GB∕T 40541-2021 航天金属压力容器结构设计要求.pdf
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1、ICS 49.020 CCS V 70 中华人民共和国国家标准GB/T 4054 1-2021 航天金属压力容器结构设计要求Structural design requirements of metal pressure vessels for space system (ISO 14623: 2003, Space systems-Pressure vessels and pressurized structures-Design and operation, MOD) 2021-08-20发布国家市场监督管理总局Lg.-/;-国家标准化管理委员会以叩2022-03-01实施G/T 4054
2、1-2021 目。吕本文件按照GB/T1.1-2020标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件使用重新起草法修改采用ISO14623: 2003航天系统压力容器和承压结构设计和操作。本文件与ISO14623: 2003相比在结构有较多调整,附录A中列出了本文件与ISO14623: 2003的章条编号变化对照一览表。本文件与ISO14623: 2003相比存在技术差异,这些差异涉及的条款已通过在其外侧页边空白位置的垂直单线C )进行了标示,附录B中给出了相应技术差异及其原因的一览表。本文件做了下列编辑性修改:一一修改标准名称为航天金属压力容器结构设计要求。请注意本文件
3、的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会CSAC/TC425)提出并归口。本文件起草单位:北京宇航系统工程研究所、中国航天标准化研究所。本文件主要起草人:马云龙、王端志、吴会强、丛延、林奔、张翼、潘帧、郭彦明、刘观日、卢红立、谢宣、徐岩。I G/T 40541-2021 引自从进入太空时代,危险控制一直是外层空间载人或无人飞行首要的考虑因素,空间活动及其相关技术的快速发展需要不断增加能源的数量。金属贮箱压力容器结构是航天产品的主体结构。贮箱结构是影响航天产品结构设计质量的关键技术,同时也是火箭结构追求结构轻质化的关键基础技术。航
4、天压力容器结构及承压构件的设计和运行有重大意义,有必要对金属压力容器及承压构件的设计制定特别要求,以便为航天事业提供标准和可靠的压力容器结构。当前我国民用航天正处于蓬勃发展期,建立航天金属压力容器结构设计领域国家标准,以此来规范航天金属压力容器结构设计、制造、试验和验收的方法和要求,确保产品质量,对于提高我国民用航天领域金属压力容器结构产品设计制造水平也有较强的推动作用。H G/T 40541-2021 航天金属压力容器结构设计要求1 范围本文件规定了航天金属压力容器结构设计的一般要求和详细要求,包括系统分析要求、结构设计和分析要求、材料要求、工艺控制要求、质量保证要求、操作和维护要求、重新认
5、证要求、使用期限延长要求等。本文件适用于运载器和航天器金属压力容器结构设计。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有修改单)适用于本文件。GB/ T 150.1 压力容器第1部分:通用要求GB/ T 150.2 压力容器第2部分:材料GB/ T 150.3 压力容器第3部分:设计GB/ T 150.4 压力容器第4部分:制造、检验和验收GB/ T 4337 金属材料疲劳试验旋转弯曲方法GB/ T 51218 机械工业工程设计基本术语标准3 术语与定义GB/
6、T 150.1 GB/T 150.4、GB/T4337、GB/T51218界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 承压系统pressurized system 由压力容器及其他压力部件(例如:管路、配件、阀门和波纹管等)组成的系统,其结构大部分处于承受压力的环境中。3.2 非承力结构no-pressurized pressure vessel structure 用于承载内部压力的压力容器结构。注:运载火箭的非轴向力承载贮箱和气瓶是典型的非撑力结构。3.3 承力结构pressurized structure 用于除了承载内部压力,还需要承载运载器或航天器结构载荷的压力容器结构。注:运载火
