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Symposium fürProduktentwicklung & Product Lifecycle Management10. April 2014, HSR Hochschule für Technik Rapperswil
Die Rolle der Simulationin der RaumfahrtRalf UsingerRUAG Space
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtRUAG Space im Überblick
Grösster unabhängiger Europäischer Lieferant von Weltraumprodukten
Sieben Standorte in drei Ländern (CH, SE, AT)
US Büro in Denver, Colorado 1150 Angestellte (Ende 2013) Umsatz (2013): 299 Mio. CHF Hauptsitz: Zürich (CH)
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Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtRUAG Space Schweiz
20.03.2014│RUAG Space│3
Zürich Nutzlastverkleidungen für Trägerraketen Interstage Adapter für Trägerraketen Satellitenstrukturen Präzisionsmechanismen Optische Kommunikation Wissenschaftliche Instrumente
Emmen Integration der
Nutzlastverkleidung
Nyon Schleifringe Mikro-Bioreaktoren
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtSatellitenstrukturen
Lasttragende Strukturen von Satelliten sind typische Leichtbaukonstruktionen
Minimale Masse, strenge Anforderungen an Schwingungsverhalten Steifigkeit Festigkeit Stabilität
Flächige Strukturelemente überwiegend in Sandwich-Bauweise hergestellt Deckschichten aus hochfesten Aluminium-
legierungen oder aus Kohlefaser-Kunststoff-Verbunden
Aluminium-Honigwabenkern
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MetOp PLM Struktur
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtBedeutung der Simulation
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Simulation ist ein zentraler Bestandteil des gesamten Produkt-Entstehungsprozesses Bewertung der technischen Anforderungen aus dem Pflichtenheft Auswahl von geeigneten Materialien und Bauweisen Vergleich von verschiedenen Strukturkonzepten Nachweis, dass alle technischen Anforderungen eingehalten werden Überprüfung der Machbarkeit der zur Herstellung, zum Zusammenbau
und zum Test der Struktur notwendigen Abläufe Auswertung von Messungen zur Verifikation der Hauptanforderungen Korrelation der Rechenmodelle mit den Testergebnissen
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtBerechnungsschwerpunkte
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Dynamik• Eigenfrequenzen• fremderregte Schwingungen• Akustik & Schock
Statik• quasi-statische
Beschleunigungen• Temperaturfelder
Dimensionsstabilität• Temperaturänderungen• Feuchteänderungen• Schwerkraft
Schadenstoleranz & Lebensdauer• Safe Life Analyse• Fail Safe Analyse Simulation
Stabilität• globales Beulen• lokales Beulen
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtHerausforderungen
Herausforderung «Right-First-Time» keine
Möglichkeit für Reparaturen im Weltraum (Ausnahme: Hubble)
Konsequenzen Notwendigkeit von vielen Tests auf
verschiedenen Stufen (Material, Komponente, Baugruppe, …)
Limitierung des Testaufwandes durch Simulation und Korrelationder Modelle mit Messungen
Rigorose Reviews durch Kunden
Lösungsansätze Lückenlose Rückverfolgbarkeit von
Materialien und Bauteilen Vollständige Dokumentation aller
Annahmen, Eingabewerte und Ergebnisse
Validierte Berechnungswerkzeugeund -verfahren (in der Raumfahrt ist Nastran de facto der Standard)
Statistisch abgesicherte Material-kennwerte (A-Werte) aus anerkannten Quellen
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Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtHerausforderungen
Herausforderung Modellierung ist stark reguliert,
bis hin zur Vorgabe von Softwareversionen erlaubten Elementtypen Nummernbereichen für Knoten,
Elemente, Koordinatensysteme, Materialeigenschaften usw.
