Ingenieros de la NASA utilizaron Simcenter Femap para asegurar que Curiosity pudiera soportar los “Siete Minutos de Terror”

Producto: Femap, Simcenter
Industria: Aeroespacial y Defensa

Simcenter Femap ayuda a optimizar componentes y piezas para la misión de Curiosity a Marte, la más desafiante y exigente de la historia.

Enviar un paquete a Marte es una empresa compleja

La entrega de un laboratorio científico itinerante desde la Tierra hasta el planeta Marte requiere una planificación meticulosa y un rendimiento preciso. Sólo tienes una oportunidad de hacerlo bien: no hay margen de error. Ingenieros y científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el Instituto de Tecnología de California tuvieron que tomar decisiones cruciales miles de veces durante un calendario de desarrollo de productos de varios años para aterrizar con éxito el Mars Rover “Curiosity” en el suelo del cráter Gale el 6 de agosto de 2012.   Han estado haciendo ciencia de cohetes en JPL desde la década de 1930. En 1958, científicos de JPL lanzaron Explorer, el primer satélite estadounidense en orbitar la Tierra, seguido de muchas misiones exitosas no sólo cerca de la Tierra, sino también a otros planetas y las estrellas.

Los ingenieros de JPL utilizan un kit de herramientas de aplicaciones de software de ingeniería de Siemens Digital Industries Software para ayudarles a tomar decisiones altamente informadas. Un componente clave en este kit de herramientas es Simcenter™ Femap™ software, un programa de software de simulación de ingeniería avanzada que ayuda a crear modelos finitos de análisis de elementos (FEA) de productos y sistemas de ingeniería complejos y muestra los resultados de la solución. Usando Simcenter Femap, los ingenieros de JPL modelaron virtualmente los componentes, ensamblajes y sistemas de Curiosity, y simularon su rendimiento bajo una variedad de condiciones.

De 13.000 a 0 mph en siete minutos También conocido como el Laboratorio científico de Marte (MSL), este rover es masivo en comparación con los vehículos anteriores que la NASA ha aterrizado en el “Planeta Rojo”. En la configuración desplegada con el brazo extendido, el rover tiene 2,5 metros de ancho, 4,5 metros de largo y 2,1 metros de alto. Con un peso de casi una tonelada, el rover Curiosity es cinco veces la masa y el doble de la longitud de sus predecesores, lo que significaba que había que diseñar un procedimiento de aterrizaje completamente nuevo y mucho más suave. La NASA necesitaba ralentizar la nave espacial rover de una velocidad de 13.000 millas por hora (mph) a un punto muerto virtual para aterrizar suavemente el rover durante lo que la NASA llama “Siete Minutos de Terror”. Después de completar una serie de maniobras “S”, desplegando un enorme paracaídas, y luego con el uso sin precedentes de una “grúa celeste” especialmente diseñada, el MSL se estableció suavemente para no dañar los componentes funcionales y científicos de los laboratorios.

Estos componentes incluyen un brazo robótico de 2,1 m de largo, que se utiliza para recoger muestras en polvo de rocas, limpiar el suelo, las superficies de los cepillos y entregar muestras para instrumentos analíticos. Los instrumentos científicos de la torreta del brazo incluyen el Mars Hand Lens Imager (MAHLI) y el Espectrómetro de rayos X de partículas alfa (APXS). Otras herramientas de la torreta son componentes del subsistema de adquisición, procesamiento y manipulación de muestras (SA/SPaH) del rover: el sistema de perforación de adquisición de polvo (PADS), la herramienta de eliminación de polvo (DRT) y el dispositivo de recolección y manipulación para análisis de rocas marcianas interiores (CHIMRA).

Curiosity también heredó muchos elementos de diseño de los anteriores rovers de Marte “Spirit” y “Opportunity”, que llegaron a Marte en 2004. Esas características incluyen tracción a las seis ruedas, un sistema de suspensión rockero-bogie y cámaras montadas en un mástil para ayudar al equipo de la misión en la Tierra a seleccionar objetivos de exploración y rutas de conducción en Marte.

Prácticamente toda la nave espacial en sí y su carga útil fueron sometidas a análisis de simulación utilizando Simcenter Femap para el procesamiento previo y posterior. Las simulaciones realizadas antes de la producción de piezas y sistemas incluían estática lineal, cargas normales, pandeo, no lineal, vibración aleatoria y análisis transitorios. Miles de decisiones de diseño se tomaron utilizando información de simulaciones de Simcenter Femap.