7、箭的主推进剂贮箱是一种典型的承力结构。3.4 最大使用压力maximum expected operating pressure; MEOP 承压结构在其使用寿命期间经历的最高压差,且能保持其服役环境下的功能性。GB/T 40541-2021 3.5 最大设计压力maximum design pressure; MDP 最大使用压力下,还应包括最高温度和瞬态压力确定的最高压力,在此条件下压力容器不失效。3.6 有害变形detrimental deformation 防止结构或其他系统的任何部分执行其预期功能的结构变形、挠曲、或位移。3.7 设计破裂压力design burst pressure
8、 在服役环境中,压力容器在无断裂的情况下需承受的压力。注:该压力等于最大使用压力和爆破系数之乘积。3.8 安全裕度margin of safety; MS 计算公式如下:MS=(许用载荷/极限载荷安全系数)-1。注:载荷可以是应力或应变。3.9 临界条件critical condition 服役期间,系统、子系统和组件所遭受的载荷、压力和温度等最严峻的环境条件。3.10 极限载荷limit load 在特定环境中执行特定任务时,结构能够承受的预测最高的承载荷载。3. 11 设计安全系数design safety factor 极限载荷和最大使用压力的系数,旨在对结构充分性进行分析评估和试验验证
9、。3.12 泄漏先于爆破leak-before-burst; LBB 一种设计理念,潜在关键缺陷通过加压产品后扩大,导致压力降低而泄漏,而非破裂或者爆裂。3.13 验证压力proof pressure 用于证明工艺和材料质量符合要求或符合设定最大初始裂纹尺寸,用于确定安全寿命的期限。注:该压力等于最大使用压力(或最大设计压力)与验证安全系数的乘积。3.14 载荷谱loading spectrum 结构在各种预期工作环境中预计承受的累积载荷表征。注:包括重要的运输和装卸载荷。3.15 验收试验acceptance tests 在飞行试验的正式产品上实施,以确定材料、制造过程和工艺满足规范要求,且
10、产品符合预期的飞行试验要求的正式试验。3.16 爆破系数burst factor 最大使用压力的倍加系数,以获得设计爆破压力。2 G/T 40541-2021 4 一般要求4.1 概述航天金属压力容器的结构分析、设计和试验的一般要求,包括:a) 系统分析;b) 结构设计和分析;c) 材料;d) 工艺控制;e) 质量保证;f) 操作和维护;g) 重新认证;h) 使用期限延长。4.2 系统分析要求系统分析要求一般包括:a) 详细分析压力容器工作的承压系统,确定最大使用载荷;b) 确定系统外的部件工作参数对系统内最大使用载荷的影响,说明故障模式导致的误差允许范围;c) 评估全寿命周期内系统的压力调节
11、能力,阀门开启压力、冲击载荷,及所有施加载荷和环境等各个工况。4.3 结构设计和分析要求4.3.1 载荷与环境载荷与环境的要求包括:a) 载荷与环境应考虑以下因素:环境引起的载荷和压力、环境与载荷和压力的相互关系、施加载荷、压力的频率和环境的变化(包括载荷、循环次数、持续时间和顺序); b) 应按照指定的任务要求确定全寿命周期的载荷、压力、温度及相关的环境,根据这些数据确定设计载荷和环境要求,并应用于设计分析和测试中;c) 最大设计载荷和最大使用载荷是两个基线压力,用于设计和测试压力容器,设计时,最大使用载荷用于基准压力,如果要求将最大设计载荷用作基准压力,则可以用最大设计载荷代替最大使用载荷
12、;d) 随结构设计的推进和荷载分析的成熟,应修订设计流程。4.3.2 强度4.3.2.1 非承力结构非承力结构应满足以下强度设计要求:a) 在预期的工作环境中,应具有足够的强度在服役期间能够承受最大使用载荷,且同时承受结构的内部压力,而不会发生有害变形;b) 在预期的工作环境中,应承载最大使用载荷和结构的内部压力,而不发生破裂或失稳;c) 在内部加压至最小使用压力时,结构应承受最大的施加载荷和外部压力(失稳压力),而不会失稳或破裂;3 G/T 40541-2021 d) 在压力测试过程中,应承受试验压力,而不发生有害变形;e) 在合格试验过程中,应承受设计破裂压力,而不发生失稳和破裂;。在设计
