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Strutture per veicoli spaziali

04LNUMT

A.A. 2021/22

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 33
Esercitazioni in aula 18
Esercitazioni in laboratorio 9
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Pagani Alfonso   Professore Associato ING-IND/04 22,5 18 9 0 3
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/04 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2021/22
Una missione spaziale impiega una grande varietà di strutture, dai massicci supporti motore collocati all’interno del corpo di un lanciatore a razzo ai delicati pannelli sandwich che compongono le vele solari o le scatole protettive che ospitano l’elettronica, le batterie e la strumentazione. Il compito delle strutture è garantire il successo della missione e proteggere i sistemi dai carichi durante le operazioni a terra e in orbita, durante il lancio e il dispiegamento senza subire rotture, collassi o distorsioni eccessive che possano ad esempio compromettere la funzionalità delle antenne e dei sensori. In questo contesto, l’insegnamento di Strutture per Veicoli spaziali intende fornire metodologie di calcolo analitico e della meccanica computazionale utilizzate in campo spaziale. Ampia parte del corso è dedicata allo studio di modelli matematici per la caratterizzazione delle strutture spaziali soggette a carichi meccanici e di campo, statici e dinamici. Verranno approfonditi i problemi non-lineari del calcolo strutturale, con particolare attenzione alle strutture dispiegabili e gonfiabili. Infine, si forniranno elementi di calcolo per l’analisi dinamica multi-corpo di meccanismi e veicoli spaziali.
A space mission typically requires a wide range of structures, from the engine struts that fit into the body of a launch rocket to the delicate sandwich panels utilized for large solar sails or the protective boxes housing electronics, batteries and instruments. The main role of the structures is to guarantee the success of the space mission and to protect the systems from the loadings occurring during ground operations, launch, deployment and on-orbit operations without rupturing, collapsing or excessively distorting, which may compromise the functionality of antennas and sensors. This course introduces aerospace engineering students to analytical and computational calculus methodologies for spacecraft. A considerable part of the course will be devoted to the study of the mathematical models for the analysis of spacecraft structures subjected to static and dynamic loadings, including thermal ones. Fundamentals of nonlinear structural mechanics will be discussed, with particular emphasis given to deployable mechanisms and inflatable spacecraft. Finally, elements of multi-body dynamics applied to space vehicles will be given.
Al termine dell’insegnamento gli studenti saranno in grado di: • Conoscere e comprendere la classificazione delle strutture spaziali, dei materiali di cui queste sono composte e dei i carichi derivanti dall’ambiente spaziale; • Conoscere e comprendere i modelli matematici per studiare strutture soggette a carichi meccanici e multi-campo, in regime statico e dinamico, lineare e non lineare; • Conoscere e comprendere gli strumenti di calcolo per la verifica di un veicolo spaziale; • Applicare le conoscenze acquisite per affrontare un problema di progetto della struttura spaziale e dei suoi elementi.
Students will be able to deal with the design and the analysis of spacecraft and space mechanisms structures. They will know the main tools for carrying out the structural verification of space vehicles.
Nozioni di base del calcolo strutturale.
Fundamentals of structural mechanics.
L’insegnamento è organizzato in 3 moduli: Modulo I (20h) - Introduzione al progetto di strutture e ai meccanismi spaziali. Cenni all’ambiente spaziale e ai carichi tipici al lancio ed in orbita (es. carichi termici, acustici, carichi da decompressione, etc.). Elementi di dinamica. Frequenze naturali e modi propri di vibrare. Metodi di sovrapposizione modale. Masse modali effettive. Metodo di condensazione statica (Guyan). Metodo di Craig-Bampton e sub-structuring dinamico. Risposta a vibrazioni randomiche e risposta a carichi acustici. Modulo II (25h) - Introduzione ai sistemi continui e agli elementi finiti per analisi statiche e dinamiche. Formulazione dell’elemento finito 1D/2D, approfondimento sui gusci e applicazione ai laminati. Risposta elastica ai carichi termici. Problemi non lineari nelle strutture spaziali. Non-linearità fisiche, geometriche e di contorno. Il tensore di deformazione di Green-Lagrange e formulazione dell’elemento finito geometrico non-lineare. Cenni a metodi tipo Newton-Raphson e path-following per la risoluzione di problemi non-lineari. Strutture spaziali dispiegabili (tape springs, TRAC booms, etc.). Modulo III (15h) - Meccanica dei corpi rigidi. Equazioni cinematiche e dinamica dei corpi rigidi. Corpi deformabili nell’analisi multi-corpo dei meccanismi spaziali. Meccanismi di dispiegamento. Strutture inflatable manned/unmanned.
