Catia.
Perfetto, perché è di fatto abbastanza lo standard in questo settore.
Sì infatti c’è anche c’è anche una buona, diciamo si parlano bene Femap e Catia, abbiamo notato che l’importazione della geometria è abbastanza rapida e abbastanza corretta.
Ecco stanno arrivando anche le domande dai partecipanti. Una praticamente domanda sul discorso sulla programmabilità in Femap, si chiede se è simile al linguaggio ADPL di Ansys o al linguaggio a String PLC.
Ecco nell’uno e nell’altro mi viene da dire, nel senso, io per la mia tesi, rispondo io a questa domanda, per la mia tesi io ho sviluppato dei programmi in Ansys ADPL quindi so benissimo cosa è il linguaggio di Ansys e so benissimo che cos’è il linguaggio di programmazione di Femap. Le API di Femap di fatto sono delle vere e proprie API con le quali ci si può interfacciare con un qualsiasi linguaggio di programmazione che può essere .NET, può essere Visual Basic e quindi sono delle porte aperte che permettono di andare a diciamo dialogare, leggere, scrivere informazioni all’interno del database di Femap interagendo praticamente con tutto. Vale a dire io posso, ci sono comandi che permettono di costruire, modificare, editare la geometria, ci sono comandi che permettono di creare, editare, modificare, cancellare modelli FEM, porzioni di modello FEM. Spero che questo diciamo possa bastare come risposta.
Altra domanda che riguarda sull’ottimizzazione. Praticamente se è stata utilizzata l’ottimizzazione topologica per ottenere un design che sia ottimale per diverse condizioni di carico o è stata selezionata soltanto una particolare condizione di carico come prioritaria?
Allora sì è stata selezionata soltanto, diciamo sono state selezionate le principali condizioni di carico prioritarie e ovviamente sono quelle quasi statiche, quindi il quasi statico dimensionante, però è stata verificata anche diciamo con altre accelerazioni. Quindi ad esempio è stata verificata sia in ambiente Sign che in ambiente Random, così da avere una mappa completa di tutto quello che ci aspetta.
Ok, c’è un’ultima domanda che è legata al tema della correlazione test CAE come viene eseguita? Viene eseguita una modale con strumenti di test di cui poi viene fatta una correlazione e updating?
Diciamo che la modale viene fatta soltanto da un punto di vista analitico, quindi si fanno delle Resonance Search, delle Sign Low Level, in modo da caratterizzare la risposta, da vedere qual è la risposta della fixture in questo caso e quindi si cerca di agire su quei parametri FEM che possono allineare il FEM all’oggetto reale. Questi parametri possono essere banalmente la rigidezza delle viti di interfaccia o anche la rigidezza del materiale, quindi dipende da quello che si vuole. Di solito si cerca di correlare almeno il primo modo anche perché in questo caso, in questi casi diciamo la fixture ha un modo principale che poi è quello che può andare a dare fastidio al satellite eventualmente.
Ok benissimo, ti ringrazio. Guardiamo un attimo, non ci sono altre domande per cui procedo con ah no, invece sta arrivando all’ultimo momento! Si chiede se ci sono dei componenti in materiale composito nei vostri satelliti e come si comporta praticamente, mi immagino, interpreto la domanda, che livelli di correlazione avete tra le misure sperimentali e i modelli FEM sulle parti in composito?
Allora sì, diciamo sono stati utilizzati dei materiali in composito, sandwich con skin in CFRP in composito e per quanto riguarda la correlazione di questo tipo di pannelli, si effettuano delle prove su delle Long Beam ad esempio e poi viene correlata questa Long Beam, quindi vengono gestite diciamo i vari parametri che possono essere oggetto di correlabilità e alla fine si studia il pezzo finale. Quindi si parte principalmente da un provino e poi si applica il tutto al pannello completo.