Además de la naturaleza compleja de la propia misión, los ingenieros que desarrollaron Curiosity desde el diseño inicial hasta la entrega final de componentes a Cabo Cañaveral estaban trabajando contrarreloj. La ventana de tiempo ideal para enviar un paquete de la Tierra a Marte es un período de 2 a 3 semanas que ocurre aproximadamente cada 26 meses. Perder esa ventana habría fijado la misión de nuevo en más de dos años, por lo que los ingenieros de JPL necesitaban analizar piezas y componentes de forma rápida y eficiente para que pudieran ser fabricados.

El papel de Simcenter Femap

Simcenter Femap es el principal preprocesador y postprocesador de JPL para FEA. Para MSL, los ingenieros comenzaron a usar Simcenter Femap al principio de la etapa de diseño cuando estaban realizando estudios comerciales sobre varias configuraciones o diferentes maneras de abordar la misión. A medida que la configuración maduraba, utilizaron Simcenter Femap para ayudar a crear el modelo de elementos finitos maestros que se utilizó para ejecutar los distintos casos de carga.

La mayoría de los analistas estructurales de JPL utilizan Simcenter Femap para crear o ver los resultados de una ejecución de FEA. El software se utilizó tanto para el análisis lineal de alto nivel como para el análisis no lineal muy detallado. Estos son dos tipos de análisis muy diferentes que utilizan la misma pieza de software.

Ciertos trabajos eran simplemente demasiado grandes para una persona, y en algunos casos los ingenieros tenían que basarse en el trabajo de otras personas que previamente habían utilizado Simcenter Femap para construir modelos FEA. Simcenter Femap fue diseñado como un paquete muy fácil de usar, creado para analistas por analistas que son muy conscientes de lo que los ingenieros necesitan y cómo funcionan. Pueden recogerlo después de seis meses de no uso y volver a ser el máximo competente en muy poco tiempo.

Simcenter Femap fue fundamental en la realización de todo tipo de FEA en todos los aspectos del vehículo. Cada componente del vehículo tenía un modelo de nivel superior, tipo cargas, y estos modelos se unieron para crear el modelo completo de la nave espacial. Los ingenieros de JPL trabajaron a través de varios escenarios de “qué pasaría si”, incluyendo hasta 37 casos de carga diferentes para cómo se desplegaría el paracaídas durante el proceso de aterrizaje.

La misión Curiosity no es el único proyecto actual de JPL. Otras misiones incluyen satélites monitoreando las condiciones de la Tierra, telescopios, experimentos y otras naves espaciales.

Las misiones planeadas incluyen la misión InSight que colocará un lander en Marte en 2016 para perforar bajo la superficie e investigar el interior profundo del planeta para entender mejor la evolución de Marte. Incluso hay planes para una misión propuesta de Retorno de Muestras de Marte, que recogería muestras de la superficie de Marte y las devolvería a la Tierra.

Los ingenieros de JPL están utilizando y probablemente seguirán utilizando Simcenter Femap para ayudar a lograr estas y otras misiones de ingeniería, descubrimiento y ciencia.

Startup Exept utiliza Simcenter Femap con Nastran para desarrollar un marco monocasco para bicicletas de carretera en un entorno virtual

Producto: Femap
Industria: Productos de Consumo y Venta

La solución siemens permite a EXEPT pasar del diseño conceptual al lanzamiento de productos en menos de un año

Desarrollo del monocasco personalizado

Hasta hace poco cualquier ciclista que quisiera comprar una nueva bicicleta tenía dos opciones: comprar una de las grandes marcas con un marco monocasco que está disponible en una gama fija de tamaños con rendimiento basado en la rigidez por peso, o un marco a medida fabricado con la técnica de tubo a tubo. Este tipo de bicicleta tiene tubos que se cortan, soldan y envuelven con fibra de carbono alrededor de las articulaciones (nudos), con los inevitables inconvenientes en la rigidez.

Ahora la startup italiana EXEPT, que tiene su sede en Savona, está proporcionando una tercera vía. Ha desarrollado un proceso que combina los beneficios de ambos enfoques tradicionales para crear marcos monocascos hechos a medida. La técnica monocasca personalizada inventada por EXEPT utiliza moldes móviles para fundar marcos monocascos sin ninguna discontinuidad de fibra de carbono para que se pueda hacer a pedido para cada ciclista.

