56aprile 2010

Sviluppo prodotto Progettazione meccanicag Luca Nicotra, Gela Kobaidze

Antenne per treni ad alta velocitàIn questo articolo è illustrata la progettazione meccanica, con i prodotti mechanical design di Catia V5, dell’antenna del terminale destinato a stabilire la connessione Internet a larga banda su treni ad alta velocità

TeS, che ha progettato il terminale og-getto dell'articolo, è parte del gruppo Space Engineering, attivo da vent’an-

ni, con l’obiettivo di soddisfare i bisogni e le richieste delle agenzie per lo spazio, de-gli operatori di telecomunicazioni (TLC) e di servizi satellitari, delle aziende manifatturie-re e di integrazione di sistemi per lo spazio. Le aziende del gruppo Space Engineering di-spongono di risorse umane altamente qua-lificate che, partendo dalla formazione uni-versitaria, hanno maturato la loro esperienza professionale partecipando ai più importanti programmi spaziali degli ultimi anni. La struttura del gruppo si articola in: Space Engineering SpA (capogruppo), TeS – Telein-formatica e Sistemi S.r.l. (controllata 100%), Collaborative Engineering S.r.l. (controllata 85%), TeleSal S.r.l. (partecipata), Meads LLC

– USA (partecipata). In particolare TeS si oc-cupa, nell’ambito del settore delle TLC, di ri-cerca e sviluppo, progettazione, ingegneriz-zazione, realizzazione di prototipi, produzio-ne e integrazione di microsatelliti per TLC, Analisi EMC (ElectroMagnetic Compatibili-ty), Sviluppo SW. Mentre le attività di proget-to sono svolte essenzialmente nella sede di Roma, le attività di integrazione e test degli apparati sono tenute nello stabilimento TeS di Tito Scalo (Potenza). TeS ha da poco firmato con Eutelsat un im-portante contratto per la fornitura di 62 ter-minali satellitari da installare su treni ad alta velocità, di cui l’antenna a riflettore oggetto del presente articolo è parte integrante.

L’installazione e il funzionamentoL’antenna, opportunamente incapsulata in un contenitore, è installata sul tetto del treno (fi-gura 1). I progettisti di TeS e di Space Engi-neering hanno seguito i corsi di formazione su Catia V5, sviluppando un set personalizzato di macro per la creazione automatica dei cartigli, della tabella delle revisioni e della lista parti.La progettazione meccanica dell’antenna

assume come dato d’inizio la geometria del-la superficie riflettente, fornita dai progettisti elettronici di TeS tramite un file ASCII con-tenente le coordinate spaziali x,y,z dei suoi punti. Non disponendo del prodotto specia-listico Digitised Shape Editor 2 che consen-te d’importare direttamente in un file Catia tali punti, è stato sviluppato un programma in C++ che converte il file ASCII in file Iges che, letto da Catia, permette la generazione della nuvola di punti che specifica la geome-tria della superficie riflettente dell’antenna (figura 2). Tutta la progettazione della strut-tura meccanica di questa è stata realizzata avvalendosi delle potenti funzioni di model-lazione per superfici di Catia V5 e in partico-lare di quelle che consentono la creazione di superfici multi-section o loft e di superfici blend. Le prime sono ottenute come sper-fici d’interpolazione di una famiglia di curve che rappresentano sezioni della superficie finale; tale interpolazione può essere con-

Figura 1 – Terminale satellitare per connessione Internet a larga banda su treni ad alta velocità

Figura 2 – Punti della superficie riflettente dell’antennaFigura 3 – Superficie riflettente dell’antenna delimitata dal contorno fornito dai progettisti elettronici

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trollata in direzione topologica trasversale ri-spetto a tali curve, imponendo il passaggio della superficie attraverso una o più curve-guida. Le seconde, invece, sono ottenute a partire da due curve che rappresentano contorni opposti della superficie finale, in corrispondenza delle quali è possibile sta-bilire condizioni di continuità in tangenza o in curvatura con altre superfici che condivi-dono tali contorni. Inoltre, in corrisponden-za di questi possono essere applicati valori variabili di tensione in direzione trasversa-le, in modo da ottenere effetti di piegatura della superficie controllabili a piacere dal-l’operatore.All’interno della nuvola di punti importati dal file Iges, pertanto, vengono scelti opportu-namente i punti necessari per creare le cur-ve-sezione e le curve-guida sulle quali sarà costruita la superficie multi-section che deve rappresentare la parte riflettente dell’anten-na. Inoltre, un altro file ASCII è fornito dai pro-gettisti elettronici per definire il suo contorno (figura 3). Dalla superficie riflettente sono ot-tenute per offset, in direzione perpendicola-