FE-Modelle sind an den Kunden abzuliefern und müssen strengen Qualitätsanforderungen genügen
Model Checks sind mühsam und dauern zu lange
Konsequenzen Model Checks werden nicht regel-
mässig durchgeführt, sondern oft erst, wenn das FE-Modell «fertig» ist, d.h. wenn Ergebnisse produziert werden müssen
Erhöhtes Risiko für unvorherge-sehene Modellanpassungen
Lösungsansätze Automatisierung der FE Model
Checks nach vordefinierten Standards, inklusive Erstellung der entsprechenden Dokumentation
20.03.2014│RUAG Space│12
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtHerausforderungen
Herausforderung Enge Verzahnung von Konstruktion,
Strukturberechnung, Materialtests und Produktion; gilt insbesonderefür Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden
Konsequenzen Unnötiger Leerlauf und
Wartezeiten, falls nicht gut koordiniert
Erfordert ein grosses Mass an Planung und Kommunikation
Lösungsansätze Einführung eines schlanken
Produktentstehungsprozessesdurch Übertragung von Ideen aus der «Lean Production» auf das «Lean Development»
Strukturierte Prozesslandkarte mit klarer Definition von Rollen, ihren Aufgaben, Kompetenzen und Verantwortungen
Unterstützung durch geeigneteIT-Werkzeuge wie PDM/PLM im gesamten Entwicklungsablauf
20.03.2014│RUAG Space│15
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtNutzen der Simulation
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Simulation spielt in allen Phasen der Produktentwicklung eine entscheidende Rolle, vom Grobentwurf des ersten Prototypen biszum rechnerischen und experimentellen Nachweis der Flugeinheit: Durchspielen einer grösseren Anzahl von Varianten in einem
gegebenen Zeitraum Reduktion von teuren und zeitaufwendigen Versuchen auf das
notwendige Minimum Verkürzung von Entwicklungszeiten Tests auf der Erde können oft nicht 100% repräsentativ sein,
Notwendigkeit von verifizierten Rechenmodellen Simulation ist der Schlüssel für die effiziente Entwicklung und
Verifikation von Raumfahrtkomponenten
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtAnwendungsbeispiel: LISA Pathfinder
LISA Pathfinder:Technologiedemonstrator für die LISA Mission zum Nachweis von Gravitationswellen
LISA Pathfinder SCM: Geringe Masse,
grosse Steifigkeit und Festigkeit Hohe Dimensionsstabilität, um
die durch den Satelliten selbst erzeugten Störungen des Gravitationsfeldes zu minimieren
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Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – wichtigste technische Anforderungen
Temperaturausdehnungskoeffizient (CTE): < 0.9 ppm/K für Primärstruktur und externe Paneele < 0.3 ppm/K für Stützstruktur des Instruments (LCA)
Steifigkeit: 43.5 Hz lateral, 82.5 Hz axial Masse der Satellitenstruktur: 80 kg Masse des voll integrierten Science Module: 500 kg
Festigkeit: Quasi-statische Lasten beim Start9.5 g axial, 2.0 g lateral (Trägerraketen: Rockot, Dnepr)
Abmessungen der Satellitenstruktur: 1.8 m x 1.8 m x 0.85 m
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Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtISA Pathfinder – Strukturkonzept
Bestes Konzept um die verschiedenen Anforderungen zu erfüllen:Klassische Sandwichstruktur mit Zentralzylinder, Schubwänden und Aussenpaneelen aus kohlefaserverstärkten Deckschichten und Aluminiumwabenkern
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LCA Haltestruktur(ohne Deckel)
Satellitenstruktur(ohne obere Plattform)
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Definition Sandwich Paneele
Pre-preg aus M55J Kohlefasern und EX1515 Cyanate Ester Harz Geringe Feuchteaufnahme (0.04% bei 27°C und 85% r.F.) Niedrige Ausgasrate (TML: 0.179%, VCM: 0.007%) Dicke einer uni-direktionalen Lage 0.075 mm
Primärstruktur: 0.6 mm Deckschicht (8 Lagen) Sekundärstruktur: 0.3 mm Deckschicht (4 Lagen) Quasi-isotroper Lagenaufbau, um den CTE in der Ebene der
Sandwich Paneele zu minimieren Aluminiumwabenkern (3/16-5056-.0007p und .001p)
Gewickelte Kohlefaser-Winkel für Paneel-Paneel Verbindungen
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Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Nachweis der Dimensionsstabilität
Coupons Prüfgegenstand: Laminat- und Sandwichproben (40mm x 40mm)
Sandwich Paneele Prüfgegenstand : blanke Sandwich Paneele (600mm x 600mm)
Baugruppen Prüfgegenstand : LCA Bodenplatte und Zylindersegmente Effekt der Verbindungen zwischen den Paneelen (gewickelte CFK Winkel)
Gesamte Satellitenstruktur Prüfgegenstand : zusammengebaute Gesamtstruktur Verformungen und Temperaturausdehnungskoeffizienten für eine
Temperaturänderung von +10°C to +40°C
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Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Tests an Coupons
40mm x 40mm Proben getestet zwischen -80°C and +90°C am NPL Messgenauigkeit CTE: ±0.2 ppm/K
CTE des Sandwich Paneels CTE des Laminats
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Laminate 2.4mm [(0°/-45°/90°/+45°)s]x4
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Temperature, °C
Frac
tiona
l len
gth
chan
ge, p
pm
First cycle, coolingFirst cycle, heatingSecond cycle, coolingSecond cycle, heatingThird cycle, coolingThird cycle heatingFourth cycle, coolingFourth cycle, heatingFinal cool
