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

MARS SURVEYOR PROGRAM Topografia Clima Ruolo dellacqua nellevoluzione del pianeta Campo magnetico Composizione Programma NASA/JPL a lungo termine per lo studio approfondito dellambiente marziano

MISSIONE MARS 2003 Raccolta 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 DATTERAGGIO 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 dellargilla) 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 fenomeno di perforazione e previsione del 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:

TEST SPERIMENTALI Obiettivi: 1. Valutazione del comportamento dellutensile in condizioni reali 2. Resistenza allusura e il degrado delle prestazioni dopo ripetuti cicli di perforazione 3. Misura del calore sviluppato

Prove con il prototipo dellutensile 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 dellutensile 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 Elementi Solidi (Chexa, Cpenta) 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 SUOLO IPOTESI 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.

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 dellintero utensile (solido lagrangiano) Massa rocciosa (solido euleriano)

RISULTATI (Travertino)

RISULTATI (Basalto)

RISULTATI n° giriSpinta [N] Coppia [Nm] Potenza [W] Vp [mm/min] Tempo [min] Materiali rocciosi a bassissima resistenza ,754, Materiali rocciosi a bassa resistenza ,157, Materiali rocciosi a media resistenza ,59, Materiali rocciosi difficilmente perforabili ,732 0,1 0, Materiali rocciosi ad altissima resistenza ,1 0,

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 dappoggio 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 Laccoppiamento dinamico tra i due modelli è risultato impossibile con lapproccio utilizzato Geometria critica dellutensile 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 lanalisi dinamica completa 3 Sensibilità ai singoli parametri di taglio Ottimizzazione geometrica dellutensile / Sviluppo di un modello parametrico