Finite element modeling and parametric frequency analysis of Venus Aerobot flight train

This thesis focuses on the modeling and analysis of tethered systems, starting from the concept of the Venus Aerobot mission, which involves an aerostatic balloon equipped with an instrumented gondola suspended via tether for exploring the atmosphere of Venus at various altitudes. Following a comprehensive review of literature methods for modeling such systems, a frequency domain approach is identified as a straightforward methodology for a complete understanding of system dynamics. The developed model is easily adaptable to various systems and has been validated using commercial finite element software. This tool enables efficient frequency domain analysis following modal realization of the system. System representation is simplified by reducing the model order using specific techniques, particularly suitable for state space formulation, in accordance with operational constraints and sensor placement in the real system. The frequency domain approach offers significant advantages over time domain simulations, allowing for simpler predictions of system response and facilitating the superposition of different system studies. Sensitivity analysis conducted on transfer functions provides additional design insights, highlighting how design parameters affect system performance and can guide control logic implementation. Experimental validation, performed on a hardware setup replicating modeled configurations, confirms frequency characteristics and system dynamics in response to various inputs, providing crucial data for refining the model and optimizing future tethered system designs. In conclusion, this research equips the Venus Aerobot development team with essential tools for robust system modeling, sensitivity analysis, and experimental validation, aimed at informing design decisions.

Questa tesi tratta la modellazione e l’analisi di sistemi tethered, partendo dal concetto di missione Venus Aerobot, un pallone aerostatico equipaggiato con una gondola strumentata, sospesa tramite tether per l’esplorazione dell’atmosfera di Venere a diverse altitudini. Dopo un’ampia revisione dei metodi utilizzati in letteratura per modellare tali sistemi, un approccio nel dominio della frequenza è individuato come una metodologia semplice per la comprensione completa della dinamica del sistema. Il modello sviluppato è facilmente adattabile a vari sistemi ed è stato validato tramite software commerciali ad elementi finiti. Il software consente un’analisi efficiente nel dominio della frequenza a seguito della realizzazione modale del sistema. La rappresentazione del sistema è semplificata riducendo l’ordine del modello con tecniche specifiche, particolarmente adatte per la formulazione nello spazio degli stati, conforme ai vincoli operativi e al posizionamento dei sensori nel sistema reale. L’approccio in frequenza offre vantaggi significativi rispetto alle simulazioni nel tempo, permettendo previsioni più semplici della risposta del sistema e facilitando la sovrapposizione di differenti studi relativi al sistema. L’analisi di sensibilità effettuata sulle funzioni di trasferimento, fornisce ulteriori informazioni progettuali, evidenziando come dei parametri di design influiscono sulle prestazioni del sistema, e può orientare l’implementazione della logica di controllo. La validazione sperimentale, effettuata su un setup hardware che replica le configurazioni modellate, conferma le caratteristiche di frequenza e le dinamiche del sistema in risposta a diversi ingressi, fornendo dati cruciali per migliorare il modello e ottimizzare la progettazione futura di sistemi tethered. In conclusione, questa ricerca fornisce al team di sviluppo del Venus Aerobot strumenti essenziali per una modellazione robusta del sistema, un’analisi di sensibilità e una validazione sperimentale, che mira a indirizzare decisioni progettuali.