Laminat: CTE = 0.06 ppm/K
Sandwich Panel: Skin 0.3mm (0°/-45°/90°/+45°)Core 3/16-5056-.0007p 10mm
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Temperature, °C
Frac
tiona
l len
gth
chan
ge, p
pm
First cycle, coolingFirst cycle, heatingSecond cycle, coolingSecond cycle, heatingThird cycle, coolingThird cycle heatingFourth cycle, coolingFourth cycle, heatingFinal cool
Sandwich: CTE = 2.24 ppm/K
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Tests an Sandwich Paneelen
Laser-interferometrische Messungenin METAS Klimakammer zwischen+10°C und +40°C und50±15% rel. Feuchte
Messgenauigkeit CTE: ±0.15 ppm/K
CTE Messergebnisse fürCoupons und Paneelestimmen recht gut überein
CTE in L-Richtung der Wabeist deutlich grösser als inW-Richtung
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Variation of Sandwich Sample SizeSkin thickness Core height Core type CTE [ppm/K]
0.3 mm 10 mm 3/16-5056-.0007pL-direction Coupon 40mm x 40mm 2.24
Panel 600mm x 600mm 1.81W-direction Coupon 40mm x 40mm 0.96
Panel 600mm x 600mm 1.32
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Tests an Baugruppen
CTE für ein blankes Paneel ist zu optimistisch für ein voll ausgerüstetes Paneel, weil zur Lasteinleitung zusätzliche metallische Komponenten und Klebstoffe benötigt werden
Temperaturausdehnung der wichtigsten Paneele wurde auf Stufe Baugruppe gemessen
20.03.2014│RUAG Space│24
LCA Grundplatte
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Qualifikationstest für Gesamtstruktur
Satellitenstruktur ist auf der LCA Grundplatte iso-statisch gelagert Messung der Temperaturausdehnung der fertig zusammengebauten
Struktur im Temperaturbereich von 10°C bis 40°C Messung quer über die Struktur: Ausdehnung ungefähr 10 micron
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Expansion of structure (along parallel shear walls)
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
5 10 15 20 25 30 35 40 45
Average satellite temperature [°C]
expa
nsio
n [m
m]
Position Corrected mm
Linear (Position Corrected mm)
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Mathematisches Modell
Das Finite Elemente Modell der LISA PF SCM Struktur wurde mit MSC.NASTRAN erstellt
Sandwich Paneele wurden mit Schalenelementen für die Deckschichten und Volumenelementen für den Kern modelliert
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Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Mathematisches Modell
Idealisierung der Verbindungen zwischen den Paneelen
20.03.2014│RUAG Space│27
- Inserts sind mit Volumenelementen modelliert und durch Balkenelemente miteinander verbunden- Geometrie der Balkenelemente wurde angepasst, um den mit detaillierten Modellen berechnetenEinfluss der Kontaktfläche auf die Steifigkeit der Schraubverbindung richtig wiederzugeben
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Mathematisches Modell
Idealisierung der Verbindungswinkel Mechanische Eigenschaften der dreiecksförmigen, aus Kohlefasern
hergestellten Verbindungswinkel wurden durch ein detailliertes3-dim. Modell ermittelt, unter Berücksichtigung der Kontaktverhältnisse
20.03.2014│RUAG Space│28
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Mathematisches Modell
Korrelation des FE Modells mit Ergebnissen von an den Verbindungs-winkeln durchgeführten Steifigkeitstests (in allen drei Richtungen)
20.03.2014│RUAG Space│29
globales Modell: vereinfachte Repräsentation der Verbindungswinkel durch Schalenelemente (korreliert mit dem Detailmodell und dem Test)
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Mathematisches Modell
20.03.2014│RUAG Space│30
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Mathematisches Modell
Globales FE Modell des Science Module
20.03.2014│RUAG Space│31
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Modellkorrelation
Korrelation der Steifigkeit mit Ergebnissen des statischen Belastungstests und gemessenen fundamentalen Eigenfrequenzen
Korrelation des thermo-elastischen Verhaltens basierend auf Laser-messungen des inneren Teils der Struktur und Videogrammetrie der äusseren Paneele
20.03.2014│RUAG Space│32
Die Rolle der Simulation in der RaumfahrtLISA Pathfinder – Fazit
Gewählte Vorgehensweise zur Entwicklung und Verifikation der hochpräzisen Struktur des LISA Pathfinder SCM war erfolgreich.
Sandwich Paneele mit Deckschichten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und Aluminium-Wabenkern sind eine gute Wahl für das Design von steifen, dimensionsstabilen Leichtbaustrukturen.
Metallische Lasteinleitungselemente und Klebstoffe haben einen grossen Einfluss auf die Temperaturausdehnung von Sandwich Paneelen und dürfen nicht ignoriert werden.
Die Effekte von Verbindungselementen wie Schrauben und Winkel müssen sorgfältig analysiert werden.
Das korrelierte FE Modell des LISA Pathfinder SCM bildet gut das Strukturverhalten im Hinblick auf Massenverteilung, Steifigkeit und thermo-mechanische Eigenschaften ab.
20.03.2014│RUAG Space│33
20.03.2014│RUAG Space│34
Ralf Usinger
RUAG Schweiz AGRUAG SpaceSchaffhauserstrasse 5808052 Zürich
Tel. +41 44 306 20 95E-mail [email protected]
