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POLITECNICO DI MILANOFacoltà di IngegneriaDipartimento di Ingegneria Aerospaziale
MODELLAZIONE E SIMULAZIONE DI UNPENETROMETRO PER L’ANALISI IN SITU
DI CORPI CELESTI
Relatore Prof.ssa Amalia Ercoli FinziCorrelatore Ing. Michelle Lavagna
Tesi di laurea di:
Giuseppe Rocchitelli
Matr. N. 615194
MARS SURVEYOR PROGRAM
•Topografia
•Clima
•Ruolo dell’acqua nell’evoluzione del pianeta
•Campo magnetico
•Composizione
Programma NASA/JPL a lungo termine per lo studio approfondito dell’ambiente marziano
MISSIONE MARS 2003Raccolta di campioni solidi subsuperficiali
•Esperimenti in sito
•Esperimenti a Terra
IL SISTEMA Dee-Dri:Trapano campionatore realizzato dalla Tecnospazio
Profondità min. di perforazione: 500 mm
Dimensioni dei campioni: 14 × 25 mm
REQUISITI JPL:
Spinta: 70 ÷ 100 N
Coppia: 1,5 ÷ 2 N m
Potenza: 20 ÷ 35 W
ZONA D’ATTERAGGIO
• Considerazioni geologiche• Osservazioni effettuate• Esame delle meteoriti marziane
Le strutture rocciose dovrebbero essere assimilabili al basalto terrestre
MATERIALI CONSIDERATI
• Tufo vulcanico (Roccia piroclastica)
• Travertino (Roccia sedimentaria chimica)
• Mattone (Laterizio – Modellazione e cottura dell’argilla)
• Granito (Roccia intrusiva cristallina)
• Basalto (Roccia vulcanica effusiva )
PERFORAZIONE DI MATERIALI ROCCIOSI:
•Grande potenza disponibile
•Raffreddamento e asportazione dei detriti per circolazione di fluidi
•Velocità di esecuzione
Applicazioni terrestri:
Applicazioni spaziali:•Necessità di automazione e affidabilità
•Massa contenuta
•Bassissima potenza
MODELLO TEORICO
MODELLO NUMERICO
TEST SPERIMENTALI
Completa caratterizzazione del Completa caratterizzazione del fenomeno di perforazione e previsione fenomeno di perforazione e previsione
del comportamento del sistemadel comportamento del sistema
Correlazione e integrazione dei risultati
MODELLO TEORICO:
Parte dal modello bidimensionale di utensile monotagliente
i) Il processo di taglio è discontinuo.
ii) La frattura del materiale è fragile è avviene senza deformazione plastica.
iii) La velocità di taglio non condiziona il processo di taglio e il meccanismo di frattura.
Obiettivo:
Stima delle forze scambiate tra utensile e roccia in funzione dei parametri di taglio
Passaggio dal modello di utensile monotagliente al caso tridimensionale
Nishimatsu:
)'(sen1
)'cos(cos
1
2
n
lhCFF tot
4
1
2i
itiFT R
4
1 2sen4
i
iniFS
)'(1
)'(cos
1
2
sen
sen
n
lhCFF non
TW
TEST SPERIMENTALI
Obiettivi:
1. Valutazione del comportamento dell’utensile in condizioni reali
2. Resistenza all’usura e il degrado delle prestazioni dopo ripetuti cicli di perforazione
3. Misura del calore sviluppato
Prove con il prototipo dell’utensile
Risultati ottenuti:
•Non si sono riscontrate irregolarità nei provini tali da provocare condizioni critiche per la perforazione
•Non è stato possibile stimare la deflessione della punta
•Il contatto è limitato alle zone dei taglienti
MODELLO NUMERICO
Obiettivi:
1. Valutazione del comportamento deformativo dell’utensile
2. Interazione tra utensile (metallico) e suolo (roccia)
3. Simulazione della prima fase di contatto
4. Simulazione di un intero ciclo di perforazione in condizioni normali e in presenza di irregolarità (determinazione della spinta e della potenza in casi critici predefiniti)
SCELTA DEL CODICE
MODELLO DELLA PUNTA
• Corretto comportamento deformativo• Rispetto della geometria nelle zone critiche
di contatto con la roccia (es. Taglienti)• Minime semplificazioni nelle parti interne• Possibilità di simulare sia la configurazione
chiusa (perforazione) che quella aperta (campionamento)
Modello F.E.M. 9272 Elementi Solidi (Chexa, Cpenta)11255 Nodi
INFLUENZA DELLE ELICHE:Flessione pura
• Diversa superficie di contatto con il suolo in caso di deflessione
• Irrobustimento strutturale
• Riduzione della deflessione in campo elastico del 17%
• Variazione della distribuzione degli sforzi
ANALISI STATICA:
Spinta 200 N – Coppia 4 Nm
Deflessione massima: 8,92 ·10-6 m
Sforzi: 0,180 ÷ 25 MPa*
IMPUNTAMENTO
Spinta 1200 N – Coppia 3 Nm
Deflessione massima: 1,29 ·10-5 m
Sforzo massimo: 100 MPa*
*Mat. Utensile: Acciaio ad alta resistenza
Spinta 1200 N – Coppia 3Nm
Deflessione massima: 2,57·10-2 m
Sforzo massimo: 0,713 GPa
ANALISI STATICA:COPPIA + SPINTA INCLINATA 45°
Spinta 200 N – Coppia 4Nm
Deflessione massima: 4,24·10-3 m
Sforzo massimo: 0,118 GPa
*Mat. Utensile: Acciaio ad alta resistenza
MODELLO DEL SUOLOIPOTESI SEMPLIFICATIVE SUL MATERIALE:
i) Roccia consolidata, isotropa, omogenea con caratteristiche medie del materiale da simulare. (Possibilità di introdurre difetti locali)
ii) Si considerano le sole proprietà intrinseche.
iii) Legame costitutivo lineare con frattura secondo il criterio
di Mohr-Coulomb:
iv) Si trascurano gli effetti gravitazionali.
