Design optimization of a space instrument support

The recent growth of the space sector led to the investigation of materials to reduce the weight of space payload, due to the still high cost per kg to launch equipment into space. Composites, thanks to their properties, represent a suitable option to minimize the weight of space equipment and to meet high performance requirements; moreover they have to face some degradation problems related to the space environment. Thermoplastic matrices represent a suitable material to overcome the issues of using composite materials in space but, even if their development and use in past research was predicted, at the moment only few space applications exist. This master thesis work aims at investigating the potential applications of thermoplastic matrices in the space environment, by conducting a design optimization process for the development of a support for a space instrument for the HERD Mission. The thesis begins by performing a study on the laminate sequences that increase the first resonance frequency of the model. Following, a topology optimization process will be performed, minimizing the weight of the supports and meeting the frequency constraints imposed by the mission. SIMP, MIMP and RAMP algorithms will be applied, and their results assessed. The SIMP material interpolation technique fails with the applied constraints, meanwhile the MIMP and RAMP provide good results, with the MIMP achieving the lowest weight for the supports. A final model will then be extracted by considering the results of the topology optimization process, and its feasibility with current composite production techniques will be discussed. An experimental activity regarding the investigation of the Coefficient of Thermal Expansion (CTE) of thermoplastic composites samples is also performed, assessing the feasibility of the mixing rule for being a promising candidate for estimating the CTE of composites.

La recente crescita del settore spaziale ha portato alla ricerca di materiali per ridurre il peso del materiale inviato nello spazio, a causa del costo per kg ancora elevato per i lanci spaziali. I compositi, grazie alle loro proprietà, rappresentano un'opzione adatta a minimizzare il peso delle apparecchiature spaziali e a soddisfare i requisiti di prestazioni elevate; i compositi devono affrontare alcuni problemi di degradazione legati all'ambiente spaziale. Le matrici termoplastiche rappresentano un materiale adatto a superare i problemi legati all'utilizzo dei materiali compositi nello spazio, tuttavia, anche se il loro sviluppo e utilizzo è stato previsto da studi di ricerca passati, al momento esistono solo poche applicazioni spaziali. La seguente tesi ha come obiettivo di indagare le potenziali applicazioni delle matrici termoplastiche nell'ambiente spaziale, conducendo un processo di ottimizzazione del design per lo sviluppo di un supporto per uno strumento spaziale per la missione HERD. La tesi si focalizza inizialmente sullo studio di sequenze di laminazione che aumentano la prima frequenza di risonanza del modello. In seguito, verrà eseguito un processo di ottimizzazione topologica, minimizzando il peso dei supporti e rispettando i vincoli di frequenza imposti dalla missione. Saranno applicati gli algoritmi SIMP, MIMP e RAMP, e i loro risultati valutati e discussi. L’algoritmo SIMP fallisce con i vincoli applicati, mentre MIMP e RAMP forniscono buoni risultati, con MIMP che ottiene il peso più basso per i supporti. Verrà quindi estratto un modello finale, considerando i risultati del processo di ottimizzazione topologica, e verrà discussa la sua fattibilità con le attuali tecniche di produzione dei compositi. Viene inoltre svolta un'attività sperimentale relativa all'indagine del coefficiente di espansione termica di campioni di compositi termoplastici, valutando la fattibilità della regola delle miscele come un buon candidato per la stima del coefficiente di espansione termico dei compositi.