13、温度以外的温度下进行压力或合格试验时,确定载荷、压力过程中应说明材料性质随温度的变化;g) 安全裕度应为正,且在适当的情况下,应通过设计、分析和测试确定临界条件下预期温度的安全裕度。4.3.2.2 承力结构承力结构应满足以下强度设计要求:a) 根据载荷、压力的服役周期,应考虑载荷、温度、压力组合来选择承压结构的临界加载情况;b) 对于每个载荷工况,应考虑载荷、压力和温度的最严酷组合,用相应的设计安全系数确定承压结构每个零部件的安全裕度;c) 在内压试验过程中能够承受内压试验压力,而无总体屈服或有害变形;d) 在合格试验过程中能够承受设计破裂压力,而不会发生破裂或失稳;e) 在设计温度以外的温度
14、下进行内压试验时,确定内压试验压力过程中应说明在使用温度下材料属性的变化;f) 在极限载荷下,保证在不确定的失效模式下承压结构不失稳,同时极限载荷不应由于弹性屈曲变形而使任何系统的功能降低;g) 评估屈曲强度应说明所有应力的综合作用,及其对总体稳定性、局部稳定性和断裂的影响;h) 屈曲的设计载荷应为极限载荷,对消除屈曲作用有利的载荷的极限设计安全系数不能随着 载荷增大而增大;i) 失稳的压力应随极限设计系数增大而增大,除非降低结构承载能力,不可增大内压提升结构稳定性;j) 最低安全裕度必须为正,应通过分析或测试验证最低安全裕度。4.3.3 刚度压力容器应满足以下刚度设计要求:a) 在预期的工作
15、环境下,压力容器应具有足够的刚度,保证在服役期间的极限载荷和压力下不产生有害变形;b) 载荷和动态响应与结构直接相关,应保证不发生载荷和动态响应的所有有害影响,且避免与其他航天器系统不利的相互作用;c) 在适用的情况下,应验证结构稳定所需的最小内压,并纳入产品验收数据包。4.3.4 热环境压力容器的设计应考虑以下热环境要求:a) 加热速率;b) 预测的极端温度,并说明设计裕量;c) 温度梯度;d) 热应力和变形;e) 构造材料物理性能与力学性能的变化。4.3.5 应力分析压力容器应满足以下应力分析的要求:4 GB/T 40541-2021 a) 在假设结构中无裂纹缺陷的情况下,应进行每个新设计
16、金属结构产品的详细应力分析和综合应力分析,确定由于压力、地面或飞行载荷、温度及温度梯度等综合影响所产生的应力;b) 如果设计几何形状和加载条件足够简单,且能保证应用,则可以使用经典解决方案;c) 必要时,应说明几何不连续性、模型配置、结构边界设置、材料和几何非线性效应等影响内压和施加载荷引起的膜应力和弯曲应力的计算结果;d) 依据各个载荷和压力组合,使用恰当的设计安全系数,且相应的结果应与材料许用值进行比较;e) 对于支撑压力容器的主要结构,应考虑施加载荷的设计安全系数;f) 计算复杂几何形状和载荷条件下的应力、应变和位移,应使用有限元或其他经过验证的等效结构分析技术;g) 必要时,应构建局部
17、结构模型,以增加快速变化应力区域的计算准确性;h) 应使用可靠的试验数据验证分析方法;i) 计算应力时应使用设计图纸中注明的最小尺寸参数,但如果基于充分的测试和理论基础,在获得客户同意的情况下,可以使用名义材料尺寸进行屈由分析,必要时,应说明公差(包括总体尺寸和厚度)的影响,评估最严酷的状态;j) 材料许用强度应反映温度、热循环、温度梯度、加工变量等的环境影响,应计算与母材、焊缝和热影响区相关的最小安全裕度,并且绘制所有金属结构产品最小安全裕度随着其位置和应力水平变化的表格,安全裕度应为正值,且分别执行4.3.2和4.3.3的强度和刚度要求;k) 强度分析报告应包括输入参数、材料、假设、基本原
18、理、方法、参考文献和有意义的分析数据等,进行保存,并体现在强度分析报告中,为了实现计算程序的通用性,分析结果应随输入参数的变化而更新。4.3.6 LBB失效模式验证4.3.6.1 概述应通过分析或试验验证金属压力容器结构的LBB失效模式,如果类似设计的经验充分,已经验证过类似设计具有LBB失效模式,可以省略LBB验证。4.3.6.2 LBB分析通过分析验证LBB失效模式,采用线弹性断裂力学原理,在最大使用载荷时的初始表面裂纹(表面裂纹形状/2c范围:0.10.日,应符合以下条件:a) 不会因表面裂纹而失效;b) 不会在结构厚度方向增大,成为一个穿透裂纹(长度=10倍贮箱结构产品的厚度),且保持
19、稳定。4.3.6.3 LBB 式验!压力容器LBB失效模式试验应满足以下要求:a) 应采用试验试样或具有预制表面裂纹的全尺寸产品验证LBB失效模式,其作为试验产品;b) 试验产品的材料(母材、焊缝和热影响区)和厚度应与飞行服役产品保持一致;c) 使用全尺寸产品时,应能代表飞行服役产品;d) 预制表面裂纹的缺陷形状范围应为0.10.5; e) 试验产品的应力(或应变)循环应与最大应力(或应变)条件下的产品一致,最大应力(或应变)条件对应的最大使用载荷水平,且最小应力(或应变)保持为零或实际最小应力(或应变)条件5 G/T 40541-2021 对应的使用载荷水平(两者取更保守的情况),直到表面裂
