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RENCONTRES CNRS LAM / MSC SOFWARE

CALCULS PRÉLIMINAIRES EN ANALYSES STATIQUE, DYNAMIQUE ET THERMO-ÉLASTIQUE

SUR LA STRUCTURE PRINCIPALE DE L’INSTRUMENT SPATIAL NISP

Plan

24 Mai 2012 DOCUMENT CONFIDENTIEL

Rencontres CNRS LAM / MSC SOFTWARE 2

�Contexte du projet EUCLID

�Description de l’instrument NISP

�Objectifs et description de la démarche d’analyse

�Description du Modèle Eléments Finis

�Résultats principaux des différentes analyses

Contexte du projet EUCLID



Le télescope EUCLID

L’instrument NISP

Contexte projet

� Programme spatial scientifique COSMIC VISION de l’ESA

� Principal objectif scientifique : Mesurer la distribution de la matière noire dans

l'univers et la manière dont cette répartition a

évolué depuis le « Big Bang »

� Deux instruments scientifiques embarqués : VIS et NISP (Near Infrared Spectro Photometer)

� VIS : observation dans le visible

� NISP : Spectrophotomètre infrarouge grand champs

• Photométrie: Roue à filtres

• Spectroscopie: Roue à Réseaux

• Plan focal Infrarouge constitué par 16 détecteurs

� Etude complète de l’instrument ⇒ Consortium européen

�LAM en charge de l’étude de la structure principale de l’instrument NISP

� Phase A : Faisabilité ⇒ terminée fin 2011

� Phase B : Définition préliminaire

Description de l’instrument NISP



Instrument NISP équipé de ses protections

Schéma optique

Description de l’instrument NISP



Structure principale de l’instrument NISP

Matériau

Module d’Young

(GPa)

Densité

kg/m3)

Coefficient

de Poisson

Coefficient

de dilatation

(µm/m/K)

Invar 141 8050 0.26 1.6

Titanium 114 4500 0.34 9

SiC 420 3210 0.17 1.2

Aluminium 70 2700 0.33 23.6

Démarche d’analyse



OBJECTIF : Démontrer le respect des spécifications imposées

CREATION D’UN MODELE ELEMENTS FINIS SIMPLIFIE

VERIFICATION DU MODELE

ANALYSES STATIQUES

ANALYSE MODALE

ANALYSES DYNAMIQUES

Analyse sous charge inertielle

Analyse thermo-élastique

Détermination d’une base modale

Analyse Réponse en fréquence

Analyse Aléatoire

Pré dimensionnement

Limitations des efforts aux résonnances




OBJECTIF : Démontrer le respect des spécifications imposées

Spécification Valeur Commentaire

Première fréquence 90 HzPour ne pas entrer en résonnance avec le télescope

(banc optique)

Charges limites de design

20g statiques dans les 3

directions de l’espace

indépendamment

La structure doit résister à ces charges limites de design

Température ∆∆∆∆T = 193 K La température opérationnelle de l’instrument est T = 100 K

Stabilité dimensionnelle en opération

� Spécifications fonctionnelles

�Spécifications de performances

�Spécifications d’interfaces




Spécification Valeur Commentaire

Sinus de qualification

Vibrations aléatoires



Hypothèses

� Le banc optique sur lequel s’appuie l’instrument est considéré comme infiniment rigide

� Toutes les masses mises en jeu sont considérées avec une marge de 20%

� Introduction de densité équivalentes (contrôle thermique,…)

Limitations

Le modèle Eléments Finis est simplifié pour une analyse préliminaire. Il permet de :

� Estimer les premières fréquences de résonnances de l’instrument

� Estimer les contraintes et les déformations dans les différents éléments mécaniques (panneaux, barres,

hexapode)

� Estimer les charges (forces et moments) transitant par les différentes connections mécaniques de la

structure (en particulier, à l’interface avec le télescope)

53116 nœuds et 45101 éléments

Description du Modèle Eléments Finis

PATRAN 2010MD NASTRAN 2010WINDOWS XP64



Description




Conditions aux limites

Repère d’analyse

Trois translations et trois rotations bloquées

aux niveaux des six points d’interface avec

le télescope




Vérification du Modèle Eléments Finis

Conformité selon des critères définis par les agences ⇒ Validation du modèle

VERIFICATION géométrique

VERIFICATION des propriétés de masse

Analyse modale Libre-Libre

Charges sous gravité

Analyse thermo-élastique« zéro contraintes »

