L’équipe de discipline technique des structures (TDT) a participé à de nombreuses enquêtes au cours de la dernière année, mais les composites, la mécanique de la rupture et les récipients sous pression dominent la liste. Ces trois spécialités sont importantes pour les récipients sous pression composites suremballés (COPV). L’une des découvertes les plus importantes du TDT cette année a été la révélation d’une vulnérabilité inhérente qui sous-estime la durée de vie de la structure, en raison des spécifications et des normes d’essai actuelles pour les COPV. Ce travail du NESC et ses recommandations amélioreront considérablement la sécurité et le succès des missions pour toutes les opérations COPV actuelles et futures dans l’ensemble de la communauté aérospatiale.
La norme d’analyse de tolérance aux dommages peut être peu conservatrice pour les COPV
Les COPV sont constitués d’un revêtement métallique contenant le fluide ou le gaz et d’un suremballage composite qui assure la résistance (Figure 1). Les cycles de pression opérationnels pour un COPV de vol spatial commencent généralement par une surpression initiale, appelée cycle d’autofrettage, qui produit le revêtement métallique, tandis que le suremballage composite plus résistant reste élastique. Le fléchissement du revêtement pendant l’autofrettage entraîne une petite croissance du revêtement, ce qui entraîne une compression du revêtement lorsque le COPV est dépressurisé après l’autofrettage. Les cycles opérationnels ultérieurs peuvent être soit élastiques (COPV à réponse élastique), soit élasto-plastiques (COPV à réponse plastique).
Figure 1.Illustration des principaux composants du COPV.
L’évaluation de la durée de vie de la tolérance aux dommages des COPV de vols spatiaux est régie par la norme ANSI/AIAA-S-081B, Space Systems–Composite Overwrapped Pressure Vessels. Cette norme fournit les exigences de base pour les analyses de tolérance aux dommages (DTA) des COPV avec des revêtements à réponse élastique. La norme permet au DTA de considérer l’influence du cycle d’autofrettage élasto-plastique indépendamment des cycles à réponse élastique. Les cycles à réponse élastique peuvent être analysés à l’aide d’outils de mécanique de rupture élastique linéaire (LEFM) tels que le logiciel d’analyse de la croissance des fissures NASGRO. La norme stipule que le DTA ne doit prendre en compte aucune influence bénéfique du cycle d’autofrettage sur les cycles ultérieurs à réponse élastique, mais ne considère pas la possibilité d’influences néfastes du cycle d’autofrettage.
Dans l’étude Unconservaism of Linear-Elastic Fracture Mechanics Analysis Post Autofrettage (NASA/TM-20230013348), une équipe du NESC a mené une enquête expérimentale et analytique combinée sur l’influence du cycle d’autofrettage sur les cycles élastiques ultérieurs. Les tests ont été effectués sur des coupons présentant des fissures superficielles partiellement traversantes qui ont été soumis à un chargement cyclique représentatif des cycles de fonctionnement d’un revêtement COPV. La moitié des tests ont été réalisés avec l’historique de chargement complet (y compris le cycle d’autofrettage) et l’autre moitié était identique, sauf que le cycle d’autofrettage a été omis. Les fissures dans les tests avec cycle d’autofrettage se sont développées plus rapidement que les fissures dans les tests identiques excluant le cycle d’autofrettage, comme le montrent les surfaces de fracture sur les photomicrographies (Figure 2). La distance entre la marque laissée par le cycle d’autofrettage et la région de fracture ductile était la quantité de croissance de fissure (Δa = 0,0077 pouce) due aux cycles LEFM. La croissance des fissures due aux cycles LEFM dans le test LEFM uniquement était de Δa = 0,0022 pouce, soit plus de trois fois plus lente que celle du test identique d’autofrettage plus LEFM.
Figure 2. Surfaces de fracture issues de deux essais identiques montrant la croissance des fissures (Δa), avec et sans cycle d’autofrettage initial.
Une analyse par éléments finis validée et des mesures expérimentales ont été utilisées pour évaluer l’influence du cycle d’autofrettage. Il a été constaté que le cycle d’autofrettage élastique-plastique créait une vaste région de déformation plastique en avant de la fissure et émoussait le fond de la fissure. Des tests de mécanique de rupture et des études analytiques antérieurs dans la littérature ont examiné les surcharges élastiques et ont révélé que la déformation plastique en amont de la fissure développait des contraintes résiduelles qui fermaient les surfaces des fissures, réduisant ainsi le taux de croissance des fissures. Cependant, l’émoussement des fissures a permis à la fissure de rester ouverte pendant toute la durée du chargement, comme l’illustrent les simulations par éléments finis des surfaces de fissure aux contraintes maximales et minimales (Figure 3). Les différences entre les essais avec et sans cycle d’autofrettage qui ont été observés expérimentalement et simulés avec une analyse par éléments finis validée indiquent que l’approche d’analyse de tolérance aux dommages autorisée par la norme peut être peu conservatrice. Le NESC a proposé une approche alternative d’analyse de la tolérance aux dommages et a recommandé que le comité des appareils à pression aérospatiaux de l’AIAA sur les normes mette à jour la norme ANSI/AIAA S-081B pour traiter les revêtements COPV soumis à des contraintes de compression suite à la contrainte d’autofrettage maximale.