IPOTESI SEMPLIFICATIVE SUL VOLUME DI CALCOLO:
i) Griglia Lagrangiana (primo contatto) – Euleriana (perf. Completa).
ii) Dominio ridotto di forma cilindrica a zone coassiali.
tgC
INTERAZIONE TRA PUNTA E SUOLO
Primo contatto:
GENERAL CONTACT
(modello semplificato)
Perforazione completa:
GENERAL COUPLING
(modello completo)
Superficie di taglio della punta pilota (solido lagrangiano)
Superficie libera della roccia (solido lagrangiano)
Superficie esterna dell’intero utensile (solido lagrangiano)
Massa rocciosa (solido euleriano)
RISULTATI(Travertino)
-2,0E+03
-1,5E+03
-1,0E+03
-5,0E+02
0,0E+00
5,0E+02
1,0E+03
0,0E+00 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05
Tempo [s]
Fo
rza
[N
]
0
50
100
150
200
250
300
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Velocità di perforazione [mm/min]
Sp
inta
[N
]
Ris.Teorici (60 giri/min)
Ris. Teorici (120 giri/min)
Ris. Sperimentali (60 giri/min)
Ris. Sperimentali (120 giri/min)
Ris. Numerici
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Velocità di perforazione [mm/min]
Po
ten
za [
W]
Ris. Teorici (60 giri/min)
Ris. Teorici (120 giri/min)
Ris. Sperimentali (60 giri/min)
Ris. Sperimentali (120 giri/min)
-1,6E+03
-1,1E+03
-6,0E+02
-1,0E+02
4,0E+02
0,0E+00 1,0E-05 2,0E-05 3,0E-05 4,0E-05 5,0E-05 6,0E-05
Tempo [s]
Ve
loci
tà [
m/s
]
RISULTATI(Basalto)
-9,0E+04
-7,0E+04
-5,0E+04
-3,0E+04
-1,0E+04
1,0E+04
3,0E+04
5,0E+04
7,0E+04
9,0E+04
0,0E+00 5,0E-06 1,0E-05 1,5E-05 2,0E-05 2,5E-05 3,0E-05
Tempo [s]
Fo
rza
[N
]
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
Velocità di perforazione [mm/min]
Sp
inta
[N
]
Ris. Teorici (60 giri/min)
Ris. Teorici (120 giri/min)
Ris. Numerici
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
Velocità di perforazione [mm/min]
Po
ten
za [
W]
Ris. Teorici (60 giri/min)
Ris. Teorici (120 giri/min)
-6,0E+03
-5,0E+03
-4,0E+03
-3,0E+03
-2,0E+03
-1,0E+030,0E+00
1,0E+03
2,0E+03
3,0E+03
4,0E+03
0,0E+00 5,0E-06 1,0E-05 1,5E-05 2,0E-05 2,5E-05 3,0E-05
Tempo [s]
Ve
loci
tà [
m/s
]
RISULTATI
n° giri Spinta[N]
Coppia [Nm]
Potenza[W]
Vp[mm/min]
Tempo[min]
Materiali rocciosi a
bassissima resistenza
60 100 0,75 4,5 15 20 25 33
Materiali rocciosi a
bassa resistenza
60 210 1,15 7,15 5 10 50 100
Materiali rocciosi a
media resistenza
60 220 1,5 9,5 2 3 165 250
Materiali rocciosi
difficilmente perforabili
120 1200 2,7 32 0,1 0,5
1000 5000
Materiali rocciosi ad
altissima resistenza
120 1350 4 50 0,1 0,5
1000 5000
CONCLUSIONI•Importanza della fase iniziale della perforazione e dei valori di soglia di spinta, coppia e potenza
•Necessità di spinte notevolmente superiori per perforare materiali di elevata durezza
•Impossibilità di raggiungere spinte elevate senza compromettere la stabilità del lander sulla superficie d’appoggio
•Tempi di esecuzione eccessivamente lunghi per i sistemi elettrici realizzati con criteri spaziali
CONCLUSIONI
•Non è stato quindi possibile valutare completamente Ia validità dei modello realizzati indipendentemente
•L’accoppiamento dinamico tra i due modelli è risultato impossibile con l’approccio utilizzato
•Geometria critica dell’utensile per la discretizzazione ad elementi finiti
SVILUPPI FUTURI
2 Qualità del campione estratto
• Analisi delle forze trasmesse (integrità)
• Analisi termica (proprietà chimico-fisiche)
1 Nuovo approccio per l’analisi dinamica completa
3 Sensibilità ai singoli parametri di taglio
• Ottimizzazione geometrica dell’utensile / Sviluppo di un modello parametrico