Добавить новость
smi24.net
News in English
Апрель
2024

Advances in Understanding COPV Structural Life 

0

The Structures Technical Discipline Team (TDT) was involved in numerous investigations this past year, but composites, fracture mechanics, and pressure vessels dominate the list. All three of these specialties are important to composite overwrapped pressure vessels (COPV). One of the TDT’s most important findings this year was the exposure of an inherent vulnerability that underpredicts structural life, driven by current specifications and testing standards for COPVs. This NESC work and its recommendations will significantly improve safety and mission success for all current and future COPV operations throughout the aerospace community. 

Dr. David Dawicki employs digital image correlation to evaluate strain in metallic coupons. 

Damage Tolerance Analysis Standard Can Be Unconservative for COPVs 

COPVs consist of a metallic liner that contains the fluid or gas and a composite overwrap that provides strength (Figure 1). The operational pressure cycles for a spaceflight COPV generally starts with an initial overpressure, called an autofrettage cycle, that yields the metallic liner, while the stronger composite overwrap remains elastic. Liner yielding during autofrettage results in a small amount of liner growth, resulting in liner compression when the COPV is depressurized after autofrettage. The subsequent operational cycles can be either elastic (elastically responding COPV) or elastic-plastic (plastically responding COPV).

  Figure 1.Illustration of COPV major components.

The damage tolerance life evaluation of spaceflight COPVs is governed by the ANSI/AIAA-S-081B, Space Systems–Composite Overwrapped Pressure Vessels. This standard provides the baseline requirements for damage tolerance analyses (DTA) of COPVs with elastically responding liners. The standard allows the DTA to consider the influence of the elastic-plastic autofrettage cycle independently of the elastically responding cycles. The elastically responding cycles are permitted to be analyzed using linear elastic fracture mechanics (LEFM) tools like the NASGRO crack-growth analysis software. The standard states that the DTA must not consider any beneficial influences of the autofrettage cycle on the subsequent elastically responding cycles but does not consider the possibility of detrimental influences of the autofrettage cycle.  

In the study, Unconservatism of Linear-Elastic Fracture Mechanics Analysis Post Autofrettage (NASA/TM-20230013348), an NESC team conducted a combined experimental and analytical investigation into the influence of the autofrettage cycle on subsequent elastic cycles. Tests were conducted on coupons with part-through surface cracks that were subjected to cyclic loading that was representative of the operational cycles of a COPV liner. Half of the tests were conducted with the full loading history (including the autofrettage cycle) and the other half were identical except that the autofrettage cycle was omitted. Cracks in the tests with the autofrettage cycle grew faster than cracks in the identical tests that excluded the autofrettage cycle, as shown by the fracture surfaces in the photomicrographs (Figure 2). The distance between the mark left by the autofrettage cycle and the ductile fracture region was the amount of crack growth (Δa=0.0077 inch) due to the LEFM cycles. Crack growth due to the LEFM cycles in the LEFM-only test was Δa=0.0022 inch, more than three times slower than that in the identical autofrettage plus LEFM test. 


Figure 2. Fracture surfaces from two identical tests showing crack growth (Δa), with and without an initial autofrettage cycle. 

A validated finite element analysis and experimental measurements were used to evaluate the influence of the autofrettage cycle. The elastic-plastic autofrettage cycle was found to create a large region of plastic deformation ahead of the crack and blunted the crack tip. Previous fracture mechanics tests and analytical studies in the literature examined elastic overloads and found that plastic deformation ahead of the crack developed residual stresses that closed the crack surfaces, reducing the subsequent crack growth rate. However, the crack blunting allowed the crack to remain open for the entire loading, as illustrated by the finite element simulations of the crack surfaces at peak and minimum stress (Figure 3). The differences between the tests with and without the autofrettage cycle that were observed experimentally and simulated with a validated finite element analysis indicate that the damage tolerance analysis approach allowed by the standard can be unconservative. The NESC proposed an alternative damage tolerance analysis approach and recommended that the AIAA Aerospace Pressure Vessel Committee on standards update the ANSI/AIAA S-081B standard to address COPV liners with compressive stresses following the peak autofrettage stress.

 
Figure 3. Abaqus finite element analysis of crack growth with and without an autofrettage cycle. Y-axis indicates crack opening displacement and x-axis indicates crack length.

A Brief Introduction to Damage Tolerance for COPVs 

ANSI/AIAA S-081B standard, Space Systems–Composite Overwrapped Pressure Vessels, is a compilation of accepted practices for COPVs used in space applications developed as a collaboration of industry, government, and universities. The standard covers many aspects of COPVs including damage tolerance life analyses that are used for flight qualification overseen by fracture control boards. The standard for damage tolerance requires that the COPV “…survive four operational lifetimes with the largest crack in the metallic liner that can be missed by a nondestructive evaluation (NDE) subjected to bounding stresses representative of what the COPV experiences in its life (manufacturing, integration, operational including thermal and residual).” The operational life of a COPV liner typically includes an initial elastic-plastic cycle (autofrettage or proof) followed by other cycles that may be elastic (elastically responding liners) or elastic-plastic (plastically responding liners). A representative load spectrum is shown at right. During autofrettage, the COPV is pressurized to at least proof pressure to compress the liner inner surface, making it less susceptible to operational stresses. COPVs with elastically responding liners may be damage-tolerance qualified using LEFM analysis tools, but plastically responding liners must be damage-tolerance qualified by testing. Guidance on evaluating the appropriateness of LEFM tools for COPV damage tolerance was provided in NESC Technical Bulletin No. 21-04, Evaluating Appropriateness of LEFM Tools for COPV and Metal Pressure Vessel Damage Tolerance Life Verification Tolerance Life Verification and NASA/TM-2020-5006765/Volumes 1/2. 

