Simulazione di antenne con membrana e ossatura flessibile

Politecnico di Torino

Horizontal spacer

In questo lavoro di tesi magistrale si è preso in esame il concetto di “deployable structure”, concetto ampiamente sviluppato e considerato soprattutto in ambito spaziale. Con la definizione di struttura dispiegabile si intende una struttura in grado di poter esser impacchettata e successivamente dispiegata, tramite appositi meccanismi, nel momento che si ritiene più opportuno, passano da un ingombro minimo ad uno, una volta aperta completamente la struttura, decisamente notevole.

In particolar modo, nello sviluppo della tesi ci si è concentrati su due aspetti fondamentale della modellizzazione dell’antenna:

  • Creazione di una struttura in grado di dispiegarsi
  • Creazione di una membrana flessibile.

Per riuscire a realizzare il progetto si è utilizzato il software multibody Adams, con il quale si è progettato il modello della struttura, completo di vincoli, legge di moto e forze elastiche dove necessario, in modo da poter avere un modello il più conforme alla realtà.

Invece, per la membrana, dunque il corpo flessibile, si è sfruttato il pacchetto Patran & Nastran, in modo da poter realizzare un modello FEM e importarlo in Adams per la realizzazione dell’unità completa.

Per quanto riguarda la struttura, si sono presi in considerazione e successivamente realizzati, vari tipi di concetti di apertura, in modo da aver più modelli tra i quali poter far confronti e, in ultima analisi, considerare quello che maggiormente soddisfacesse le richieste iniziali: alto impacchettamento, facilità di realizzazione, unica forza per la movimentazione dell’intera struttura, peso finale contenuto.

Figura 1: Modello unità antenna dispiegabile

Successivamente, si è passati al secondo punto della tesi, la realizzazione della membrana flessibile, la quale è stata progettata grazie all’utilizzo di un modello FEM, utilizzando il software di pre-processing Patran e successivamente Nastran per poter creare un file che potesse contenere tutti i dati necessari per poter importare il modello in Adams e collegarlo alla struttura.

Figura 2: Modello della membrana

Per poter collegare in modo consono la membrana alla struttura, essendo un collegamento tra un corpo flessibile e uno rigido, è stato necessario creare, sul corpo flessibile, dei punti, grazie all’utilizzo di RBE2, in grado di poter sopportare delle forze concentrate.

Inoltre, la membrana, durante il moto, non subisce una variazione di forma in quanto è ancora alla parte rigida della struttura, la quale non subisce dispiegamenti durante l’apertura.

Figura 3: Modello rigido completo

Infine, una volta realizzato il modello completo avente struttura rigida e membrana, si è fatto un ulteriore passo in avanti andando a considerare la realizzazione di una struttura anch’essa flessibile. Per far ciò, si è sfruttato il tool presente in Adams che permette di creare direttamente una struttura flessibile, FE_Part, con il quale è possibile modellare le aste di dispiegamento e collegarle direttamente ai corpi rigidi.

La base e il top, in tutte le strutture realizzate si sono mantenute rigide, in modo da poterle collegare alla membrana senza dover far ulteriori variazioni di mesh al corpo flessibile.

Figura 4: Modello struttura flessibile

In ultima analisi, si sono prese in considerazione tutte le caratteristiche che maggiormente potessero influenzare la struttura, sia dal punto di vista del dispiegamento sia per quanto riguarda la struttura stessa. Per far ciò, si è sfruttata la possibilità di post-processing fornita da Adams con la quale è stato possibile confrontare i vari modelli.

Figura 5: Modello completo rigido e flessibile

Dalle analisi effettuate si può notare come, durante il moto della struttura, il modello con le aste flessibili trametta alla struttura minori sollecitazioni, permettendo così di avere un modello che si apre e richiude senza che le forze elastiche inserite tramite bushing debbano intervenire. Ciò è riconducibile al fatto che le aste flessibili hanno la capacità di deformarsi assorbendo così le accelerazioni e gli stress dell’intera struttura.

Figura 6: Analisi e confronto: andamento bushing

Per quanto riguarda l’analisi della struttura completa di membrana, si sono confrontati i vari modelli sia da un punto di vista della velocità di dispiegamento, che per quanto riguarda il comportamento della membrana.

Figura 7: Confronto comportamento membrana

Si noti, anche in questa analisi, come il modello con aste flessibili permetta di assorbire maggiormente le sollecitazioni, sia per quanto riguarda la deformazione che in riferimento agli stress. In particolare, si sono considerati gli stress di Von Mises e si è notato come, in entrambi i casi, essendo la membrana costruita in tungsteno carbide i valori massimi ottenuti siano comunque molto inferiori rispetto al valore ultimo di stress del materiale stesso, di circa 1000 MPa.

In definitiva si può concludere che sia i modelli in struttura rigida che quelli con aste flessibili, rispettino i vincoli imposti dal considerare una struttura dispiegabile, in quanto il modello con minor impacchettamento da chiuso ha un ingombro pari ad 1/6 dell’altezza complessiva da dispiegato. Ulteriore fattore da considerare è come i modelli ad aste flessibili siano in grado di assorbire le sollecitazioni attraverso delle deformazioni che comunque non vanno ad inficiare il moto complessivo della struttura, permettendo sempre una corretta apertura e chiusura. Inoltre, tali modelli, permettono un tempo di stabilizzazione della membrana ridotto.

Laureando: Marta Mollo
Relatori: Erasmo Carrera, Alfonso Pagani
Tutor: Ing. Daniele Catelani
Anno: 2020