تسرب ضغط حرج أثناء مناورة الالتحام لوحدة سياحة مدارية عرض حياة العديد من المدنيين للخطر. الحادث، الذي يُعزى إلى تشوه مرن في أختام السيليكون للبوابة، نتج عن تدرج حراري شديد بين الوجه المعرض لأشعة الشمس (120 درجة مئوية) ومنطقة الظل العميق (-150 درجة مئوية). هذه المقالة تفصل سير العمل التقني المستخدم لنمذجة ومحاكاة والتحقق من الفشل، باستخدام أدوات الهندسة بمساعدة الكمبيوتر وعلم القياس البصري.
النمذجة في Catia والمحاكاة متعددة الفيزياء في Star-CCM+ 🛰️
تألفت الخطوة الأولى من إعادة بناء حلقة الختم الدائرية المصنوعة من السيليكون ومقرنها في Catia V5، مع تحديد شبكة عناصر محدودة مع تلامس غير خطي. بعد ذلك، تم تصدير النموذج إلى Siemens Star-CCM+ لربط محاكاة انتقال الحرارة بالإشعاع والتوصيل مع التحليل الإنشائي. تم تطبيق شروط حدية لدرجة حرارة السطح على الوجوه الخارجية، مسجلة فرقًا حراريًا قدره 270 كلفن بين طرفي الختم. أظهرت النتائج أن التمدد التفاضلي يولّد تشوهًا مرنًا بمقدار 0.8 مليمتر في المقطع العرضي للحلقة، وهو ما يكفي لإنشاء قناة دقيقة للتسرب. كشفت مخططات الإجهاد-الانفعال أن المادة كانت تعمل عند الحد الأعلى لمعامل يونغ الخاص بها، دون الوصول إلى الخضوع اللدن ولكن مع فقدان الاتصال المحكم.
التحقق المترولوجي والدروس المستفادة لتصميم المداري 🔬
للتحقق من صحة النموذج، تم مسح ختم خاضع لدورة حرارية معجلة في المختبر باستخدام ماسح ضوئي بالضوء الأزرق GOM Control X. تمت مقارنة سحابة النقاط التي تم الحصول عليها مع الهندسة المشوهة التي تنبأت بها Star-CCM+، مما أسفر عن انحراف متوسط يبلغ 12 ميكرون فقط. أكد هذا التطابق أن الإجهاد الحراري الدوري هو الآلية الرئيسية للفشل. كتوصية تصميمية، يُقترح دمج عازل متعدد الطبقات في مقر الختم والتحول إلى مركب سيليكون مع حشو سيراميكي يقلل من معامل التمدد الحراري، مما يضمن إحكام الإغلاق في البعثات المأهولة المستقبلية.
هل من الممكن التنبؤ بالموقع الدقيق للشق الأولي في ختم إيلاستوميري خاضع لدورات حرارية مدارية من خلال تحليل العناصر المحدودة مع إجهاد حراري-ميكانيكي مقترن، أم أن التعقيد الهندسي للتلامس يمنع محاكاة دقيقة دون اختبارات فيزيائية مسبقة؟
(ملاحظة: إجهاد المواد يشبه إجهادك بعد 10 ساعات من المحاكاة.)