Figure 3. Analyse par éléments finis Abaqus de la croissance des fissures avec et sans cycle d’autofrettage. L’axe Y indique le déplacement de l’ouverture de la fissure et l’axe X indique la longueur de la fissure.
Une brève introduction à la tolérance aux dommages pour les COPV
La norme ANSI/AIAA S-081B, Space Systems – Composite Overwrapped Pressure Vessels, est une compilation de pratiques acceptées pour les COPV utilisés dans les applications spatiales développées dans le cadre d’une collaboration entre l’industrie, le gouvernement et les universités. La norme couvre de nombreux aspects des COPV, y compris les analyses de durée de vie de tolérance aux dommages qui sont utilisées pour la qualification de vol supervisée par les comités de contrôle des fractures. La norme de tolérance aux dommages exige que le COPV « survive à quatre durées de vie opérationnelles avec la plus grande fissure dans le revêtement métallique qui peut être manquée par une évaluation non destructive (END) soumise à des contraintes limites représentatives de ce que le COPV subit au cours de sa vie (fabrication, intégration, opérationnelle y compris thermique et résiduelle). La durée de vie opérationnelle d’un revêtement COPV comprend généralement un cycle élasto-plastique initial (autofrettage ou épreuve) suivi d’autres cycles qui peuvent être élastiques (revêtements à réponse élastique) ou élasto-plastique (revêtements à réponse plastique). Un spectre de charge représentatif est illustré à droite. Pendant l’autofrettage, le COPV est mis sous pression à au moins une pression d’épreuve pour comprimer la surface intérieure du revêtement, le rendant moins sensible aux contraintes opérationnelles. Les COPV dotés de revêtements à réponse élastique peuvent être qualifiés en termes de tolérance aux dommages à l’aide des outils d’analyse LEFM, mais les revêtements à réponse plastique doivent être qualifiés en termes de tolérance aux dommages par des tests. Des conseils sur l’évaluation de la pertinence des outils LEFM pour la tolérance aux dommages du COPV ont été fournis dans le bulletin technique NESC n° 21-04, Évaluation de l’adéquation des outils LEFM pour le COPV et la vérification de la durée de vie de la tolérance aux dommages aux récipients sous pression métalliques et NASA/TM-2020-5006765. /Tomes 1/2.
L’avenir de la discipline des structures
Alors que l’Agence s’oriente davantage vers la formation de partenariats industriels stratégiques avec des contrats commerciaux pour de nouveaux programmes, le TDT Structures a souligné la nécessité de se concentrer correctement sur les exigences appropriées en tant que vecteur stratégique de l’équipe. Bien que les normes de la NASA soient souvent fournies à titre de référence, leur nature prescriptive n’est pas nécessairement appropriée pour une utilisation dans le cadre de contrats commerciaux. Les partenaires industriels et/ou les membres de l’équipe de la NASA créent des normes alternatives, uniques pour chaque programme, mais il existe des incohérences entre les différents programmes en ce qui concerne les exigences détaillées de ces normes. Les technologies émergentes telles que les biens textiles, les structures déployables à grande échelle, les structures gonflables, les techniques d’analyse probabiliste et le matériel de fabrication additive génèrent toutes des exigences uniques. Le TDT a identifié la nécessité d’un guide d’adaptation, lié aux priorités de la mission et aux postures de risque, pour faciliter les stratégies de compréhension et de surveillance des programmes de la NASA. Le recours à des partenaires industriels signifie également moins de matériel appartenant à la NASA, ce qui peut entraîner une perte de connaissances institutionnelles.
Il est impératif que les directions d’ingénierie de chaque centre recherchent de manière proactive des projets internes afin que la prochaine génération d’ingénieurs ait la possibilité d’acquérir une expérience pratique dans le développement, la conception et les tests de matériel de vol (DDT). Cette expérience constitue la base nécessaire aux ingénieurs de la NASA pour guider les partenaires commerciaux dans leurs propres processus de DDT et pour être en mesure de fournir une vérification et une validation appropriées des exigences de la NASA. Les membres de Structures TDT forment une équipe diversifiée traversant tous les centres et programmes, facilitant une bonne collaboration sur l’interprétation des exigences, ce qui garantit en fin de compte la sécurité de l’équipage de la NASA et le succès des opérations dans ces nouveaux programmes commerciaux.
