El Equipo de Disciplina Técnica de Estructuras (TDT) participó en numerosas investigaciones el año pasado, pero los compuestos, la mecánica de fracturas y los recipientes a presión dominan la lista.Estas tres especialidades son importantes para los recipientes a presión envueltos en compuestos (COPV).

Uno de los hallazgos más importantes del TDT de este año fue la exposición de una vulnerabilidad inherente que subestima la vida estructural, impulsada por las especificaciones y estándares de prueba actuales para los COPV.Este trabajo del NESC y sus recomendaciones mejorarán significativamente la seguridad y el éxito de la misión para todas las operaciones COPV actuales y futuras en toda la comunidad aeroespacial.

Estándar de análisis de tolerancia a daños puede ser poco conservador para COPVS

Los COPV constan de un revestimiento metálico que contiene el fluido o gas y una envoltura compuesta que proporciona resistencia.Los ciclos de presión operativa para un vuelo espacial COPV generalmente comienzan con una sobrepresión inicial, llamada autofrettage.ciclo, que produce el revestimiento metálico, mientras que la envoltura compuesta más fuerte permanece elástica.La fluencia del revestimiento durante el autofrettage da como resultado una pequeña cantidad de crecimiento del revestimiento, lo que resulta en su compresión cuando el COPV se despresuriza después del autofrettage.

Los ciclos operativos posteriores pueden ser elásticos (COV que responde elásticamente) o elástico-plástico (COV que responde plásticamente).

La evaluación de la vida útil y la tolerancia al daño de los COPV de vuelos espaciales se rige por ANSI/AIAA-S-081B, Recipientes a presión compuestos de Space Systems.Esta norma proporciona los requisitos básicos para los análisis de tolerancia al daño (DTA) de COPV con revestimientos que responden elásticamente.

La norma permite al DTA considerar la influencia del ciclo de autofrettage elástico-plástico independientemente de los ciclos de respuesta elástica.Se permite analizar los ciclos que responden elásticamente utilizando elásticos lineales.mecánica de fractura(LEFM) como el software de análisis de crecimiento de grietas NASGRO.La norma establece que el DTA no debe considerar ninguna influencia beneficiosa del ciclo de autofrettage sobre los ciclos de respuesta elástica posteriores, pero no considera la posibilidad de influencias perjudiciales del ciclo de autofrettage.

En el estudio,Falta de conservadurismo del análisis de la mecánica de fractura lineal-elástica después del autofrettage(NASA/TM-20230013348), un equipo del NESC llevó a cabo una investigación experimental y analítica combinada sobre la influencia del ciclo de autofrettage en los ciclos elásticos posteriores.

Las pruebas se realizaron en cupones con grietas superficiales parciales que fueron sometidos a cargas cíclicas representativas de los ciclos operativos de un revestimiento COPV.La mitad de las pruebas se realizaron con el historial de carga completo (incluido el ciclo de autofrettage) y la otra mitad fueron idénticas excepto que se omitió el ciclo de autofrettage.

Las grietas en las pruebas con el ciclo de autofrettage crecieron más rápido que las grietas en las pruebas idénticas que excluyeron el ciclo de autofrettage, como lo muestran las superficies de fractura en las fotomicrografías.La distancia entre la marca dejada por el ciclo de autofrettage y la región de fractura dúctil fue la cantidad de crecimiento de la grieta (Îa=0.0077 pulgadas) debido a los ciclos LEFM.El crecimiento de grietas debido a los ciclos LEFM en la prueba solo LEFM fue Îa=0.0022 pulgadas, más de tres veces más lento que en la prueba idéntica de autofrettage más LEFM.

Se utilizó un análisis de elementos finitos validado y mediciones experimentales para evaluar la influencia del ciclo de autofrettage.Se descubrió que el ciclo de autofrettage elástico-plástico creaba una gran región de deformación plástica delante de la grieta y debilitaba la punta de la grieta.Pruebas de mecánica de fracturas y estudios analíticos anteriores en la literatura examinaron las sobrecargas elásticas y encontraron que la deformación plástica antes de la grieta desarrolló tensiones residuales que cerraron las superficies de la grieta, reduciendo la tasa de crecimiento de la grieta posterior.

Sin embargo, el embotamiento de la grieta permitió que la grieta permaneciera abierta durante toda la carga, como lo ilustran las simulaciones de elementos finitos de las superficies de la grieta en tensión máxima y mínima.Las diferencias entre las pruebas con y sin ciclo de autofrettage que fueron observadas experimentalmente y simuladas con un análisis de elementos finitos validado indican que el enfoque de análisis de tolerancia al daño permitido por la norma puede ser poco conservador.