20、纹增长或穿过试样厚度方向,成为穿透裂纹;。如果穿透裂缝的长度大于10倍的试样厚度,且保持稳定,则验证LBB失效模式。4.3.7 疲劳寿命压力容器疲劳寿命应满足以下要求。a) 用常规疲劳分析验证无缺陷金属结构产品的疲劳寿命时,应采用疲劳寿命特性的标称值包括结构材料或材料的应力寿命(S-N)数据或应变寿命(s-N)数据,这些数据应取自可靠来源,分析还应说明预期的工作载荷、压力和环境。b) 对于处理变幅疲劳循环加载,可采用累积线性损伤方法(Miner方法)。c) 除另有规定,疲劳分析的使用寿命系数取4。d) 使用Miner方法的累积疲劳损伤限值应为正常限值的80%。数学中,Miner方法表示为式(1
21、) : 三JnJNt0.8( 1 ) 式中:t 应力水平Z所适用循环次数的4倍;Ni一一应力水平i失效的循环次数,且将i=1到走求和。e) 可通过测试无缺陷试样,分析验证压力容器结构产品的疲劳寿命。f) 以无缺陷试样代表临界区域(如膜部分、焊缝、热影响区和壳体过渡区域)或全尺寸产品,能够承受在预期工作环境中测试循环和持续时间的工作载荷和压力,并不会破裂,符合疲劳寿命要求,所需的测试持续时间至少是使用期限或循环次数要求的4倍。g) 应编制疲劳分析和试验报告,疲劳分析报告应记录加载谱、环境、疲劳(S-N)或(s-N)数据和分析结果,还应给出试样配置、试验台、试验加载谱、环境以及试验结果,且与强度分
22、析报告相关联。4.3.8 安全寿命验证4.3.8.1 概述通过分析或试验验证压力容器结构的安全寿命,应满足以下要求:a) 无法定期检查和维修的产品,安全寿命应至少是规定使用寿命的4倍;b) 当发生泄漏时,含有危险液体压力容器结构产品的安全寿命终止;c) 易于定期检查和维修的产品,安全寿命应至少是定期检查间隔的4倍。4.3.8.2 安全寿命分析6 压力容器的安全寿命分析应满足以下要求:a) 如使用断裂力学裂纹扩展分析来确定结构产品的安全寿命时,相对于所施加的应力和材料特性,应假设未检测到的缺陷处于关键位置,且处于最不利的方向上,假定的缺陷尺寸应基于适当无损检测技术的缺陷检测能力或由内压试验来确定
23、。缺陷形状(a/2c:0.10.5)应视为表面裂纹;对于角裂纹,应说明缺陷形状(a/c: O. 2 1. 0) ; b) 在安全寿命分析中应使用与每种合金、热处理、产品形式以及热和化学环境相关的断裂韧性和疲劳裂纹生长率数据标称值;c) 如使用内压试验来确定初始缺陷尺寸,应使用上限断裂韧性值来确定初始缺陷尺寸和断裂处的损伤裂纹尺寸;G/T 40541-2021 d) 经受持续应力的压力容器结构产品应表明在工作过程中持续载荷作用期间相应的最大应力强度因子CKmax)小于服役环境中的应力腐蚀裂纹阔值CK1 SCC) ,即Kmax K 1 scc ; e) 分析中应包括有害拉伸残余应力;f) 应使用经
24、过验证的裂纹扩展方法进行安全寿命分析;对于部分穿透裂纹(表面缺陷或角裂纹), 在分析中应说明缺陷形状的变化;g) 未经客户批准,不应考虑因变幅加载引起的裂纹扩展速率的延迟效应;h) 通过分析验证安全寿命时,应编制分析报告,描述加载谱、环境、假定的初始缺陷尺寸、裂纹扩展模式、疲劳裂纹扩展速率和断裂数据,还应清晰地给出重要结果的摘要,且与应力分析报告密切关联。4.3.8.3 安全寿命测试压力容器的安全寿命测试应满足以下要求:a) 可采用安全寿命测试进行安全寿命验证;b) 对于塑性响应结构,应通过测试验证安全寿命;c) 必要时,安全寿命测试过程中应使用具有预制缺陷的试样或全尺寸产品,这些缺陷不应小于
25、所选无损检测技术或验收液压试验所确定的缺陷尺寸;d) 在预期的工作环境中预制缺陷试样承受极限载荷和压力循环,且不发生泄漏的情况下,视为验证了安全寿命;e) 通过试验验证安全寿命时,应编制测试报告,报告至少记录试样配置、初始裂纹尺寸、测试装置、测试程序、测试压力循环系列和环境、以及重要的测试结果。4.3.9 泄漏压力容器应符合泄漏率要求,即保证在整个服役周期内系统持续工作。4.3.10 其他压力容器的设计应采用经过验证的制造和维修工艺与程序,对于可重复使用的压力容器,结构设计应允许维修和翻新产品达到符合飞行标准的状态,维修和翻新的产品应符合所有飞行标准的规定条件,设计应满足以下需求:a) 使用;
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