“La clave de la sostenibilidad económica en la producción de bicicletas es el costo de las herramientas”, dice Alessandro Giusto, cofundador de la compañía y gerente de innovación y simulación. “Un molde puede costar entre 50.000 y 60.000 euros, por lo que sólo las grandes marcas pueden alcanzar volúmenes lo suficientemente grandes como para hacer un molde para cada tamaño. En su lugar, hemos desarrollado una tecnología innovadora para construir todos los tamaños con un molde ajustable.”

La mayor marca italiana fabrica 15.000 bicicletas de alta gama al año, mientras que el plan de negocio de EXEPT contempla producir hasta 3.000 piezas anuales en cinco años.

Experiencia integral

El concepto de molde móvil fue desarrollado por los tres fundadores y refleja su pasión por las bicicletas. Giusto trabajó anteriormente en Continental, un líder mundial en la fabricación de neumáticos, y también tenía experiencia en la industria aeroespacial y el diseño de componentes de automóviles-bon para el negocio de artículos deportivos. El segundo socio comercial, Alessio Rebagliati, es un colega de Continental, mientras que el tercer fundador, Wolfgang Turainsky, es un ingeniero alemán que solía trabajar para un fabricante español de componentes para bicicletas.

Se necesitaron dos años y dos ciclos de prototipos para hacer prototipos que demostraran la viabilidad del proceso monocasco personalizado. Antes de ser analizado con herramientas de simulación y método de elemento finito (FEM), el primer cuadro fue dado a un ex profesional del ciclismo para las pruebas. Una vez que la firma recibió su aprobación técnica, EXEPT presentó el proyecto a un fondo de inversión (Focus Futuro), que proporcionó los recursos necesarios para pasar al diseño detallado, pruebas y certificación.

“La bicicleta fue diseñada desde el principio de acuerdo con el nuevo concepto”, dice Giusto. “Sin embargo, inicialmente no nos centramos en la fibra car-bon, ya que el diseño de materiales compuestos es una actividad compleja que es un trabajo a tiempo completo. Una vez que obtuvimos los fondos para financiar nuestra idea innovadora, podríamos dejar nuestros trabajos anteriores y sumergirnos en la nueva empresa”.

La prueba previa al primer prototipo en mayo de 2018, que fue desarrollado con sólo tres meses de diseño, confirmó los resultados de la simulación y aseguró a Giusto y sus socios que estaban listos para lanzar la bicicleta en la feria Eurobike en julio de 2018.

Decisión infalible

En su experiencia en empresas de ingeniería en las industrias aeroespacial y de artículos deportivos, Giusto tuvo la oportunidad de aprender y apreciar Simcenter™ Software Nastran®, específicamente el modelado de elementos finitos, y el entorno previo y postprocesamiento de Simcenter Femap™ software de Siemens.

“En el sector aeroespacial, Simcenter Nastran es una opción de facto y también usamos Simcenter Femap en nuestra empresa”, recuerda Giusto. “En seis años, de 2007 a 2013, adquirí habilidades avanzadas con estas herramientas, luego estuve a cargo del departamento de cálculo en Continental, donde el análisis no lineal se realiza utilizando herramientas totalmente diferentes.”

Como resultado, cuando comenzó el proyecto EXEPT, Giusto reactivó inmediatamente sus contactos con Siemens. “No necesitábamos análisis comparativos ni benchmarking”, dice. “Sabía que necesitábamos Simcenter Nastran, y la compensación calidad/precio para Simcenter Femap era excelente. Todo lo que tenía que hacer era llamar a Siemens para explicar nuestros requisitos y obtener una oferta adecuada, que aceptamos inmediatamente”.

EXEPT compró un paquete bloqueado de nodos que incorpora Simcenter Femap con Nastran Basic en una única solución integrada.

El equipo de EXEPT inicialmente trabajó con lápiz y papel, procediendo aumentando los niveles de complejidad para identificar las cargas que actuaron sobre la estructura. La siguiente etapa fue el desarrollo del primer modelo FEM simplificado.

“Hicimos un modelo muy simple; en el espacio aerodinámico, lo llaman Global FEM, que se compone de elementos unidimensionales (barras), e investigamos las propiedades de carga de estos tubos en diferentes condiciones de conducción, frenado e impacto”, explica Giusto. “Este enfoque es muy útil, ya que proporciona comentarios rápidos para cada sección de fotogramas. Luego pasamos a un modelo de material isotrópico, simulando un marco de aluminio con espeso constante, y utilizando la información de la FEM Global, identificamos dónde debemos disminuir o aumentar las secciones transversales para optimizar la rigidez y el peso. Finalmente, trabajamos en la geometría, que se volvió a mallar con cuatro modificaciones para aumentar la rigidez en un 27 por ciento. ¡Esto se hizo simplemente abordando la geometría!”

