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Analisi e progetto di carrelli, lander e fasi di docking con metodi multibody
Autore: Rodolfo Azzara - Supervisore: Prof. Carrera - Dip. DIMEAS, Politecnico di Torino
Questo lavoro di tesi svolto presso il dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino e presso l’azienda MSC Software di Torino si colloca all’interno della nuova frontiera dell’analisi multibody e, in particolare, si focalizza nel presentare e mostrare i vantaggi derivanti dall’utilizzare un approccio multibody. Lo studio della dinamica multibody è l’analisi di come i sistemi multibody, definiti come corpi connessi tra loro tramite giunti che ne limitano il relativo movimento, si muovono sotto l’influenza di specifiche forze. Il poter utilizzare un approccio di questo tipo è stato reso possibile grazie all’introduzione di opportuni software quali MSC Adams, utilizzato in questa attività di tesi, che permette in fase di progettazione di sostituire le prove sperimentali, quindi, ridurre il numero di prototipi fisici con la realizzazione di prototipi virtuali, facilmente modificabili, che permettono di migliorare la qualità del progetto e ridurre sia i tempi di realizzazione che, di conseguenza, il costo. Per fare ciò sono state studiate tre diverse applicazioni in ambito aerospaziale nel quale è possibile evidenziare l’efficacia dell’utilizzo di questi metodi.
La prima parte riguarda lo studio di un carrello d’atterraggio aeronautico durante la fase di drop-test, andando ad analizzare quali parametri di progetto influiscono sulle prestazioni del componente.
Da questa analisi si è osservato come l’ammortizzatore e i pneumatici coprissero un ruolo notevole sul corretto funzionamento del carrello. Sono state fatte delle simulazioni al variare dell’area di trafilamento, area del gas, area dell’olio e dei paramenti di rigidezza e smorzamento del pneumatico. Una volta osservato il loro effetto, sono state eseguite delle analisi di sensitività per ottimizzare questi valori con lo scopo finale di ottenere un valore del fattore di carico (n) il più basso possibile, ma comunque entro i limiti imposti dalle normative vigenti. Inoltre, è stata anche aggiunta la flessibilità, per semplicità soltanto alle gambe del carrello, per verificare il suo effetto durante le simulazioni.
La seconda parte della tesi, invece, si focalizza nello studio della stabilità di un lander durante la sua fase di discesa al suolo in ambiente marziano. In particolare, sono stati studiati diversi sistemi di controllo per permettere al veicolo spaziale di atterrare nella migliore condizione possibile, valutata sia in termini di forze che di consumo.
Sono stati implementati per prima i sistemi di controllo solo sulla posizione sia sul piano Y-Z che su X-Y-Z, dopodiché è stato aggiunto anche il controllo sulla velocità. Alla fine dei diversi scenari studiati, sono stati riportati i vantaggi relativi all’introduzione di un sistema di controllo di tipo PD. Il sistema di controllo è stato realizzato all’interno del codice Matlab/Simulink con lo scopo di mostrare un ulteriore vantaggio derivante dall’utilizzo del software Adams, il quale grazie alla sua multidisciplinarietà permette di realizzare delle co-simulazioni.
Infine, la terza e ultima parte di questa tesi riguarda sia la progettazione di un sistema di docking, sia lo studio del sistema di controllo per simulare l’efficacia di tale manovra. La progettazione di tale modello di docking si è basato su tre concetti chiave, quali: semplicità, scalabilità e versatilità. Per effettuare queste simulazioni, anche qui si è sfruttata la multidisciplinarietà del software MSC Adams attraverso il quale è stato possibile avviare delle co-simulazioni con il codice Matlab/Simulink. Si è simulato per prima la correzione del disallineamento iniziale tra chaser e target e poi il meccanismo di aggancio.
I risultati di questo lavoro di tesi hanno permesso di evidenziare la potenzialità e l’efficacia dell’utilizzo di un software multibody e, inoltre, sono stati proposti anche alcuni spunti su questi argomenti per possibili sviluppi futuri.