Fracture control of spacecraft components

Abstract

[ES] Las partes críticas a fractura son indispensables para el éxito de cualquier misión espacial y por lo tanto, es importante realizar el mayor número de análisis posible para comprender sus mecanismos de fractura para optimizar su rendimiento y vida tanto como sea posible. El proyecto está centrado en el análisis de componentes de vehículos espaciales con tendencia a ser considerados críticos a fractura ya que están sometidos a altos ciclos de fatiga durante su vida útil, utilizando procedimientos basados en los requisitos de la NASA y la ESA para sus misiones espaciales. Además, sólo se identifican y analizan componentes metálicos con el fin de permitir el uso de mecánica lineal de fractura elástica para el análisis. Se realiza también una revisión de la literatura resumiendo el control de la fractura, sus procedimientos y explicando algunos aspectos básicos de la mecánica de la fractura, el análisis de fatiga y el modelado de elementos finitos. Además, se mencionan también los factores externos que afectan a la fatiga de los componentes, así como los materiales típicos empleados. Estructuras presurizadas de módulos tripulados, tanques de combustible y las ruedas de los vehículos planetarios se identifican entre otros componentes como posibles elementos críticos de fractura debido a las cargas cíclicas experimentadas durante toda su vida útil. Los materiales de los componentes anteriores se identifican como diferentes aleaciones de aluminio; aleación de aluminio-cobre (Al 2219), aleación de aluminio-litio (Al 2195) y aluminio-silicio-magnesio (Al 6061) respectivamente. Estos materiales se analizan mediante una mecánica lineal de fractura elástica y un método extendido de elementos finitos (XFEM) implementado en el software Abaqus, simulando un caso de sobrecarga estática donde una grieta existente crece hasta el fallo bajo fuerzas aplicadas mediante desplazamientos. La aleación de aluminio-litio muestran un comportamiento a fractura muy superior que el resto, pero habría que tener en cuenta otros factores como la corrosión bajo tensiones que afectan drásticamente el comportamiento de estas aleaciones.

[EN] Fracture critical parts are indispensable for mission success and so it is important to perform as many analysis as possible to understand their fracture mechanisms and consider their criticality in order to optimise their performance and life as much as possible. The project is focused in analysing spacecraft components which are probably categorised as fracture critical parts as they suffer fatigue problems during the mission using industry standards based on NASA and ESA requirements for their space missions. Moreover, only metallic components are identifi ed and analysed in order to allow the use of linear elastic fracture mechanics for analysis. A literature review summarising the fracture control procedures and explaining some basics of fracture mechanics, fatigue analysis and the extended fi nite element modeling is previously performed. Additionally, spacecraft experienced environments and materials used are reviewed. Pressurised structures of manned modules, propellant tanks, and planetary rover's wheels are identi fied among other components as possible fracture critical elements due to the cyclic loads experienced throughout all their service lives. The materials of the previous modules are identi fied as different aluminium alloys, such as an aluminium copper alloy (Al 2219), aluminium lithium alloy (Al 2195) and aluminium silicon magnesium alloy (Al 6061) respectively. These materials are analysed using a fracture mechanics approach and an extended finite element method (XFEM) implemented in the Abaqus software, simulating a static overloading case where an existing crack grows to failure under forces applied as boundary displacements. The aluminium-lithium alloy superior fracture capabilities over the others are identifi ed in the analysis, but as mentioned in the conclusion, stress corrosion cracking and other environmental effects should be taken into account when deciding which materials are employed for each function of a space mission.