El NESC propuso un enfoque alternativo de análisis de tolerancia a daños y recomendó que el Comité de normas para recipientes a presión aeroespaciales de la AIAA actualice la norma ANSI/AIAA S-081B para abordar los revestimientos COPV con tensiones de compresión después de la tensión máxima de autofrettage.

Una breve introducción a la tolerancia al daño para COPVS

El estándar ANSI/AIAA S-081B, Recipientes a presión envueltos compuestos de Space Systems, es una recopilación de prácticas aceptadas para COPV utilizados en aplicaciones espaciales desarrolladas como una colaboración de la industria, el gobierno y las universidades.La norma cubre muchos aspectos de los COPV, incluidos los análisis de vida útil y tolerancia a daños que se utilizan para la calificación de vuelo supervisados ​​por las juntas de control de fracturas.

El estándar de tolerancia al daño requiere que el COPV "... sobreviva cuatro vidas operativas con la grieta más grande en el revestimiento metálico que pueda pasar desapercibida mediante una evaluación no destructiva (NDE) sometida a tensiones limitantes representativas de lo que el COPV experimenta en su vida (fabricación, integración, operativa incluyendo térmica y residual)."

La vida operativa de un revestimiento COPV generalmente incluye un ciclo inicial elástico-plástico (autofrettage o prueba) seguido de otros ciclos que pueden ser elásticos (revestimientos que responden elásticamente) o elástico-plástico (revestimientos que responden plásticamente).A la derecha se muestra un espectro de carga representativo.

Durante el autofrettage, el COPV se presuriza al menos hasta una presión de prueba para comprimir la superficie interna del revestimiento, haciéndolo menos susceptible a las tensiones operativas.Los COPV con revestimientos que responden elásticamente pueden tener una calificación de tolerancia a daños mediante herramientas de análisis LEFM, pero los revestimientos que responden plásticamente deben tener una calificación de tolerancia a daños mediante pruebas.

Se proporcionó orientación sobre la evaluación de la idoneidad de las herramientas LEFM para la tolerancia al daño de COPV en el Boletín Técnico NESC No. 21-04, Evaluación de la idoneidad de las herramientas LEFM para COPV y recipientes a presión metálicos, tolerancia al daño, verificación de la vida útil y verificación de la vida útil de la tolerancia y NASA/TM-2020-5006765./Tomos 1/2.

Futuro de la disciplina de estructuras.

A medida que la Agencia avanza más hacia la formación de asociaciones industriales estratégicas con contratos comerciales para nuevos programas, la TDT de Estructuras ha destacado la necesidad de centrarse adecuadamente en los requisitos apropiados como vector estratégico del Equipo.Aunque los estándares de la NASA a menudo se proporcionan como referencia, su naturaleza prescriptiva no es necesariamente apropiada para su uso en contratos comerciales.

Los socios de la industria y/o los miembros del equipo de la NASA crean estándares alternativos, únicos para cada programa, pero hay inconsistencia entre los diferentes programas con respecto a los requisitos detallados en estos estándares.Las tecnologías emergentes, como los productos textiles, las estructuras desplegables a gran escala, los inflables, las técnicas de análisis probabilístico y el hardware de fabricación aditiva, impulsan requisitos únicos.

La TDT identificó la necesidad de una guía personalizada, vinculada a las prioridades de la misión y las posturas de riesgo, para ayudar con las estrategias de conocimiento/supervisión de los programas de la NASA.El uso de socios industriales también significa menos hardware propiedad de la NASA, lo que puede provocar una pérdida de conocimiento institucional.

Es imperativo que las Direcciones de Ingeniería de cada centro busquen proactivamente proyectos internos para que la próxima generación de ingenieros tenga oportunidades de adquirir experiencia práctica en el desarrollo, diseño y prueba de hardware de vuelo (DDT).Esta experiencia es la base necesaria para que los ingenieros de la NASA guíen a los socios comerciales a través de sus propios procesos de DDT y puedan proporcionar una verificación y validación adecuadas de los requisitos de la NASA.

Los miembros de Structures TDT forman un equipo diverso que abarca todos los centros y programas, lo que facilita una buena colaboración en la interpretación de requisitos, lo que en última instancia garantiza la seguridad de la tripulación de la NASA y el éxito de las operaciones de la misión en estos nuevos programas comerciales.