A critical assessment on the mechanical load severity comparison, with focus on aerospace applications

In the operational lifecycle of diverse items, ranging from consumer electronics to advanced aerospace components like aircraft and satellites, the ability to withstand various environmental conditions and mechanical stresses is paramount. Therefore, during the design and development phases of those items, proactive measures such as qualification testing are taken to ensure the resilience and survivability of the items when faced with challenges during their lifecycle. However, challenges arise when qualification loads differ significantly from real-world operative loads, necessitating a robust metric to assess load severity. This is a collaborative thesis between Politecnico di Milano and Thales Alenia Space. It addresses two primary objectives. Firstly, it undertakes a comprehensive evaluation of existing methodologies employed to assess and compare load severities, which all applies to Single Degree of Freedom (SDOF) system loads. These methodologies are scrutinized for accuracy, computational efficiency, and potential for enhancement. Secondly, it introduces a convenient approach for load severity comparison. This proposed methodology transcends traditional techniques based on SDOF systems’ absolute acceleration and focuses instead on analyzing interface forces in response to a 6 Degree of Freedom (6DOF) load. Through this research, some insights are offered in order to assess and clarify the role of a number of techniques used to quantify the mechanical load severity. The study highlights the limitations of current severity assessment methods, particularly in complex systems, justifying the need for more accurate approaches. The methodology proposed in this work aims at enabling to perform the mechanical load severity comparison in case of Multi Degree of Freedom (MDOF) loading. The latter MDOF loading severity comparison corresponds to a specific need in the aerospace field, where MDOF shakers are entering the market for the qualification testing of space structures.

Nel ciclo operativo di diversi oggetti, che vanno dall’elettronica di consumo a componenti aerospaziali avanzati come aeromobili e satelliti, la capacità di resistere a varie condizioni ambientali e sollecitazioni meccaniche è fondamentale. Pertanto, durante le fasi di progettazione e sviluppo di tali oggetti, si adottano misure proattive come i test di qualificazione per garantire la resilienza e la sopravvivenza degli oggetti quando devono affrontare sfide nel corso del loro ciclo di vita. Tuttavia, emergono delle sfide quando i carichi di qualificazione differiscono in modo significativo dai carichi operativi del mondo reale, rendendo necessaria una metrica robusta per valutare la gravità del carico. Questa è una tesi collaborativa tra il Politecnico di Milano e Thales Alenia Space. Affronta due obiettivi principali. In primo luogo, si effettua una valutazione delle metodologie esistenti impiegate per valutare e confrontare le severità dei carichi, tutte applicabili a sistemi a 1 Grado di Libertà (1GDL). Queste metodologie vengono esaminate per accuratezza, efficienza computazionale e potenziale per miglioramenti. In secondo luogo, si introduce una metodologia conveniente per il confronto della severità di un carico definito in più Gradi di Libertà (GDL). Nello specifico, il metodo proposto supera le tecniche tradizionali basate sull’accelerazione assoluta dei sistemi a 1GDL e si concentra invece sull’analisi delle forze di interfaccia in risposta a un carico a 6 Gradi di Libertà (6GDL). Attraverso questa ricerca, si offrono informazioni e metodologie per migliorare la valutazione della severità dei carichi. Questo sforzo rafforza alla fine l’affidabilità e la robustezza degli oggetti in una vasta gamma di applicazioni. Lo studio evidenzia i limiti dei metodi attuali di valutazione della severità, in particolare nei sistemi complessi, giustificando la necessità di approcci più precisi. La metodologia proposta in questo lavoro mira a consentire il confronto della gravità dei carichi meccanici in caso di carichi a Molti Gradi di Libertà (MGDL). Quest’ultimo confronto della gravità dei carichi MGDL corrisponde a una specifica esigenza nel campo aerospaziale, dove i sistemi di eccitazione MGDL stanno entrando nel mercato per i test di qualificazione delle strutture spaziali.