INTEGRIDADE ESTRTURAL

O USO DE LINEAR mecânica da fratura elástico na PROJETO VIKING pressão do vaso

L. D. Guy, F. E. Mershon, e R. E. Snyder NASA Langley Research Center Hampton, Virginia

RESUMO

Metodologia mecânica da fratura desenvolveu-se rapidamente ao longo dos últimos 10 anos. Embora ainda não suficientemente desenvolvido para o tratamento de complexo estruturas, tais como aviões, acredita-se que mecânica da fratura pode fornecer uma base sólida para o projeto de estruturas simples, como pressão garrafas ou tanques. Consequentemente, o Projeto Viking aprovou seu uso para o projeto de todos os vasos de pressão na nave espacial Viking para assegurar a longo vida sob pressão contínua necessária para o viagem a Marte.

INTRODUÇÃO

Mecânica da fratura é uma tecnologia que tem sido principalmente desenvolvido nos últimos 10 anos como um resultado de muitas falhas imprevistas de estruturas durante o teste de prova ou em operação de serviço. Mais especificamente, o exame dos componentes estruturais que falhou inesperadamente indicaram que o origem fracasso foi uma pequena rachadura ou cracklike falha. Além disso, estas falhas eram normalmente caracterizados por a ausência de uma grande quantidade de plasticamente material de deformado ou produziu. Um comumente citados exemplo é o aço 260 polegadas de diâmetro (250 grau maraging aço) carcaça do motor do foguete, que falhou durante o teste com uma tensão inferior a metade do desenho produzir stress. A origem falha foi atribuída a um pequena falha interna na zona afetada pelo calor de um reparação de solda (Ref. (l)). Muitos outros exemplos de falha quebradiça poderia ser citados incluindo aqueles em tancagem para os programas Apollo. O estudo de ruptura frágil e o desenvolvimento teste de métodos em uma base sistemática foi realmente iniciada com a formação de um Comité especial ASTM um pouco mais de 10 anos, por sugestão da Academia Nacional de Ciência e o Departamento da Defesa. Desde aquela época, métodos de ensaio têm foi altamente desenvolvida e medidas quantitativas de tenacidade à fratura evoluíram. Infelizmente, a tecnologia não está suficientemente avançada para lidar com muitos dos problemas práticos de frente designers. O F-lll e C5a, por exemplo, ter problemas com falhas associadas com rachadura crescimento. No presente momento, são métodos fiáveis só agora começam a ser desenvolvido para o tratamento de estruturas complexas como estas sob o altamente condições de carga complexas que eles experimentam. No entanto, para a estrutura relativamente simples de umgarrafa de pressão ou do tanque, tal como são encontradas na Viking nave espacial, a metodologia é bastante bemem mão. A presente discussão, então, está confinado a essa metodologia, mecânica da fratura que se baseia sobre o trabalho de Griffith e Irwin e, especificamente, em que é aplicada à concepção de vasos de pressão na nave espacial Viking (V-S / C).

DISCUSSÃO DOS mecânica da fratura

A base para a mecânica de fractura é o facto todas as estruturas têm falhas (fig. l). O tamanho da falha pode ser demasiado pequeno para detectar ou demasiado pequena para afectar a resistência da estrutura. No entanto, uma falha pode crescer em tamanho sob carga repetida e pode crescer sob carga sustentada, particularmente num corrosivo ambiente. No passado, design tradicional métodos foram adequados porque allowables de design eram baixos e os materiais utilizados foram dúctil, Tolerante de falhas, e insensíveis ao ambiente. Para nave espacial, peso estrutural é uma crítica problema. Esta situação levou os designers para aumentou allowables projeto através do uso de mais recente materiais de alta resistência. No entanto, muitos de alta resistência materiais tendem a ser frágeis e têm menor resistência à fratura. Baixa tenacidade à fratura significa que o material é menos tolerante a falhas. Além disso, os ambientes são mais agressivos do que na passado. No passado, foram caracterizados por falhas grandes quantidades de deformação plástica ou rendimento, mais quase uma condição plano de tensão. Quebradiço fractura, no entanto, é caracterizada por apenas um pequeno, Se houver, o comportamento plástico - essencialmente uma planestrain condição. No entanto, como será mostrado mais adiante, esta é dependente do material e do material espessura. O objectivo da mecânica da fractura é o de proporcionar um medida quantitativa da resistência à instável propagação de trincas. Esta medida é derivado consideração do campo de tensão elástica em torno o crack. A Figura 2 mostra a formulação mais simples do problema (Refs. (2), (3)). O esboço mostra a distribuição da tensão elástico ao longo de uma linha de no caminho da trinca em uma folha infinita submetido para distribuídos uniformemente o stress. O estresse distribuição é dada pela equação mostrada na figura, onde a é a metade do comprimento da fenda e r é coordenar a radial de qualquer ponto a folha. Como o crack é afiada, o calculado distribuição de tensão local contém uma singularidade. O numerador do segundo mandato, Svita, mede a força matemática da singularidade e foi designado o fator de intensidade de tensão, K. O pressuposto básico em mecânica da fratura é que instável fractura ocorre quando K atinge um valor crítico Kc designado (às vezes chamado de tenacidade à fratura).

Teoria prevê um elástico de tensão locais infinito na ponta da fissura para qualquer carga sobre a peça e leva-se à utilização de um factor de intensidade de tensão, em vez de um factor de concentração simples. Uma vez que a análise é "baseada na teoria elástica, aplica-se apenas aos" materiais tle brit- ou aqueles espécimes que têm zonas de plástico pequeno o suficiente para que as condições de avião-deformação existir na ponta da trinca. O valor de KQ, no entanto, é uma quantidade mensurável, uma vez que depende apenas da tensão na qual um espécime de teste falha e o comprimento da fenda quando se torna instável.

Não existe actualmente nenhuma maneira conhecida para explicar precisamente para a plasticidade na zona à frente de uma rachadura. Além disso, uma amostra de teste de laboratório raramente é com- pletamente em qualquer estresse avião ou plano de deformação, mas sim alguma proporção de ambos. Isto é ilustrado esquematicamente na Figura 3, com base em dados da ref. (k). A curva a cheio mostra valores de Kc, tais como são obtidas a partir de testes de amostras de diferentes espessuras para um dado material. Como pode ser visto Kc diminui à medida que a espessura da amostra é aumentado e pode atingir um valor mínimo. A inserção mostra a secção transversal da superfície de fractura. A curva a tracejado mostra a percentagem de superfície plana com a espessura. O valor mínimo de Kc é rotulado KIC e corresponde a uma fratura quase completamente quadrado sugerindo que a fratura foi acompanhado por muito pouco deformação plástica. Esta condição fractura é característica do modo plano-estirpe de falha. O valor de Kj c é o fator de intensidade de tensão estirpe plane- na condição crítica de iniciação de fratura rápida e é geral- mente denominado a tenacidade à fratura de mate- rial. Na verdade, ele é aceito como um pro- priedade material. Para amostras finas, o estado de tensão é mais quase estresse avião. Mecânica da fractura não foi desenvolvido de modo a que a parte inclinada das curvas pode ser tratada com confiança, e maior ênfase tem sido colocado em determinar o valor mínimo de Kj C.

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