El desafío del carbono

Después de optimizar la rigidez del bastidor, los ingenieros del EXEPT se centraron en el diseño del carbono. Para definir el libro de ply, también conocido como la secuencia de laminación, Giusto ajustó la estructura 82 veces, logrando resultados extraordinarios.

“En comparación con la rigidez inicial del prototipo no optimizado, aumentamos la rigidez torsional en un 150 por ciento mientras aumentamos el peso monocasco en sólo un 12 por ciento”, dice Giusto. “En esta fase, Simcenter Femap ofreció enormes beneficios en términos de tiempo y costos, lo que nos permitió probar y analizar las capas y la dirección de las fibras sólo en el dominio virtual, sin aumentar la cantidad de material utilizado.”

EXEPT ejecutó un análisis comparativo en profundidad del rendimiento de más de 800 marcos de stock (en tamaños estandar) desarrollados y vendidos en los últimos tres a cuatro años con el fin de identificar y lograr objetivos de rigidez y peso de gama alta.

“El primer fotograma no optimizado que hicimos fue el tercero mejor en términos de rigidez de 800 fotogramas que analizamos”, dice Giusto. “Empujamos la rigidez hasta ahora que decidimos reducirla después para las pruebas de carretera, para encontrar el mejor equilibrio entre rigidez y rideability. Sabes, reducir un parámetro optimizado es mucho más fácil que aumentarlo.”

A finales de junio de 2018, el excelente rendimiento del monocasco personalizado de EXEPT y la fiabilidad de las simulaciones Simcenter Femap fue confirmado y certificado con pruebas por un laboratorio alemán independiente: La desviación entre la prueba real y la simulación fue inferior al 5 por ciento.

Giusto destaca cómo el uso de Simcenter Femap aceleró el desarrollo de nuevos marcos: “Compramos Simcenter Femap con Nastran en septiembre de 2017 y comenzamos a laminar carbono en enero de 2018, entregando el libro de ply a finales de marzo. Con Simcenter Femap, tomó menos de tres meses para más de 80 ciclos de iteración. Sólo tiene en cuenta que el plazo promedio de entrega de una bicicleta de marca es de dos años. Lanzamos nuestro modelo en julio, después de haber comenzado a trabajar en él menos de un año antes.

“Todo esto sólo fue posible gracias a la simulación; no hicimos iteraciones físicas. Nadie en la industria del ciclismo en Italia tiene actualmente herramientas comparables. Al principio nos pusimos en contacto con los departamentos de ingeniería de las grandes marcas para presentar nuestro concepto; tienen un enfoque convencional porque nunca desarrollan un marco desde cero. Comienzan con la experiencia de su proveedor de carbono y confían en socios externos para el desarrollo posterior.”

Combinación de software y servicios

Giusto no tiene dudas cuando se le pide que enumere los beneficios clave de Simcenter Femap: “El factor clave de éxito es el postprocesamiento. Simcenter Femap es sin duda el mejor de todos los motores postprocesamiento que he utilizado en mi carrera. Simcenter Femap con Nastran tiene un entorno completo para el análisis de tensión lineal de estructuras compuestas, que es adecuado para nuestras tareas. El software siemens nos permite consultar el modelo y extraer tanta información como sea posible de estructuras como nuestros marcos; por ejemplo, el uso de análisis de cuerpo libre para identificar la interacción de fuerzas dentro de la estructura.”

La pantalla visual clara e intuitiva de Simcenter Femap ayuda al usuario a subsanar mejor el modelo y proporciona herramientas avanzadas de generación de informes para la extracción de datos. Como resultado, la construcción del modelo es intuitiva, rápida ymagra. “Cuando empecé a trabajar a tiempo completo con Simcenter Femap y Simcenter Nastran para simular nuestros fotogramas, no empecé de cero, pero aún así necesitaba un poco de entrenamiento para refrescar mi memoria después de siete años usando software diferente. Cada vez que tengo un problema, sólo tengo que recoger el teléfono y los ingenieros están siempre listos para responder preguntas a mi plena satisfacción. Pueden indicar la mejor manera de abordar el análisis con un presupuesto limitado mientras utilizan la configuración de software más adecuada para nuestras necesidades, independientemente de la situación.”

Con las capacidades avanzadas de FEM de Simcenter Femap, EXEPT puede ejecutar simulaciones sofisticadas y críticas, pruebas estáticas y dinámicas, y simulaciones de eventos mecánicos complejos como caída e impacto.