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Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
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Análisis
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Diseño
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Conferencia
2001
Colaboración
Cálculo estructural dinámico del microsatélite SATEX 1, utilizando ANSYS
.
Por Héctor Díaz García, [email protected] Barriga Ramírez, [email protected] - 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.