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POLITECNICO DI MILANO Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale MODELLAZIONE E SIMULAZIONE DI UN PENETROMETRO PER L’ANALISI IN SITU DI CORPI CELESTI Relatore Prof.ssa Amalia Ercoli Finzi Correlatore Ing. Michelle Lavagna Tesi di laurea di: Giuseppe Rocchitelli Matr. N. 615194

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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

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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

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MISSIONE MARS 2003Raccolta di campioni solidi subsuperficiali

•Esperimenti in sito

•Esperimenti a Terra

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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

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ZONA D’ATTERAGGIO

• Considerazioni geologiche• Osservazioni effettuate• Esame delle meteoriti marziane

Le strutture rocciose dovrebbero essere assimilabili al basalto terrestre

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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 )

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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

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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

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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

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Passaggio dal modello di utensile monotagliente al caso tridimensionale

Nishimatsu:

)'(sen1

)'cos(cos

1

2

n

lhCFF tot

4

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2i

itiFT R

4

1 2sen4

i

iniFS

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)'(cos

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TW

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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

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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

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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)

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SCELTA DEL CODICE

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

]

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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

]

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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

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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

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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

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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