A COPV consists of a metallic liner with an exterior composite wrap. The composite provides strength, and the liner contains the compressed fluid or gas.
Results of a failure test. COPVs contain high pressure gases or fluids that can have tremendous explosive energy. 

Future of the Structures Discipline 

As the Agency moves more toward forming strategic industry partnerships with commercial contracts for new programs, the Structures TDT has highlighted the need for proper focus on appropriate requirements as the Team’s strategic vector. Although NASA Standards are often provided for reference, their prescriptive nature is not necessarily appropriate for use with commercial contracts. Industry partners and/or NASA team members create alternative standards, unique for each program, but there is inconsistency across different programs with respect to detailed requirements in these standards. Emerging technologies such as soft goods, large-scale deployable structures, inflatables, probabilistic analysis techniques, and additive manufactured hardware all drive unique requirements. The TDT identified the need for a tailoring guide, tied to mission priorities and risk postures, to assist with insight/oversight strategies for NASA programs. Using industry partners also means less NASA-owned hardware, which can lead to a loss of institutional knowledge. 

Representative loading spectrum for an elastically responding COPV liner with an initial elastic-plastic cycle.  

Its imperative that Engineering Directorates at each center proactively look for in-house projects so the next generation of engineers have opportunities for hands-on experience developing, designing, and testing (DDT) flight hardware. This experience is the foundation necessary for NASA engineers to guide the commercial partners through their own DDT processes and to be able to provide appropriate verification and validation of NASA requirements. Structures TDT members form a diverse team crossing all centers and programs, facilitating good collaboration on requirement interpretation, which ultimately ensures safety of NASA crew and mission success of operations in these new commercial programs. 

Computed tomography scan of a metallic liner detecting a part-through crack. 







Клинический психолог Юлия Тарибо: каким типам личностей сложно было вместе

Домашний риф Dhawa Ihuru признан одним из лучших на Мальдивах

Письмо с душой из Marins Park Hotel Екатеринбург

Коллекция Marc Jacobs осень-зима 2025/26


ICE is 'supercharging detention' with 'flagrantly unlawful' policy: lawyers

Trump's cuts force Texas food banks to ration supplies for flood survivors

First confirmed death during Trump ICE raid is a farmworkers at a California cannabis facility

Dow futures sink as Trump keeps pushing tariffs while White House suggests Powell’s job could be at risk


Победили лучшие – выиграли все! В Санкт-Петербурге состоялся Международный конкурс «Мастер — Золотые руки 2025»

Смертельное ДТП на Вольской. Водитель "Чангана" оказался злостным нарушителем ПДД

Каршеринг BelkaCar запустил новый сезон проекта «Умные путешествия»

Чилим на позитиве...


Those shadow giants in the distance in Elden Ring Nightreign are over 2 miles tall⁠—almost as big as the Erdtree⁠—and nobody even mentions them in the game

Гайд на Fuqiu из Etheria Restart: навыки, PvE-билд, расклад в PvP и дубликаты

I've swapped modern live service games for a browser game that's been running since 2009

MMORPG Lord Nine: Infinite Class выпустят в Юго-Восточной Азии 31 июля



Вот билет на контент, на эксплойт билетов нет

Росгвардейцы из Чеченской Республики стали победителями и призерами чемпионата Северо-Кавказского округа Росгвардии по комплексному единоборству

Косметолог Наталья Рябинова: в чем разница между эстетическим и медицинским трихологом

Пора пригласить певца A.SERGIO для участия в теле- и радиопрограммах, подкастах и шоу!


Росгвардейцы из Чеченской Республики стали победителями и призерами чемпионата Северо-Кавказского округа Росгвардии по комплексному единоборству

Косметолог Наталья Рябинова: в чем разница между эстетическим и медицинским трихологом

Татарстан вошел в число лидеров по количеству заявок на конкурс брендов «Знай наших»

Участники «Активного гражданина» выбрали лучшую заправку для окрошки


Москва прощается с жарой: жителей столицы предупредили о ливнях и грозах

Аллерголог предупредила о подушках, которые могут вызывать отек Квинке

МВД: мошенники крадут аккаунты «Госуслуг» под предлогом поступления в вуз

Эквадор выдал россиянина, подозреваемого в мошенничестве.


Синнер впервые стал победителем Уимблдона

Мирра Андреева вошла в топ-5 мирового рейтинга WTA.

