Análisis Estructural y Optimización de un Módulo Espacial

Abstract

[ES] El diseño de estructuras espaciales ligeras que no comprometan su integridad mecánica ha sido históricamente un factor importante para el desarrollo de métodos para la optimización del diseño. El objetivo principal de este trabajo es comprobar la capacidad del software para el análisis de elementos finitos OptiStruct de la empresa Altair para optimizar el diseño de un panel curvo de un módulo espacial.

La estructura en estudio es un módulo presurizado diseñado por la compañía Thales Alenia Space. Se trata de un módulo habitable que formará parte de una estación espacial. Está compuesto por un único compartimento con dos escotillas que permiten su conexión con otros dos módulos, siendo uno de ellos un compartimento estanco que permite el acceso al espacio exterior. El diseño de los paneles cilíndricos del módulo serán objeto de estudio de este trabajo.

Particularmente, se estudiará el refuerzo estructural de estos paneles, de manera que los requisitos mecánicos derivados de las cargas de diseño se cumplan empleando el diseño más ligero posible. Para ello, se estudiarán los distintos tipos de optimización disponibles en OptiStruct ("free-size", "topology", "topography" y "free-shape") para generar el refuerzo óptimo de los paneles.

Las cargas de diseño incluirán los valores máximos de aceleración y presión esperados a lo largo de toda la vida útil del módulo. Ello implica que la estructura principal deberá soportar las cargas producidas durante su manejo, transporte, testeado, lanzamiento, acoplamiento y vuelo en órbita. Como límites mecánicos, se deben evitar la deformación plástica y el pandeo. Además, se comprobarán las frecuencias de vibración. Se aplicarán los factores de seguridad recomendados por la Agencia Espacial Europea para considerar las incertidumbres de la misión espacial, como son la masa total y el diseño definitivo, y del modelo matemático aplicado para representar la estructura.

Para la optimización del panel, se llevan a cabo dos estudios: la optimización del panel sin y con refuerzos mecánicos.

En el primer caso, se optimiza el espesor del panel y se compara el resultado con los obtenidos en la optimización del mismo modelo con HyperSizer, otra herramienta de optimización distinta de OptiStruct. El modelo utilizado es el del módulo espacial completo compuesto por paneles cilíndricos. Se utiliza el método de "free-size". Como resultado se observan algunas diferencias debido a las distintas capacidades de ambas herramientas (OptiStruct y HyperSizer).

En segundo lugar, añaden refuerzos en el panel aplicando los métodos de "topology", "topography" y "free-shape" para mejorar sus propiedades mecánicas. Los resultados obtenidos presentan unos refuerzos con formas y características diferentes, los cuales serán útiles para determinar en las fases tempranas del diseño de los refuerzos, qué forma y localización deben tener dependiendo de las prioridades del diseñador. En este caso se utilizó el modelo de un panel curvo, en lugar del modelo completo del módulo espacial.

[EN] Designing light-weight aerospace structures without compromising structural integrity has historically been a strong driving force behind the development of optimum design methods. The main goal of this thesis work is to check the capability of the Finite Element solver OptiStruct from HyperWorks suite, from Altair Engineering in order to optimize design of a curved panel forming a space module.

This structure is a pressurized manned module designed by the company Thales Alenia Space. It is in a habitable module devoted to be part of a space station, consisting of a single compartment with two bulkhead-hatch systems which provide connection with other two modules, one of which being an airlock. The design of the cylindrical panels of the module is object of study.

In particular, stiffening of this plate is analysed so that mechanical requirements derived from design loads are fulfilled with the lightest design possible. For this purpose, OptiStruct optimization options (free-size, topology, topography and free-shape) are investigated in order to obtain the method providing the lightest feasible panel design.

Design loads include maximum expected accelerations and pressure during its whole life-time. This means that primary structure of the module is designed to withstand loads during handling, transportation, testing, launch, flight, on-orbit docking, berthing and on-orbit. Several constraints are involved: normal modes and yielding and buckling failure modes. Uncertainties in the space program (e.g., stability of the mass budget, well defined design) and the mathematical model used to represent the structure are considered in the optimization by applying factors of safety provided by European Space Agency standards.

Two approaches are followed to obtain the optimized panel design: optimization of the unstiffened and reinforced panel.

In the first case, thickness results are compared with equivalent optimization process performed in the same model in HyperSizer, another optimization tool. For this approach, the model used is the space module model itself composed by cylinder panels. Free-size method is employed. Differences in results show distinct capabilities of both tools used.

For the second approach, a stiffening panel optimization process is performed applying topology, topography and free-shape methods. Output reinforcement designs have distinct characteristics and shapes that are usable for an early design stage in order to define topology of stiffeners, depending on designer¿s priority. In this case only the model of the curved panel was used, instead of the complete space module model.