去年，結構技術學科團隊 (TDT) 參與了大量調查，但複合材料、斷裂力學和壓力容器在調查中佔據主導地位。這三個特性對於複合材料包裹壓力容器 (COPV) 都很重要。

TDT 今年最重要的發現之一是暴露了一種固有的脆弱性，在 COPV 的當前規範和測試標準的驅動下低估了結構壽命。NESC 的這項工作及其建議將顯著提高整個航空航天界當前和未來所有 COPV 操作的安全性和任務成功率。

COPVS 的損傷容限分析標準可能不保守

COPV 由包含流體或氣體的金屬襯裡和提供強度的複合外包裝組成。航太 COPV 的運行壓力循環通常以初始超壓開始，稱為自緊循環，產生金屬襯裡，而更堅固的複合材料外包裝保持彈性。自緊過程中的襯管屈服會導致少量襯管生長，從而在自緊後 COPV 減壓時導致襯管壓縮。

隨後的操作循環可以是彈性（彈性響應 COPV）或彈塑性（塑性響應 COPV）。

航太 COPV 的損傷容限壽命評估受 ANSI/AIAA-S-081B、太空系統複合包覆壓力容器管轄。該標準提供了具有彈性響應襯裡的 COPV 損傷容限分析 (DTA) 的基線要求。

此標準允許 DTA 考慮彈塑性自緊循環的影響，獨立於彈性響應循環。允許使用線性彈性分析彈性響應週期斷裂力學(LEFM) 工具，例如 NASGRO 裂紋擴展分析軟體。該標準規定，DTA 不得考慮自緊循環對後續彈性反應循環的任何有利影響，但不考慮自緊循環產生有害影響的可能性。

在研究中，自緊後線彈性斷裂力學分析的不保守性(NASA/TM-20230013348)，NESC 團隊對自緊循環對後續彈性循環的影響進行了綜合實驗和分析研究。

測試是在具有部分貫穿表面裂縫的試片上進行的，這些試片承受代表 COPV 襯裡操作週期的循環載荷。一半的測試是在滿載歷史（包括自緊循環）的情況下進行的，另一半則相同，只是省略了自緊循環。

如顯微照片中的斷裂表面所示，使用自緊循環的測試中的裂縫比排除自緊循環的相同測試中的裂縫增長得更快。自緊循環留下的痕跡與延性斷裂區域之間的距離是由於 LEFM 循環而產生的裂紋擴展量 (Δa=0.0077 英吋)。僅 LEFM 測試中由於 LEFM 循環而導致的裂紋擴展為 α=0.0022 英寸，比相同的自緊加 LEFM 測試慢三倍多。

使用經過驗證的有限元素分析和實驗測量來評估自緊循環的影響。研究發現，彈塑性自緊循環會在裂紋前產生大範圍的塑性變形，並使裂紋尖端變鈍。先前的斷裂力學測試和文獻中的分析研究檢查了彈性過載，發現裂縫之前的塑性變形產生了殘餘應力，閉合了裂紋表面，降低了隨後的裂紋擴展速率。

然而，裂紋鈍化使得裂紋在整個加載過程中保持打開狀態，如峰值和最小應力裂紋表面的有限元素模擬所示。透過實驗觀察並透過經過驗證的有限元素分析進行模擬，有和沒有自緊循環的測試之間的差異表明，標準允許的損傷容限分析方法可能是不保守的。

NESC 提出了一種替代的損傷容限分析方法，並建議 AIAA 航空航天壓力容器標準委員會更新 ANSI/AIAA S-081B 標準，以解決 COPV 襯裡在峰值自緊應力後產生壓應力的問題。

COPVS損傷容限簡介

ANSI/AIAA S-081B 標準「太空系統 - 複合包裹壓力容器」是產業、政府和大學合作開發的用於太空應用的 COPV 公認實踐的彙編。該標準涵蓋了 COPV 的許多方面，包括用於斷裂控制委員會監督的飛行資格的損傷容限壽命分析。

損傷容限標準要求COPV「能夠在四個運行壽命中倖存，金屬襯裡會出現最大的裂紋，而無損評估(NDE) 可能會漏掉這一裂紋，而該裂紋受到代表COPV 在其使用壽命中所經歷的邊界應力的影響（製造、整合、運營（包括熱能和余熱）。”

COPV 襯裡的使用壽命通常包括初始彈塑性循環（自緊或校樣），隨後是可能是彈性（彈性響應襯裡）或彈塑性（塑性響應襯裡）的其他循環。代表性載重譜如右圖所示。

在自緊過程中，COPV 被加壓至至少耐壓，以壓縮襯裡內表面，使其不易受到操作應力的影響。具有彈性響應襯裡的 COPV 可以使用 LEFM 分析工具進行損傷容限鑑定，但塑性響應襯裡必須透過測試進行損傷容限鑑定。

NESC 技術公告第21-04 號《評估用於COPV 的LEFM 工具和金屬壓力容器損傷容限壽命驗證的適用性》和NASA/TM-2020-5006765 中提供了有關評估LEFM 工具對於COPV 損傷容限的適用性的指南。

結構學科的未來

隨著該機構更致力於與新專案的商業合約建立策略產業合作夥伴關係，結構 TDT 強調需要適當關注適當的要求作為團隊的策略向量。儘管 NASA 標準通常僅供參考，但其規定性不一定適合商業合約。

產業合作夥伴和/或 NASA 團隊成員創建了每個專案獨特的替代標準，但不同專案之間在這些標準的詳細要求方面存在不一致。紡織品、大型可展開結構、充氣設備、機率分析技術和積層製造硬體等新興技術都提出了獨特的需求。

TDT 確定需要一個與任務優先事項和風險態勢相關的客製化指南，以協助制定 NASA 專案的洞察/監督策略。使用行業合作夥伴也意味著美國宇航局擁有的硬體減少，這可能導致機構知識的流失。

每個中心的工程理事會必須積極尋找內部項目，以便下一代工程師有機會獲得開發、設計和測試 (DDT) 飛行硬體的實務經驗。這種經驗是 NASA 工程師指導商業合作夥伴完成自己的 DDT 流程並能夠對 NASA 要求進行適當驗證和確認所必需的基礎。

Structures TDT 成員組成了一個跨所有中心和專案的多元化團隊，促進了需求解釋方面的良好合作，最終確保了 NASA 機組人員的安全以及這些新商業專案中任務運作的成功。