Российская теннисистка Вероника Кудерметова выиграла Уимблдон в парном разряде, а итальянец Янник Синнер – в одиночном

Тарпищев объяснил причины неудачного выступления Анисимовой против Швентек.


«Динамо» ведёт переговоры о переходе Рубенса из «Атлетико Минейро»

Татарстан вошел в число лидеров по количеству заявок на конкурс брендов «Знай наших»

В Городском округе Пушкинский в образовательных комплексах полным ходом идёт подготовка к новому учебному году

В Подмосковье за один вечер молнии три раза ударили в дома


Музыкальные новости

Сестра Жанны Фриске Наталья рассказала о причине развода с мужем

Катя Гордон сравнила мужа Леры Кудрявцевой с Анастасией Волочковой

Эксперт оценил стоимость американской недвижимости Орбакайте: миллионы долларов

«Такое в первый раз»: Ваенга отменила летние концерты из-за проблем со здоровьем


Пора пригласить певца A.SERGIO для участия в теле- и радиопрограммах, подкастах и шоу!

Росгвардейцы из Чеченской Республики стали победителями и призерами чемпионата Северо-Кавказского округа Росгвардии по комплексному единоборству

Косметолог Наталья Рябинова: в чем разница между эстетическим и медицинским трихологом

Вот билет на контент, на эксплойт билетов нет


Трамп вновь заявил о своем разочаровании Путиным

Алгоритмы Яндекс Музыки. Алгоритмы продвижения в Яндекс Музыка.

Кубок памяти Николая Каганского по пауэрлифтингу

Жители Прикамья активно покупают билеты на транспорт в отделениях Почты России


Мобильный интернет перестанут массово отключать в России

Красные арки, синяя подсветка. В Москве строят новые пешеходные мосты

В Москве мужчина ограбил магазин на АЗС, угрожая пистолетом

Вскрытие без последствий – сервис «Спас-замков»


Посол Акира Муто: Япония будет приветствовать возможную встречу Путина и Трампа

"Пока Путин не заметит это безобразие": Пономарев резко высказался о легионерах в РПЛ

В РФ раскрыли замысел Трампа после его попыток шантажировать Путина

В США сделали смелое заявление в отношении Путина.




Врач-офтальмолог Элина Санторо: как выбрать идеальные солнцезащитные очки

Косметолог Наталья Рябинова: в чем разница между эстетическим и медицинским трихологом

Клинический психолог Юлия Тарибо: каким типам личностей сложно было вместе

Врач-трихолог Мадина Осман: как часто можно делать пересадку волос


ВСУ атаковали дронами женщин под Сумами: Били за надпись "Мы русские"


"Пока Путин не заметит это безобразие": Пономарев резко высказался о легионерах в РПЛ

«Турбозавры» поучаствовали в Дне московского транспорта

Травмированного на репетиции в цирке Москвы акробата выписали из больницы

Росгвардейцы из Чеченской Республики стали победителями и призерами чемпионата Северо-Кавказского округа Росгвардии по комплексному единоборству


«Нам в Минске надо учиться». Лукашенко похвалил Беглова за зимнюю уборку Петербурга

Лукашенко встретился в Минске с делегацией Петербурга для обсуждения сотрудничества

Лукашенко заявил о необходимости проверки чиновников за манипуляции с ценами.

Петербургская делегация провела переговоры с президентом Беларуси в Минске


Сергей Собянин: В Москве появятся три новых пешеходных моста к 2027 году

Сергей Собянин: роботы и электромашины на страже московских улиц


ГК «АСНА» внедрила систему продвинутой аналитики «Дельта BI»

Губернатор Андрей Бочаров принимает участие в образовательной программе Сбера

РЭО запускает акселератор для экологических центров на базе Плехановского университета

Позднякова: температура в Москве останется выше климатической нормы


Татарстан вошел в число лидеров по количеству заявок на конкурс брендов «Знай наших»

Из трёх музеев Томской области томичи отправили по почте 500 «тёплых открыток»

«Динамо» ведёт переговоры о переходе Рубенса из «Атлетико Минейро»

На Замоскворецкой линии метро Москвы восстановили движение


Алтайский край оказался в числе регионов-аутсайдеров по доступности вторичного жилья

В городе Барнауле стартовал третий этап смотра-конкурса на звание "Лучшее звено газодымозащитной службы" среди Главных управлений МЧС России

Фестиваль духовых оркестров пройдет в трех городах Поморья по случаю Дня ВМФ

Защищённый планшет Saotron RT-W11J на базе ОС Windows10


Под Симферополем горят десятки гектаров леса

Феодосия получила 150 миллионов на ремонты дворов - где начнут работы

Крыму и еще 24 регионам России спишут долги на миллиарды рублей

Десятки улиц Симферополя остались без света 14 июля


«Ηичeгο οб Apмeнии бeɜ Apмeнии» – Зaпaд οбeщaeт Εpeвaну тο жe, чтο и κοгдa-тο Κиeву

АвтоВАЗ отгружает Lada Iskra дилерам. Цены объявят на этой неделе

В Ельце введен режим угрозы атак беспилотников.

Татарстан вошел в число лидеров по количеству заявок на конкурс брендов «Знай наших»














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *