Shock is one of the environmental tests that a spacecraft must pass before being cleared for launch. Shock testing poses a challenging data acquisition issue and careful selection of equipment is crucial to creating a successful shock test facility. Cal Poly’s CubeSat programs can currently perform all environmental testing other than shock themselves, so a quality shock table would be useful. Previous groups of students had developed a shock table, and this paper details the improvement and characterization of that shock table’s behavior. Several adjustable parameters were tested and documented to discover trends in the shock table’s response to an impact from a pendulum hammer. Then a test meant to mimic an actual shock test was performed. The CubeSat program provided a component to be tested and a requirement to be met. The nominal requirement is proprietary and cannot be given here, and additional stipulations included the test data being within a given tolerance band and at least 50% of the test data having a larger magnitude than the nominal requirement. The requirement needed to be met in all three of the component’s axes. The component was mounted to the shock table and acceleration data was collected and analyzed. A successful test was conducted in one axis, which was the result of impacting the large face of the aluminum shock table plate. The tests in the other two axes, conducted with impacts to the side of the aluminum plate, failed to meet the requirement. A finite element model of the table was developed and correlated to the test data. A new way of attaching the test component to the table was developed that would allow for testing in all three axes to be performed with impacts to the large face of the aluminum plate. A dynamic finite element analysis was performed, and the results indicate that this new attachment method should allow the requirement to be met in all three axes. The shock table is currently fully operational and can be used for testing and teaching purposes. With the implementation of the new attachment method, it is believed that the CubeSat program’s requirements can be met as well.

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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung eines Prüfregelwerks für Flexitanksysteme hinsichtlich des durchzuführenden Bahnauflaufstoßes. Während eines solchen Versuchs wird das Flexitanksystem, bestehend aus einem herkömmlichen Seefrachtcontainer und beladen mit einem wassergefüllten Folientank sowie einiger Zusatzeinrichtungen, auf einem Tragwagen verankert und anschließend einer intensiven Stoßbelastung ausgesetzt. Der Nachweis der Dichtigkeit des Tanks und die Einhaltung diverser Verformungsgrenzwerte am Container entscheiden über den Ausgang des Versuchs. Während die Arbeit auch diese Punkte aufgreift, liegt der eigentliche Schwerpunkt in der Auseinandersetzung mit derjenigen Beurteilungsgröße, welche die Erfüllung der Prüfanforderungen bestimmt. Derzeit wird dieses Prüfkriterium über eine Beschleunigungsamplitude definiert, was allerdings eine gewisse Unschärfe mit sich bringt. Die Prüfmethodik und ihre Entwicklungsgeschichte, sowie die damit einhergehenden Nachteile werden im Detail erläutert und eine Möglichkeit der Erweiterung des Kriteriums mithilfe des Schockantwortspektrums geboten. Als Beurteilungsgröße für die dynamische Prüfung von Tankcontainern bereits fest etabliert, wird dieses mathematische Analysewerkzeug in allen Einzelheiten vorgestellt und dessen Eignung für die Anwendung im Bahnauflaufstoß für Flexitanksysteme untersucht. Zu diesem Zweck wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe eine ausführliche Parameteranalyse durchgeführt und deren Ergebnisse Versuchsmessungen gegenübergestellt werden. Die Schlussfolgerungen münden in einem dem Flexitanksystem angepassten Prüfkriterium auf Basis des Schockantwort-spektrums, welches in Form eines Regelwerksentwurfs den entscheidungsberechtigten Gremien vorgeschlagen wird. Die Inhalte der drei Hauptkapitel der Dissertation können in folgenden Punkten zusammengefasst werden: Das Flexitanksystem wird vorgestellt, der Auflaufversuch erläutert und diskutiert sowie Versuchsergebnisse präsentiert und nach verschiedenen Gesichtspunkten analysiert. Das Schockantwortspektrum wird hergeleitet, dessen Charakteristika herausgestellt und deren Anwendung an praktischen Beispielen demonstriert. Die Eignung des Schockantwortspektrums zur Beurteilung von Auflaufstößen mit Flexitanksystem wird überprüft, die Einflussfaktoren in einer Parameteranalyse durchleuchtet und die Ergebnisse in die Definition eines neuen Prüfkriteriums eingeflochten. Die Dissertation entstand im Rahmen eines Fördermittelprojekts des Europäischen Sozialfonds und in Kooperation mit der Prüfanlage der TÜV SÜD Rail GmbH in Görlitz.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung eines Prüfregelwerks für Flexitanksysteme hinsichtlich des durchzuführenden Bahnauflaufstoßes. Während eines solchen Versuchs wird das Flexitanksystem, bestehend aus einem herkömmlichen Seefrachtcontainer und beladen mit einem wassergefüllten Folientank sowie einiger Zusatzeinrichtungen, auf einem Tragwagen verankert und anschließend einer intensiven Stoßbelastung ausgesetzt. Der Nachweis der Dichtigkeit des Tanks und die Einhaltung diverser Verformungsgrenzwerte am Container entscheiden über den Ausgang des Versuchs. Während die Arbeit auch diese Punkte aufgreift, liegt der eigentliche Schwerpunkt in der Auseinandersetzung mit derjenigen Beurteilungsgröße, welche die Erfüllung der Prüfanforderungen bestimmt. Derzeit wird dieses Prüfkriterium über eine Beschleunigungsamplitude definiert, was allerdings eine gewisse Unschärfe mit sich bringt. Die Prüfmethodik und ihre Entwicklungsgeschichte, sowie die damit einhergehenden Nachteile werden im Detail erläutert und eine Möglichkeit der Erweiterung des Kriteriums mithilfe des Schockantwortspektrums geboten. Als Beurteilungsgröße für die dynamische Prüfung von Tankcontainern bereits fest etabliert, wird dieses mathematische Analysewerkzeug in allen Einzelheiten vorgestellt und dessen Eignung für die Anwendung im Bahnauflaufstoß für Flexitanksysteme untersucht. Zu diesem Zweck wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe eine ausführliche Parameteranalyse durchgeführt und deren Ergebnisse Versuchsmessungen gegenübergestellt werden. Die Schlussfolgerungen münden in einem dem Flexitanksystem angepassten Prüfkriterium auf Basis des Schockantwort-spektrums, welches in Form eines Regelwerksentwurfs den entscheidungsberechtigten Gremien vorgeschlagen wird. Die Inhalte der drei Hauptkapitel der Dissertation können in folgenden Punkten zusammengefasst werden: Das Flexitanksystem wird vorgestellt, der Auflaufversuch erläutert und diskutiert sowie Versuchsergebnisse präsentiert und nach verschiedenen Gesichtspunkten analysiert. Das Schockantwortspektrum wird hergeleitet, dessen Charakteristika herausgestellt und deren Anwendung an praktischen Beispielen demonstriert. Die Eignung des Schockantwortspektrums zur Beurteilung von Auflaufstößen mit Flexitanksystem wird überprüft, die Einflussfaktoren in einer Parameteranalyse durchleuchtet und die Ergebnisse in die Definition eines neuen Prüfkriteriums eingeflochten. Die Dissertation entstand im Rahmen eines Fördermittelprojekts des Europäischen Sozialfonds und in Kooperation mit der Prüfanlage der TÜV SÜD Rail GmbH in Görlitz.