re, altre due superfici che serviranno per co-struire il bordo periferico dell’antenna (figura 4). La distanza fra tali superfici è l’altezza del bordo, mentre dal contorno della seconda superficie offset è ottenuta una prima cur-va offset b verso l’interno, per definire la lar-ghezza del bordo, che è modellato come su-perficie blend, utilizzando tale curva e il con-torno a della prima superficie offset (figura 5). La costruzione della struttura dorsale del-l’antenna richiede scelte progettuali affida-te all’esperienza del progettista meccanico e a criteri estetici. Essa è realizzata tramite l’unione delle due superfici multi-section S1 e S2, secondo una complessa scelta delle curve-sezione. Anzitutto viene stabilito il pia-no d’ancoraggio dell’antenna, delimitandone l’area utile con i contorni c, d. Una secon-da curva offset del contorno della seconda superficie offset – divisa nelle due parti e, f – è creata all’interno della prima curva off-set b, per consentire la realizzazione del rac-cordo circolare del bordo dell’antenna (figura 6). La superficie multi-section S1 è costruita su curve-sezione composte da archi di para-

bola che si raccordano tangenzialmente con il piano di fissaggio (figura 7). La superficie multi-section S2, invece, utilizza come sezio-ni coppie di parabole le cui concavità sono ri-volte in versi contrari e nel cui punto d’unione (flesso) è mantenuta la continuità in tangen-za (figura 8). Le linee-guida sono le curve e, c in S1, e d, f in S2. Su un piano di sketch parallelo a quello d’ancoraggio dell’antenna si disegnano sei profili chiusi p a linea doppia (figura 9). Dallo sketch si estraggono, in due gruppi separati, le curve esterne e interne di ciascun profilo, che serviranno per realizza-re le asole d’alleggerimento della struttura meccanica dell’antenna. La prima superficie offset è ritagliata con le proiezioni su di essa delle curve interne dei profili p, mantenen-do le zone interne (figura 10). La superficie S – unione delle due superfici S1 e S2 – è, invece, ritagliata con le proiezioni su di essa delle curve esterne dei profili p, conservando le zone comprese fra i profili (figura 11). Infi-ne, il modello 3D dell’antenna è completato con i raccordi e i fori di fissaggio, assumendo l’aspetto di figura 12.

Figura 4 – Superfici di costruzione del bordo dell’antenna

Figura 5 – Bordo dell’antenna realizzato come superficie blend

Figura 6 – Struttura dorsale dell’antenna realizzata con le due superfici multi-section S1, S2Figura 7 – La superficie multi-section S1 è costruita su curve-sezione composte da archi di parabola che si raccordano tangenzialmente con il piano di fissaggio dell’antenna

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Sviluppo prodotto Progettazione meccanica

Il modello 3D dell’antenna viene infine sot-toposto ad analisi strutturale quasistatica, modale, random e shock con Nastran, tra-mite l’interfaccia con Catia V5.

La scelta del softwareLa progettazione dell’antenna con Catia V5 è risultata vantaggiosa per TeS sotto molteplici punti di vista. Il posizionamento di Catia, co-me standard di fatto, nel settore aerospazia-

le e aeronautico ha certamente facilitato la partecipazione di TeS e Space Engineering a progetti di respiro internazionale, rendendo più sicuri gli scambi di dati progettuali con i partner che utilizzano il medesimo sistema. Dal punto di vista operativo, notevoli bene-fici sono stati avvertiti dai progettisti – che utilizzavano precedentemente un sistema CAD di fascia inferiore, essenzialmente 2D – nell’uso delle potenti funzioni di modella-

zione per superfici di Catia V5 che, nel caso specifico della progettazione di an-tenne, consentono di risolvere con sem-plicità e rapidità pro-blemi tipici della mo-dellazione 3D di for-

me. L’esempio qui riportato dimostra come, in pochi passi, sia stato possibile realizzare la particolare geometria complessa dell’an-tenna, partendo da un semplice elenco di punti, che costituisce il dato progettuale fon-damentale caratterizzante la superficie riflet-tente. Tutto l’iter progettuale è risultato molto lineare e di facile attuazione, pur realizzando soluzioni costruttive non banali. Inoltre, la completa integrazione fra model-lazione solida e per superfici ha permesso di ‘solidificare’ tutte le feature sviluppate come superfici, ottenendo come risultato finale un modello solido, certamente non realizzabi-le direttamente utilizzando i tipici schemi di rappresentazione solida. La disponibilità di un modello solido è indispensabile per simu-lare proprietà geometriche e di massa quali il volume, il peso, il baricentro e i momenti d’inerzia, particolarmente importanti in appli-cazioni come quella trattata. ■

Le immagini di questo articolo sono pubblicate con il consenso di TeS S.r.l., che ne è proprietaria.

Figura 8 – La superficie multi-section S2 utilizza come sezioni coppie di parabole con concavità opposte

Figura 9 – Profili doppi p disegnati su un piano di sketch parallelo a quello d’ancoraggio, per la realizzazione delle asole d’alleggerimento della struttura dell’antenna

Figura 10 – La prima superficie offset della superificie riflettente è ritagliata con le proiezioni su di essa delle curve interne dei profili p, mantenendo le zone interne

Figura 11 – L’unione delle due superfici S1 e S2 è ritagliata con le proiezioni su di essa delle curve esterne dei profili p, conservando le zone comprese fra i profili

Figura 12 – Modello 3D finale dell’antenna

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