6 premières fréquences de corps rigides

Energie de déformation

Nœud et éléments libres ou coïncidents,

géométrie des éléments

Masse modèle CAO Masse modèle EF % erreur74.7 kg 75.4 kg +1%

Vérification des charges aux interfaces : 1g ⇒ P = M.g

pour chaque direction

Mode n°°°° Fréquence (Hz)

1 1.42E-03

2 1.26E-03

3 3.9E-04

4 2.4E-04

5 6E-04

6 8.2E-04mode n°°°° Energie de déformation

1 7.86x10-7 < 10-3

2 4.75x10-7 < 10-3

3 1.36x10-6 < 10-3

4 1.12x10-6 < 10-3

5 8.42x10-7 < 10-3

6 1.00x10-6 < 10-3

Rotation maximale < 10-8 radContrainte max < 100 Pa

Blocage isostatique du modèle

Matériau unique : E = 1011 Pa, ν = 0.3,

α = 10 10-6 m/m/K

∆T = 100 K



ANALYSE EN CONTRAINTES SOUS 20G STATIQUES

20g X 20g Y 20g Z

ElementVM Stress

(MPa)Margin / Yield

Margin / Ult.

VM Stress(MPa)

Margin / Yield

Margin / Ult.

VM Stress(MPa)

Margin / Yield

Margin / Ult.

Bipod

flexures

193 2.1 1.98 174 2.45 2.31 77 6.79 6.48

PANEL P1 60 (141) - 0.80 60 (121) - 0.80 70 (144) - 0.54

PANEL P2 80 - 0.35 80 (182) - 0.35 71 - 0.52

PANELP3 104 - 0.04 51 - 1.12 60 (129) - 0.80

Beams 45 - 1.4 49 - 1.20 14 - 6.71

Beam glued

linkTo be investigated

MOS = [Charge limite] / [Charge calculée x FOS] - 1

Charge inertielle = 20G

Analyse Éléments Finis préliminaire



ANALYSE EN CONTRAINTES SOUS ∆∆∆∆T = 193 K

∆∆∆∆T = 193 K

ElementVM Stress

(MPa)Margin / Yield Margin / Ult.

Bipod flexures 27 21.2 20.3PANEL P1 14 - 6.71PANEL P2 36 - 2.00PANELP3 16 - 5.75

Beams 5 - 20.60Beams glued link To be done - To be done

Température de référence = 293 KTempérature imposée sur tous les nœuds = 100 K




ANALYSE MODALE

Mode n°1 à 97 Hz (translation longitudinale) Mode n°2 à 100 Hz (translation transversale)




ANALYSES SINUS ET ALEATOIRE

Stratégie de « notching »

DRIVER PRINCIPAL

Durant les excitations dynamiques (tests de qualification et d’acceptance)

de l’instrument NISP, les charges calculées sous 20g statique à l’interface

avec la plateforme télescope ne doivent pas être dépassées

Calcul des charges à l’interface(Forces, Moments)

Détermination de critères de notching :

•[√(FX²+FY²)MAX of the 6 interface points ]MAX of the 3 directions X/Y/Z

•[FZMAX of the 6 interface points ]MAX of the 3 directions X/Y/Z

•[√(MX²+MY²)MAX of the 6 interface points ]MAX of the 3 directions X/Y/Z

•[MZMAX of the 6 interface points ]MAX of the 3 directions X/Y/Z

Design des interfaces de la structure avec la plateforme

INTRODUCTION DU NOTCHING

Eviter de sur tester l’instrument sur une interface

infiniment rigide (pot vibrant)

Sur le télescope ⇒⇒⇒⇒ dissipation d’énergie




ANALYSES SINUS ET ALEATOIREAmortissement structural global= 2%

Outil PATRAN Random




ANALYSES SINUS ET ALEATOIRE

Post-traitement EXCEL

Réinjection des courbesnotchées sous PATRAN

Vérification aux interfacesSous PATRAN

Calculs des contraintes

Traitement PATRANpossible ?


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