Desenvolvimento e otimização de uma estrutura para o Aerogel Experiment

Abstract

This dissertation, in collaboration with Active Space Technologies, aims to develop and optimize a container for the Aerogel Experiment, used in the Infante Project. This container, produced by additive manufacturing which can be made from AlSi10Mg, Ti6Al4V and Scalmalloy alloys, will undergo three analyzes to select the best geometry: mechanical analysis, thermal analysis and thermoelastic analysis.Firstly, a mechanical analysis is performed, where the different geometries of the container are designed and optimized topologically, through Solidworks® and Fusion360®, and after that the von Mises stresses, displacements, deformations and eigenmodes of vibration are analyzed using the finite element method. Subsequently, after the mechanical analysis of the different geometries, a selection process is used based on factors of importance of the different properties that are being considered (like stress, mass, etc). Finally, the four best geometries that will be the basis of the thermal analysis are selected.Then, using Ansys®, a thermal analysis of the geometries and several studies are carried out, also leading to a better understanding of the aerogel material and the Aerogel Experiment itself. In this thermal analysis, the selection process based on important factors is used, which will allow the selection of the best geometry.Finally, combining thermal and mechanical analysis, a thermoelastic model is developed on the best geometry with the different alloys to assess temperature gradient effects on the structure of the container.After all this process, the best geometry for this case study is Geometria 1 topológica and the material used for the manufacturing should be Scalmalloy due to its mechanical and thermal properties. Finally, a comparison is made between the initial prototype made by Active Space Technologies and the best geometry for this case study.

Esta dissertação, em parceria com a empresa Active Space Technologies, tem como principal objetivo desenvolver e otimizar uma estrutura para o Aerogel Experiment, utilizado no Projeto Infante. Esta estrutura, produzida por fabricação aditiva podendo ser feito a partir das ligas AlSi10Mg, Ti6Al4V e Scalmalloy, vai passar por três análises com o objetivo de selecionar a melhor geometria: análise mecânica, análise térmica e análise termoelástica.Primeiramente, é realizada a análise mecânica onde são desenhadas e otimizadas topologicamente as diferentes geometrias da estrutura, através do Solidworks® e do Fusion360®, e cujas tensões de von Mises, deslocamentos, deformações e modos próprios de vibração, são analisadas através do método de elementos finitos. Posteriormente, após a análise mecânica das diferentes geometrias é utilizado um processo de seleção baseado em fatores de importância das diferentes propriedades que estão a ser consideradas (como é o caso da tensão, massa, etc). Por fim, são selecionadas as quatro melhores geometrias que serão a base da análise térmica.De seguida, utilizando o Ansys®, é efetuada uma análise térmica das geometrias e vários estudos, levando também a uma melhor compreensão do material aerogel e do próprio Aerogel Experiment. Nesta análise térmica é utilizado, uma vez mais, o processo de seleção baseado em fatores de importância que vai permitir selecionar a melhor geometria.Finalmente, juntando a análise térmica com a análise mecânica, é realizada uma análise termoelástica à melhor geometria com as diferentes ligas de forma a concluir a influência da variação da temperatura na forma da estrutura.Após todo este processo, a melhor geometria deste caso de estudo é a Geometria 1 topológica, sendo que é recomendado que esta seja fabricada através da liga Scalmalloy devido às suas propriedades mecânicas e térmicas. Por fim, ainda é estabelecida uma comparação entre o protótipo inicial realizado pela Active Space Technologies e a melhor geometria deste caso de estudo.