Progettazione e analisi strutturale di un generatore solare d'alta potenza per veicoli spaziali UNIVERSITÀ DI PISA. Facoltà di Ingegneria

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1 UNIVERSITÀ DI PISA Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Aerospaziale Tesi di laurea Specialistica Progettazione e analisi strutturale di un generatore solare d'alta potenza per veicoli spaziali Relatore: Prof. Ing. Mario Chiarelli Candidato: Giacomo Savoini Anno Accademico 2010/2011

2 Sommario La presente tesi riguarda l'analisi di alcuni parametri fondamentali per determinare il comportamento dinamico della struttura gonfiabile di un pannello fotovoltaico di grandi dimensioni per applicazioni spaziali. Il lavoro si inserisce nell'ambito della progettazione di un pannello solare flessibile, che permetta di aumentare di un ordine di grandezza rispetto al limite attuale, la potenza elettrica a bordo di un veicolo spaziale. Il generatore accuratamente ripiegato dovrebbe avere peso volume contenuti e comunque entro i limiti posti dagli attuali lanciatori, costi inferiori rispetto all'attuale tecnologia dei pannelli rigidi, mantenendo le stesse prestazioni in termini di durata, efficienza, e affidabilità. In particolare la trattazione ha riguardato lo studio della rigidezza della struttura e della dipendenza di questa dalla pressione di gonfiaggio. La legge di variazione della rigidezza con la pressione è un parametro di progetto centrale per lo studio della dinamica e delle problematiche relative alla durata Attraverso il software Ansys è stato definito un modello agli elementi finiti della struttura. Tale modello, teso a simulare il comportamento della struttura reale, cerca di approssimare le forti non linearità del materiale polimerico utilizzato. L'indagine si è concentrata proprio su questo aspetto che risulta particolarmente complesso. II

3 Abstract This essay deals with the analysis of several fundamental parameters which determine the dynamic behavior of the inflatable structure of a large photovoltaic space solar array. The work takes place during the development of a flexible solar array intended to rise the order of magnitude of available electric power on board a spacecraft. The folded array should exhibit light-weight and low volume fitting the limits of current launcher payload bays, lower costs with respect to nowadays rigid technology but same performance in terms of durability, efficiency and reliability. The following treatise is focused on the study of structural stiffness and its dependence on inflation pressure. The law of variation of stiffness as a function of pressure is of central importance in the design of dynamics and durability related characteristics. Through the software Ansys a finite element model was developed to simulate the behavior of the real structure, and trying to approximate the strong non linearity of the polymeric material used. Research focused on this very aspect which results particularly complex. III

4 Indice generale Sommario...II Abstract...III Prefazione...VI Ringraziamenti...VII 1 Il Progetto HiPER Il contesto Fonti di energia Progettazione di massima di un generatore solare di grandi dimensioni Piano di sviluppo del generatore solare Progettazione Piano di produzione e verifica Scelta della soluzione definitiva Celle fotovoltaiche Sistema ottico Substrato e struttura portante Descrizione del singolo pannello Analisi strutturale del pannello nella configurazione di volo Descrizione della geometria del pannello Descrizione dei materiali impiegati Scopo della tesi, e Metodologia Studio preliminare in forma chiusa del problema Calcolo della pmax Calcolo della tensione assiale dovuta a sollecitazioni flessionali Calcolo di pmin Calcolo p(t) Calcolo di φmax Calcolo di pope Determinazione della rigidezza equivalente Calcolo delle frequenze naturali di una sezione di pannello Analisi agli elementi finiti Scelta dell'elemento in base alle funzionalità necessarie a descrivere il comportamento del materiale Taratura della finezza della mesh per ottimizzare il tempo di calcolo Definizione del modello di materiale Modello multilineare elastico Modello iperelastico...42 IV

5 3.5.4 Simulazioni e risultati Analisi statica di un tubo rettilineo Analisi statica non lineare di un nodo Analisi statica non lineare di un nodo rinforzato Analisi statica non lineare di un modulo Analisi modale di una sezione di pannello Conclusioni Sviluppi Futuri Bibliografia...84 V