Dynamic structural analysis in a 2U CubeSat considering quasi-static loads

Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 30 Nº 1, 2022, pp. 94-108 Dynamic structural analysis in a 2U CubeSat considering quasi-static loads Análisis dinámico estructural en CubeSat 2U Considerando cargas cuasi-estáticas Vitor Hugo Lopes Costa Lima 1 * Romulo do Nascimento Rodrigues 1 Pierre Maurice Christophe Lamary 1 Roberto de Araújo Bezerra 1 Recibido 09 de septiembre de 2020, Aceptado 03 de enero de 2022 Received: September 09, 2020 Accepted: January 03, 2022 ABSTRACT Nowadays, the use of the CubeSat standard for satellites design has become a strong appliance in space industries and universities because of its low cost. In its simpler model a CubeSat , consists of a cubic nanosatellite with less than 1,33 kg and 10 cm of edge. The present work was done computational simulations using the finite element method since computational simulations are cheaper to do vibration tests. It was carried out modal analyses comparing five CubeSat structures, where it was evaluated the presence of electronic board (without electronic elements), static loads, two different aluminum alloys, and the influence of additional mass in the PCB (Printed Circuit Board). CAD software was used for the structures’ design following the CubeSat specifications, and all the simulations were carried out in a finite element software, in a range of 0 to 1000 Hz. It was designed one structure to do initial simulations, followed by the design of 4 structures more adjusted to the CubeSat requirements. In the end, results showed the influences of each present condition on the satellite. It was noticed that influences of the load in the vibration shape and less than 2% in other results. The material available to build a CubeSat for tests was validated concerning the recommended aluminum alloy. Keywords: Modal analysis, mechanical vibrations, finite elements, aluminum alloy. RESUMEN Hoy en día, el uso del estándar CubeSat para el diseño de satélites se ha convertido en un instrumento fuerte tanto en las industrias espaciales como en las universidades debido a su bajo costo. Un CubeSat, en su modelo más simple, consiste en un nanosatélite cúbico con menos de 1,33 kg y con 10 cm de borde. En el presente trabajo se realizaron simulaciones computacionales utilizando el método de elementos finitos ya que las simulaciones computacionales son una forma más barata de hacer pruebas de vibración. Se realizaron análisis modales comparando cinco estructuras CubeSat, donde se evaluó la presencia de placa electrónica (sin elementos electrónicos), las cargas estáticas, dos aleaciones de aluminio diferentes y la influencia de la masa adicional en el PCB (Printed Circuit Board). Se utilizó un software CAD para el diseño de estructuras siguiendo las especificaciones de CubeSat, y todas las simulaciones se llevaron a cabo en un software de elementos finitos, en un rango de 0 a 1000Hz. Se diseñó una estructura para hacer simulaciones iniciales, seguido del diseño de 4 estructuras más ajustadas a los requisitos de CubeSat. Al final se encontraron resultados que muestran las influencias de cada condición presente en el satélite. Se notaron influencias de la carga en la forma de vibración y menos del 2% en otros resultados. El material disponible para construir un CubeSat para las pruebas fue validado en relación con una aleación de aluminio recomendada. Palabras clave: Análisis modal, vibraciones mecánicas, elementos finitos, aleación de aluminio. 1 Universidade Federal do Ceará. Laboratório de Vibrações Mecânicas (LVM). Centro de Tecnologia. Fortaleza, Ceará, Brazil. E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] * Autor de correspondencia: [email protected]

Dynamic structural analysis in a 2U CubeSat considering quasi-static loads

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