The space debris problem and the latest international regulations, aimed to tame the over-crowding of Low Earth Oribts, have brought to engineers the task of designing efficient deorbiting devices. Origami folding techniques and principles play a major role in the development of such structures, namely the Miura-Ori pattern is a promising solution for the problem, allowing to build a drag sail with a remarkable packed-volume to deployed-area ratio. A single cell Miura-Ori pattern deployable structure, the single unit of the drag sail device, made of Kapton, a thin polymeric film material, is taken as reference to develop a new and reliable Finite Element modeling approach, able to represent the deployment of such structures through the actuation of SMA wires. The assumption of rigid facets, often considered true in the designing process, is very heavy and far from what happens in the real structure. An investigation is performed in order to analytically idealize the creased membrane. The results are then brought to the finite element environment: the facets are modeled through shell elements, while the properties of the crease, very well represented by rotational springs, are modeled with different approaches. Experiments conducted in another study are simulated with the Abaqus FE software to validate the models and tune the FEM parameters to best suit the material. The interaction between the origami cells in the deployment phase, due to the flexibility of the faces, is then characterized through a parametric FEM analysis. The Shape Memory Alloy actuators are then preliminarily studied using a FORTRAN coded user material subroutine (UMAT), containing some the most acknowledged SMA constitutive models. An engineering methodology for the simulation of the whole single cell actuation is developed, and used to design an actuation system able to achieve the full deployment of a single cell. Some experimental activity is then conducted with the goal of verifying the feasibility of the SMA actuators working in torsion, optimizing the shape-setting thermal treatment used for their production, and experimentally testing the actuated cell, previously designed. Also a multi-cell drag sail device is fitted with the same actuation pattern and preliminarily tested.
Il problema dei detriti spaziali e le recenti rigide normative, volte a frenare il sovraffollamento delle orbite terrestri basse, hanno affidato agli ingegneri il compito di progettare dispositivi efficienti per il deorbiting. Le tecniche e i principi di piegatura dell'origami giocano un ruolo fondamentale nello sviluppo di tali strutture; in particolare, il pattern Miura-Ori si presenta come una soluzione promettente per il problema, consentendo la costruzione di una vela frenante con un notevole rapporto tra volume di impaccamento e area di apertura. Una struttura origami a singola cella con pattern Miura-Ori, l'unità costitutiva della vela frenante, realizzata in Kapton, un sottile film polimerico, è presa come riferimento per sviluppare un approccio di modellazione agli elementi finiti affidabile, in grado di rappresentare il dispiegamento di tali strutture attraverso l'azionamento di fili SMA. L'assunzione di facce rigide, spesso considerata vera nel processo di progettazione, è molto pesante e lontana da quanto accade nella struttura reale. Viene condotta un'indagine per idealizzare analiticamente la membrana piegata. I risultati vengono quindi trasferiti nell'ambiente degli elementi finiti: le facce sono modellate attraverso elementi shell, mentre le proprietà della piega, molto ben rappresentate da molle rotazionali, sono modellate con diversi approcci. Esperimenti condotti in altre ricerche vengono simulati con il software FE Abaqus per convalidare i modelli e regolare i parametri FEM per rappresentare al meglio il materiale. L'interazione tra le celle origami, nella fase di dispiegamento, dovuta alla flessibilità delle facce, è poi caratterizzata attraverso un'analisi FEM parametrica. Gli attuatori in lega a memoria di forma sono studiati preliminarmente utilizzando una subroutine, che implementa uno user-defined-material (UMAT), codificata in FORTRAN e contenente alcuni tra i modelli costitutivi SMA più riconosciuti. Una metodologia ingegneristica per la simulazione dell'intera attuazione della cellula singola è sviluppata e utilizzata per la progettazione di un sistema di attuazione in grado di dispiegare completamente una singola cella. Infine, viene condotta un'attività sperimentale con l'obiettivo di smarcare la fattibilità degli attuatori SMA che operano in torsione, ottimizzare i trattamenti termici di shape-setting, utilizzati per la loro produzione, e testare sperimentalmente la cella attuata precedentemente progettata. Inoltre, una vela frenante multicella, equipaggiata con lo stesso pattern di attuatori, è testata a livello preliminare.
Origami space structures: FE modeling and experimental testing of thin film drag sails and SMA actuation
Pastore, Antonio
2022/2023
Abstract
The space debris problem and the latest international regulations, aimed to tame the over-crowding of Low Earth Oribts, have brought to engineers the task of designing efficient deorbiting devices. Origami folding techniques and principles play a major role in the development of such structures, namely the Miura-Ori pattern is a promising solution for the problem, allowing to build a drag sail with a remarkable packed-volume to deployed-area ratio. A single cell Miura-Ori pattern deployable structure, the single unit of the drag sail device, made of Kapton, a thin polymeric film material, is taken as reference to develop a new and reliable Finite Element modeling approach, able to represent the deployment of such structures through the actuation of SMA wires. The assumption of rigid facets, often considered true in the designing process, is very heavy and far from what happens in the real structure. An investigation is performed in order to analytically idealize the creased membrane. The results are then brought to the finite element environment: the facets are modeled through shell elements, while the properties of the crease, very well represented by rotational springs, are modeled with different approaches. Experiments conducted in another study are simulated with the Abaqus FE software to validate the models and tune the FEM parameters to best suit the material. The interaction between the origami cells in the deployment phase, due to the flexibility of the faces, is then characterized through a parametric FEM analysis. The Shape Memory Alloy actuators are then preliminarily studied using a FORTRAN coded user material subroutine (UMAT), containing some the most acknowledged SMA constitutive models. An engineering methodology for the simulation of the whole single cell actuation is developed, and used to design an actuation system able to achieve the full deployment of a single cell. Some experimental activity is then conducted with the goal of verifying the feasibility of the SMA actuators working in torsion, optimizing the shape-setting thermal treatment used for their production, and experimentally testing the actuated cell, previously designed. Also a multi-cell drag sail device is fitted with the same actuation pattern and preliminarily tested.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/218524