Introduction to the design of space structures and mechanisms. Overview of the space environment, lunch and in-orbit loads (e.g., thermal loads, acoustic loads, decompression loads, etc.). Introduction to the finite element method for static and dynamic analyses. Derivation of 1D/2D finite elements with application to laminated structures. Response to thermal loads. Calculation of natural frequencies and mode shapes with mass-spring models and finite elements. Effective modal masses. Static condensation (Guyan method). Craig-Bampton method and dynamic sub-structuring. Response to random vibration and acoustic loads. Details on the analysis of reinforced shell structures. Nonlinear problems in space structures. Material, geometrical and boundary conditions nonlinearities. The Green-Lagrange strain tensor and formulation of the geometrical nonlinear finite element. Overview on resolution methods for nonlinear problems based on a path-following Newton-Raphson algorithm. Mechanics of rigid bodies. Kinematic and dynamic equations of the rigid bodies. Flexible bodies in the multi-body analysis of space mechanisms. Deployable space structures. Manned/Unmanned, inflatable spacecraft.
Per ulteriori approfondimenti su tematiche affini o complementari si rimanda ad altri corsi. Ad esempio: dinamica e vibrazioni (Aeroelasticità), analisi FEM e strutture a guscio rinforzato (Strutture Aeronautiche); instabilità strutturale e progetto a fatica (Progettazione di Veicoli Aerospaziali); materiali e strutture in composito (Strutture Aeronautiche & Progettazione e Fabbricazione Additiva per Applicazioni Aerospaziali).
Per ulteriori approfondimenti su tematiche affini o complementari si rimanda ad altri corsi. Ad esempio: dinamica e vibrazioni (Aeroelasticità), analisi FEM e strutture a guscio rinforzato (Strutture Aeronautiche); instabilità strutturale e progetto a fatica (Progettazione di Veicoli Aerospaziali); materiali e strutture in composito (Strutture Aeronautiche & Progettazione e Fabbricazione Additiva per Applicazioni Aerospaziali).
L’insegnamento comprende lezioni teoriche (33h), esercitazioni in aula (18h) ed esercitazioni in laboratorio (9h). Le esercitazioni in aula mirano a consolidare gli argomenti trattati a lezione. Saranno affrontati esercizi numerici su caratteristiche dinamiche di sistemi semplificati lanciatore-carico pagante, calcolo preliminare dei carichi da lancio, risposta vibro-acustica e risoluzione di problemi non lineari (elastica). L’attività di laboratorio permette di sperimentare l’uso di software per analisi non lineari agli elementi finiti e per la dinamica multi-corpo. Gli studenti dovranno preparare delle relazioni individuali relative alle esercitazioni in aula e in laboratorio. Queste contribuiranno al voto finale.
The course is made of theoretical and lab classes. The latter ones represent a fundamental part of the course. In particular, applications to the different topics specified in the program will be here examined in depth, by using academic and commercial software tools. Furthermore, a class project will be developed on an argument of ESA relevance. This group work will be object of discussion and will be revised with the teacher during the entire course.
Non sono richieste nozioni aggiuntive a quanto detto a lezione. Alcuni argomenti possono essere approfonditi nei seguenti testi: • E. Carrera, M. Cinefra, A. Pagani “Fondamenti di Teoria dell’Elasticità e delle Strutture”, AIDAA Educational Series. • T.P. Sarafin, “Spacecraft Structures and Mechanisms”, Space Technology Library. • J.J. Wijker, “Spacecraft Structures”, Springer.
