Structural verification of the ESEO spacecraft: from launch loads analysis to composite panels verification

The present thesis work was performed in the frame of ESEO (European Student Earth Orbiter) project. The activities that are described in this document were carried out in the Microsatellites and Space Micro systems Lab led by Professor Paolo Tortora and in ALMASpace company facilities. The thesis deals with ESEO structural analysis, at system and unit level, and verification: after determining the design limit loads to be applied to the spacecraft as an envelope of different launchers load profiles, a finite element structural analysis was performed on the model of the satellite in order to ensure the capability to withstand the loads encountered during the launch; all the analyses were performed according to ESA standards and using the software MSC NASTRAN SIMXPERT. Amplification factors were derived and used to determine loads to be considered at unit level. In particular structural analyses were carried out on the GPS unit, the payload developed for ESEO by students of University of Bologna and results were used in the preparation of GPS payload design definition file. As for the verification phase a study on the panels and inserts to be used in the spacecraft was performed: different designs were created exploiting methods to optimize weight and mechanical behavior. The configurations have been analyzed and results compared to select the final design.

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

Comparazione strutturale di componenti realizzati a terra e nello spazio mediante tecniche additive

Questo lavoro di tesi mira ad indagare, a livello preliminare, quali siano i vantaggi e gli svantaggi a livello strutturale legati alla possibilità di realizzare componenti per mezzi spaziali con tecnologie di Rapid Prototyping direttamente nello spazio: questa possibilità verrà confrontata con il caso in cui gli stessi componenti siano realizzati a terra e poi inviati nello spazio con un lanciatore. Nonostante si siano riscontrati dei limiti derivanti dalla carenza di dati tecnici sulle caratteristiche meccaniche dei materiali, è stata sviluppata una metodologia che ha fornito l’opportunità, seppur con grandi approssimazioni, di valutare il problema. Il punto di partenza dell’attività è stato quello di visionare figure ed immagini di mezzi spaziali e di scegliere alcuni componenti che possano essere oggetto di manutenzione o sostituzione in volo. Sei componenti sono stati poi modellati al CAD, ed è stata condotta un’analisi ad elementi finiti (FEM) mediante il software MSC Patran/Nastran, con lo scopo di simulare la risposta strutturale nelle diverse condizioni di carico prese in considerazione. Seppur a livello qualitativo e del tutto preliminare, sono stati svolti dei confronti in termini di massa e tensioni per valutare in quali casi sembra sia conveniente realizzare un componente a terra con tecnologie tradizionali, e in quali sembra sia vantaggioso utilizzare nuove tecnologie di prototipazione rapida stampando direttamente il componente nello spazio.

Analisi e riprogettazione del meccanismo di apertura della porta di un forno domestico

Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato presso l’azienda “Nuova Star” SpA di Zola Predosa, leader mondiale nella produzione di meccanismi di apertura per porte di forni domestici. Gli scopi principali di questi meccanismi sono quelli di bilanciare il peso della porta durante l’apertura della stessa e di generare, a porta chiusa, una opportuna forza di ritenuta che la tenga pressata contro le guarnizioni del forno. L’azienda produce una notevole varietà di modelli, realizzati mediante componenti in lamiera stampata che si basano su varianti dei medesimi meccanismi di base, in particolare un manovellismo di spinta (per ottenere il bilanciamento) e un sistema camma-punteria (per garantire la chiusura). In un’ottica di sperimentazione e innovazione del prodotto, l’azienda ha quindi espresso il desiderio di realizzare un nuovo modello, concepito attraverso un sistema inedito e originale e che allo stesso tempo risultasse più economico rispetto ai vari modelli attualmente in produzione. In particolare questo nuovo meccanismo dovrà sfruttare un sistema a cavi. L’obiettivo di questa tesi è quindi quello di ripensare il meccanismo attualmente esistente, analizzando le proprietà offerte da un sistema a cavi per sfruttarne i possibili vantaggi, sia in termini di funzionamento che di economicità del prodotto finale. A tale scopo si partirà con l’analisi concettuale dell’architettura e del funzionamento dei meccanismi su cui si basano i modelli attualmente in produzione. Si passerà poi a una seconda fase di progettazione concettuale, nella quale verranno ideate e proposte varie soluzioni alternative. Seguirà quindi uno studio articolato nei seguenti punti: - Analisi cinematica e cinetostatica - Analisi e scelta dei parametri ottimali di funzionamento - Disegno costruttivo dei vari componenti - Simulazione multibody del nuovo meccanismo tramite il software MSC Adams;