NASA aprimora simulações de contato dinâmico para missões espaciais com modelo sem parâmetros

A NASA está avançando no campo da simulação de contato dinâmico, crucial para o sucesso de missões espaciais, com o desenvolvimento de um modelo de contato sem parâmetros. A iniciativa surge da necessidade de prever com precisão o comportamento dinâmico de componentes em contato, como no caso da captura de amostras de Marte pela missão Mars Sample Return (MSR). O modelo foi desenvolvido pelo NESC (NASA Engineering and Safety Center) e pela Applied Structural Dynamics (ASD).

Modelar a captura da amostra orbital (OS) da MSR envolve entender o comportamento dinâmico complexo, incluindo o contato do OS com o interior do compartimento de captura. O programa MSR exigiu a verificação numérica das previsões de dinâmica de contato produzidas por ferramentas de software comerciais. Esses softwares, contudo, utilizavam parâmetros “livres” para configurar a modelagem de contato. Tais parâmetros livres, não baseados em física de contato, são ajustados para obter resultados desejados, o que pode comprometer a precisão e a confiabilidade das simulações. O modelo de contato comercial da MSR exigia sete parâmetros livres, incluindo rigidez de contato Hertziana, penetração superficial, expoente de rigidez, velocidade de penetração, amortecimento de contato, profundidade máxima de penetração e uma função de suavização. Por outro lado, o coeficiente de atrito é um parâmetro baseado em física.

Cada conjunto de parâmetros livres gera uma assinatura de força de contato diferente, o que exige verificações numéricas adicionais para guiar a configuração desses parâmetros. A modelagem de contato é não linear, o que significa que as matrizes de rigidez dos corpos em contato são atualizadas continuamente à medida que os corpos entram em contato, potencialmente fazem novo contato (devido a vibrações) e se desengajam. As propriedades modais dos corpos em contato mudam continuamente com as transições de estado. A maior parte dos modelos de contato em softwares de análise de elementos finitos envolve carregamento estático, enquanto os modelos que envolvem dinâmica são historicamente desafiadores.

Em 2005, a NASA conduziu um estudo testando vários solucionadores de contato comerciais na previsão de forças de contato em ambientes dinâmicos transitórios. Isso foi motivado pelo Programa do Ônibus Espacial (SSP), após o acidente com a Columbia em fevereiro de 2003, que decidiu incluir a dinâmica de contato na análise de cargas acopladas transitórias do ônibus espacial para capturar o impacto das não linearidades de contato. O estudo identificou dificuldades na execução de CLAs não lineares em softwares comerciais. Um solucionador não linear desenvolvido pelo NESC e ASD, capaz de produzir resultados fisicamente realizáveis, foi verificado numericamente pela NASA e posteriormente validado experimentalmente. Este solucionador não linear foi subsequentemente utilizado para executar todos os CLAs do SSP da NASA (ou seja, voos espaciais tripulados) de 2005 até o último voo em 2011, e também está atualmente suportando o Programa SLS.

O trabalho de verificação de contato da MSR visava fornecer dados para ajudar a equipe a definir os parâmetros livres no modelo de contato da ferramenta comercial. O solucionador NESC/ASD foi usado para modelar o contato entre vigas em balanço e vigas livres, derivando forças de contato e deslocamentos relativos. Esses dados podem ser usados para determinar valores de parâmetros para estruturas mais complexas. Duas configurações foram modeladas: uma para contato axial e outra para atrito, com resultados apresentados em Figuras 1 e 2 respectivamente, exemplificando as análises dinâmicas não lineares da NESC.

O modelo sem parâmetros do NESC oferece uma abordagem inovadora ao problema da modelagem de contato. Ao evitar o uso de parâmetros livres, o modelo garante uma maior precisão e confiabilidade nas simulações, reduzindo a necessidade de ajustes manuais e testes adicionais. A equipe MSR poderá usar os dados gerados pelo solucionador NESC/ASD para refinar os parâmetros em softwares comerciais, melhorando a precisão das simulações de dinâmica de contato e otimizando o sucesso da missão.

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