No additional material is needed besides the course notes. Interested students can go deeper into the matter with the help of the following texts: E. Carrera, M. Cinefra, “Fondamenti di Meccanica Strutturale per Allievi Ingegneri Aerospaziali”, CLUT. E. Carrera, “Fondamenti sul Calcolo di Strutture a Guscio Rinforzato per Veicoli Aerospaziali”, Levrotto&Bella. T.P. Sarafin, “Spacecraft Structures and Mechanisms”, Space Technology Library. J.J. Wijker, “Spacecraft Structures”, Springer.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
L’esame consiste in una prova orale in cui vengono verificate le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni e delle esercitazioni. La durata prevista della prova orale sarà di circa 30-45 minuti e si articolerà su 3-4 domande. Almeno una domanda riguarderà i contenuti e la valutazione dell'elaborato scritto individuale il cui contributo nella formulazione del voto finale ha lo stesso peso relativo rispetto alle altre domande. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. I criteri di valutazione si riferiscono all’accertamento del raggiungimento dei seguenti obiettivi (coerentemente con i Risultati dell’apprendimento attesi sopra dichiarati): 1. conoscenza dell’ambiente operativo e degli strumenti di calcolo per la verifica delle strutture e dei meccanismi spaziali; 2. capacità di trasferire le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni e delle esercitazioni a problemi di interesse pratico.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
The examination consists in an oral test in which the student knowledge about the arguments discussed in the theory and laboratory classes are verified. During the semester, the students will prepare technical reports about the training performed during the laboratory classes. These reports will be systematically verified during the semester and distinct marks will be assigned to each of them. The marks of the reports will be added to the marks of each single question of the oral examination to determine the final mark.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;
L’esame consiste in una prova orale in cui vengono verificate le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni e delle esercitazioni. La durata prevista della prova orale sarà di circa 30-45 minuti e si articolerà su 3-4 domande. Almeno una domanda riguarderà i contenuti e la valutazione dell'elaborato scritto individuale il cui contributo nella formulazione del voto finale ha lo stesso peso relativo rispetto alle altre domande. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. I criteri di valutazione si riferiscono all’accertamento del raggiungimento dei seguenti obiettivi (coerentemente con i Risultati dell’apprendimento attesi sopra dichiarati): 1. conoscenza dell’ambiente operativo e degli strumenti di calcolo per la verifica delle strutture e dei meccanismi spaziali; 2. capacità di trasferire le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni e delle esercitazioni a problemi di interesse pratico.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
The exam consists of an oral test of about 30-45 minutes during which 3-4 questions will be discussed, at least one being about the group project. The assessment criteria will be aimed at verifying the fulfilment of the following objectives (in accordance with the aforementioned Expected Learning Outcomes): 1. awareness of the space environment and loadings and ability to apply the methodologies and appropriate tools for the analysis of the space structures and mechanisms; 2. ability to transfer the acquired knowledge to problems of engineering relevance.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;
L’esame consiste in una prova orale in cui vengono verificate le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni e delle esercitazioni. La durata prevista della prova orale sarà di circa 30-45 minuti e si articolerà su 3-4 domande. Almeno una domanda riguarderà i contenuti e la valutazione dell'elaborato scritto individuale il cui contributo nella formulazione del voto finale ha lo stesso peso relativo rispetto alle altre domande. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. I criteri di valutazione si riferiscono all’accertamento del raggiungimento dei seguenti obiettivi (coerentemente con i Risultati dell’apprendimento attesi sopra dichiarati): 1. conoscenza dell’ambiente operativo e degli strumenti di calcolo per la verifica delle strutture e dei meccanismi spaziali; 2. capacità di trasferire le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni e delle esercitazioni a problemi di interesse pratico.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
The exam consists of an oral test of about 30-45 minutes during which 3-4 questions will be discussed, at least one being about the group project. The assessment criteria will be aimed at verifying the fulfilment of the following objectives (in accordance with the aforementioned Expected Learning Outcomes): 1. awareness of the space environment and loadings and ability to apply the methodologies and appropriate tools for the analysis of the space structures and mechanisms; 2. ability to transfer the acquired knowledge to problems of engineering relevance.
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