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Cálculo estructural dinámico del microsatélite SATEX 1, utilizando ANSYS

.

Por Héctor Díaz García, hdgarcia@ipn.mx.Felipe Barriga Ramírez, fbarriga@hotmail.com.IPN - ESIME Ticomán. Av. Ticoman 600, Col. San José Ticomán, México D.F.

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ANTECEDENTES:

• El Proyecto SATEX involucra el diseño, construcción,

pruebas y operación de un microsatélite experimental

que se lleva acabo en y entre instituciones mexicanas de

educación superior e investigación.

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PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS

• GEOMETRÍA:– Cubo de 450 mm de lado por 435 de alto– Peso máximo en tierra 50 kilogramos

• ÓRBITA• Altura 780 Kilómetros• Heliosincrónica

• DIVISIÓN FUNCIONALDEL MICROSATÉLITE.• Plataforma• Carga útil.

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TAREAS DE LA ESIME TICOMAN

• Construcción y operación del cuarto limpio donde se integrará el satélite.

• Diseño, cálculo, construcción, y validación de la estructura del microsatélite

• Diseño de los manuales de pruebas ambientales.

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CARACTERISTICAS DE LA ESTRUCTURA

• LA ESTRUCTURA SE COMPONE DE:

• Tres placas horizontales maquinadas con nervaduras

• Unidas a su vez por un cilindro central

• Cuatro tableros verticales que son las caras laterales (paneles solares)

• Fabricación en aluminio 7075-T73

• El adaptador de lanzamientoes atornillado a la placa inferior.

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METODOLOGIA DEL ANÁLISIS

I- ANÁLISIS ESTÁTICO

• Aceleración máxima alcanzada por lanzador ARIANE IV (Factor de carga)

• Calculo analítico (“ a mano”)

II.- ANÁLISIS DINÁMICO• Modal

• Respuesta en frecuencia

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ANÁLISIS MODAL

Determinación de:• Frecuencias naturales de vibración y• Modos de vibración asociados a

ellas.

Parámetros cuantificados para la estructura únicamente.

• sin equipos (sin masa adicional)

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CONDICIONES DE ARIANE ESPACE

• PARA CALIFICAR EL MODELO DE VUELO ANTE ARIANE ESPACE SE REQUIERE QUE LAS FRECUENCIAS NATURALES DE VIBRACION SEAN:

– En el modo longitudinal (eje z) sea igual o mayor a 100 Hercios.

– En los modos laterales (x, y) sean igual o mayor a 50 Hercios.

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CONSIDERACIONES DEL ANÁLISIS

• La estructura esta unida (Considerada como una sola pieza “pegada”)

• Lo anterior se considera así debido a los tipos de uniones (pernos con un par de apriete determinado)

• Estructura encastrada en la base con forma de anillo,

• Dicha forma de anillo está dada por el adaptador con el lanzador ARIANE IV

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ESTRUCTURA SIN MUROS LATERALES

Estructura sin malla

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CONSIDERACIONES BÁSICAS.

• Frecuencia natural de un resorte está en función de su rigidez y de la masa.

• Validación de número y tipo de elementos en función de resultados reales marcados por Leissa1.

Modelo Masa Resorte.

1. LEISSA ARTUR W. NASA SP-160 VIBRATIONOF PLATES, WASHINTONG D.C. 1969

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ESTRUCTURA CON MALLA

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ESTRUCTURA CON MUROS LATERALES

• Estructura mallada y con condiciones de apoyo.

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RESULTADOS OBTENIDOSCONFIGURACIÓN ANALIZADAEstructura sin muros laterales, unicamente las tres placas unidas por el cilindro central.

LOS CINCO VALORES MAS BAJOS DE FRECUENCIA NATURAL DE VIBRACIÓN OBTENIDOS SON:

F1(Hz)

F2(Hz)

F3(Hz)

F4(Hz)

F5(Hz)

I.- Satélite empotrado en su base unicamente (simulando la unión de éste al lanzador por medio del adaptador)

o No. Elementos: 51,122o No de Nodos: 16,161

Elemento brick-8

87.8 91.7 211.7 360.7 360.7

II.- Satélite Completo con muros laterales de espesor de 0.4 mm y empotrado en la base, simulando el adaptador de lanzamiento.

o No. De elementos: 111,414o No. De Nodos: 29,988

Elemento Brick-8

153 (lateral en eje X)

159 (lateral en eje Y)

489 (longitudinal en eje Z)

697 Tor-sionen plano XZ

898 (longitudinal en eje Z, 2ºmodo)

918 (flexo-torsión).

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INTERPRETACION DE RESULTADOS

• Se tiene que el valor calculado de la frecuencia natural de vibración asociado al modo en cuestión, debe cumplir la siguiente regla:

Valor calculado >2.23(Valor de restricción)Ejemplo:

Valor obtenido. 489 > 2.23 (100 hercios) para el modo longitudinal (eje z).

Valor obtenido 153> 2.23 (50 hercios) para el modo lateral (ejes x, y).

Por tanto el análisis se considera favorable.

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CONCLUSIONES SATEX.1

• El ANSYS fue de gran ayuda para verificar, junto con el calculo “a mano” la validación del diseño de la estructura y proceder así a la construcción de la misma.

• Al obtener valores por encima de los estimados en la primera consideración se deduce que el diseño de la estructura es valido y cumple con los requisitos considerados como mínimos para el lanzamiento.

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ESTRUCTURA CONSTRUIDA.

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CONCLUSIONES ANSYS• El ANSYS presenta una gran cantidad de

opciones y menús de ayuda para los trabajos que se deseen realizar, sin embargo es necesario una asesoría constante.

• Desventajas, como la falta de compatibilidad en la transferencia de archivos (modelos) de otros paquetes.

• Como paquete de modelado es deficiente, mas no como paquete de calculo (solver)

• Seria recomendable que ANSYS fuera mas amigable con el usuario.