Der Vortrag stellt Idee und Grundlagen der Berechnung von Schockantwortspektren dar. Er zeigt, wie man exemplarisch für einen Halbsinusstoß das Schockantwortspektrum in der PTC FEM-Software Creo Elements / Pro Mechanica berechnen kann. Die Schockantworten eines Ein- und Zweimassenschwingers werden sowohl zeitaufgelöst als auch über die dynamische Stoßanalyse berechnet. Die modalen Superpositionsmethoden "Absolute Summe" und "SRSS" (Square Root of the Sum of the Squares - geometrischer Mittelwert) werden vorgestellt. Als reales Beispiel werden Schockanalysen für verschiedene Halbsinusimpulse mit einem Wärmebildgerät der Firma Carl Zeiss Optronics GmbH durchgeführt und mit einer zeitaufgelösten Analyse verglichen. Abschließend wird auf die Erzeugung von Antwortspektren für die Substrukturauslegung eingegangen. / The presentation explains idea and fundamentals of shock response spectra analysis. With help of the PTC FEM-software Creo Elements / Pro Mechanica the shock response spectra (SRS) for an exemplary half sine shock is calculated. The shock response of a one-mass and a two-mass oscillator are analyzed per dynamic time as well as per dynamic shock analysis. The modal superposition methods "absolute sum" and "SRSS" (Square Root of the Sum of the Squares) are explained. The method is applied for different half sine shocks on a realistic example: A thermal imaging system of the company Carl Zeiss Optronics GmbH. Finally, the creation of response spectra for global-local analysis is explained.

Der Vortrag stellt Idee und Grundlagen der Berechnung von Schockantwortspektren dar. Er zeigt, wie man exemplarisch für einen Halbsinusstoß das Schockantwortspektrum in der PTC FEM-Software Creo Elements / Pro Mechanica berechnen kann. Die Schockantworten eines Ein- und Zweimassenschwingers werden sowohl zeitaufgelöst als auch über die dynamische Stoßanalyse berechnet. Die modalen Superpositionsmethoden "Absolute Summe" und "SRSS" (Square Root of the Sum of the Squares - geometrischer Mittelwert) werden vorgestellt. Als reales Beispiel werden Schockanalysen für verschiedene Halbsinusimpulse mit einem Wärmebildgerät der Firma Carl Zeiss Optronics GmbH durchgeführt und mit einer zeitaufgelösten Analyse verglichen. Abschließend wird auf die Erzeugung von Antwortspektren für die Substrukturauslegung eingegangen. / The presentation explains idea and fundamentals of shock response spectra analysis. With help of the PTC FEM-software Creo Elements / Pro Mechanica the shock response spectra (SRS) for an exemplary half sine shock is calculated. The shock response of a one-mass and a two-mass oscillator are analyzed per dynamic time as well as per dynamic shock analysis. The modal superposition methods "absolute sum" and "SRSS" (Square Root of the Sum of the Squares) are explained. The method is applied for different half sine shocks on a realistic example: A thermal imaging system of the company Carl Zeiss Optronics GmbH. Finally, the creation of response spectra for global-local analysis is explained.

The particular study case in this thesis is the shock test performed on the LISA Pathfinder satellite conducted in a laboratory environment on a dedicated test bed: Vega Shock Test Apparatus (VESTA). This test is considered fully representative to study shock levels produced by fairing jettisoning event at Vega Launcher Vehicle, which induces high shock loads towards the satellite. In the frame of this thesis, some transient response analyses have been conducted in MSC Nastran, and a shock simulation tool for the VESTA test configuration has been developed. The simulation tool is based on Nastran Direct Transient Response Analysis solver (SOL 109), and is representative of the upper composite of Vega with the LISA Pathfinder coupled to it. Post-processing routines of transient response signals were conducted in Dynaworks which served to calculate Shock Response Spectra (SRS). The simulation tool is a model of forcing function parameters for transient analysis which adequately correlates with the shock real test data, in order to understand how the effect of shock generated by the launcher is seen in the satellite and its sub-systems. Since available computation resources are limited the parameters for analysis were optimised for computation time, file size, memory capacity,  and model complexity. The forcing function represents a release of the HSS clamp band which is responsible for fairing jettisoning, thus the parameters which were studied are mostly concerning the modelling of this event. Among many investigated, those which visibly improved SRS correlation are radial forcing function shape, implementation of axial impulse, clamp band loading geometry and refined loading scheme. Integration time step duration and analysis duration were also studied and found to improve correlation.  From each analysis, the qualifying shock environment was then derived by linear scaling in proportion of the applied preload, and considering a qualification margin of 3dB. Consecutive tracking of structural responses along shock propagation path exposed gradual changes in responses pattern and revealed an important property that a breathing mode (n = 0) at the base of a conical Adapter translates into an axial input to the spacecraft. The parametrisation itself was based on responses registered at interfaces located in near-field (where the clamp band is located and forcing function is applied) and medium-field with respect to the shock event location. Following shock propagation path, the final step was the analysis of shock responses inside the satellite located in a far-field region, which still revealed a very good correlation of results. Thus, it can be said that parametrisation process was adequate, and the developed shock simulation tool can be qualified. However, due to the nature of shock, the tool cannot fully replace VESTA laboratory test, but can support shock assessment process and preparation to such test. In the last part of the thesis, the implementation of some finite element model improvements is investigated. Majority of the panels in spacecraft interior exhibited shock over-prediction due to finite element model limitation. Equipment units modelled as lump masses rigidly attached with RBE2 elements to the panel surface are a source of such local over-predictions. Thus, some of the units were remodelled and transient responses were reinvestigated. It was found that remodelling with either solid elements, or lump mass connected to RBE3 element and reinforced by RBE2 element, can significantly improve local transient responses. This conclusion is in line with conclusions found in ECSS Shock Handbook.

1. Einführung in die Theorie dynamischer Analysen mit Creo Simulate 2. Modalanalysen (Standard und mit Vorspannung) 3. Dynamische Analysen einschließlich Klassifizierung der Analysen; einige einfache Beispiele für eigene Studien (eine Welle unter Unwuchtanregung und ein Ein-Massen-Schwinger) sowie etliche Beispiele größerer dynamischer Systemmodelle aus unterschiedlichsten Anwendungsbereichen 4. Feedback an den Softwareentwickler PTC (Verbesserungsvorschläge und Softwarefehler) 5. Referenzen / 1. Introduction to dynamic analysis theory in Creo Simulate 2. Modal analysis (standard and with prestress) 3. Dynamic analysis, including analysis classification, some simple examples for own self-studies (shaft under unbalance excitation and a one-mass-oscillator) and several real-world examples of bigger dynamic systems 4. Feedback to the software developer PTC (enhancement requests and code issues) 5. References

1. Einführung in die Theorie dynamischer Analysen mit Creo Simulate 2. Modalanalysen (Standard und mit Vorspannung) 3. Dynamische Analysen einschließlich Klassifizierung der Analysen; einige einfache Beispiele für eigene Studien (eine Welle unter Unwuchtanregung und ein Ein-Massen-Schwinger) sowie etliche Beispiele größerer dynamischer Systemmodelle aus unterschiedlichsten Anwendungsbereichen 4. Feedback an den Softwareentwickler PTC (Verbesserungsvorschläge und Softwarefehler) 5. Referenzen / 1. Introduction to dynamic analysis theory in Creo Simulate 2. Modal analysis (standard and with prestress) 3. Dynamic analysis, including analysis classification, some simple examples for own self-studies (shaft under unbalance excitation and a one-mass-oscillator) and several real-world examples of bigger dynamic systems 4. Feedback to the software developer PTC (enhancement requests and code issues) 5. References