Usporedba numeričkih i eksperimentalnih vrijednosti udarnih oštećenja konstrukcije avionskog horizontalnog stabilizatora

master's thesis

• Title (english): Comparison of numerical and experimental values of impact damage at aircraft horizontal stabilizer structure
• Author: Fran Ušurić
• Mentor: Ivica Smojver (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2024-03-27, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Aviation, Rocket and Space Technology; Aircraft Construction and Design

Abstract

Proučavanje udarnih opterećenja i oštećenja na kompozitne konstrukcije eksperimentalnim ispitivanjem i numeričkim modeliranjem predstavlja perspektivno područje znanstvenih istraživanja, ali istovremeno donosi i brojne izazove uslijed specifičnih konstrukcija, anizotropne prirode materijala i složenih međudjelovanja kompozitnih slojeva.
U ovom se radu razmatra udar projektila u kompozitnu konstrukciju napadnog ruba horizontalnog stabilizatora pri velikim brzinama te se rezultati provedenih simulacija uspoređuju s rezultatima provedenog eksperimentalnog ispitivanja provedenog od strane partnera iz industrije. Detalji o partneru iz industrije se ne iznose zbog ugovora o tajnosti podataka.
Tijekom razvoja numeričkog modela razmatrana su tri načina opisivanja udarača. Model ptice koja udara u konstrukciju horizontalnog stabilizatora modeliran je pomoću klasičnog Lagrangeovog, SPH (eng. Smoothed Particle Hydrodynamics) i CEL (eng. Couple Eulerian-Lagrangian) pristupa. Za provođenje simulacije koristi se komercijalno dostupan programski paket za rješavanje metodom konačnih elemenata Abaqus/Explicit. Nakon usporedbe sva tri modela udarača s rezultatima ispitivanja dostupnima u literaturi definiran je numerički model koji je razvijen na temelju testnog postava korištenog za provođenje eksperimentalnog ispitivanja. Geometrija napadnog ruba opisuje se kombinacijom konvencionalnih ljuskastih elemenata i ljusaka s određenom debljinom, dok se ostatak testnog postava modelira klasičnim trodimenzionalnim elementima. U simulacijama se koristi Hashinov kriterij popuštanja kako bi se opisalo ponašanje kompozita ojačanog vlaknima.
Rezultati razmatranih simulacija uspoređeni su međusobno i s eksperimentalnih vrijednostima te se analizira poklapanje rezultata simulacija s rezultatima eksperimentalnog ispitivanja.
Na posljetku se provodi optimizacija rasporeda sojeva kompozitnog napadnog ruba te se zaključuje da postoje rasporedi slojeva koji pokazuju bolja mehanička svojstva.

Abstract (english)

Exploring impact loads and damage on composite materials through experimental investigation and numerical modeling represents a promising field of scientific research, but at the same time a challenging domain due to laminated structure, anisotropic material nature, and complex layer interfaces of composites.
The subject of this thesis is modeling of a high velocity bird impact on a composite leading edge of a horizontal stabilizer and comparing the results of the simulation to the experimental dana provided by the industrial partner. Details about the industrial partner are not disclosed due to the confidentiality agreement.
In order to develop the numerical model of a high velocity impactor, three different approaches have been considered. Bird impactor model has been developed using classical Lagrangian, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), and Couple Eulerian-Lagrangian (CEL) method. Commercially available software for finite element method analysis Abaqus/Explicit has been used to conduct simulations. After validating each impactor model with experimental results available in literature, a complete numerical model of the test setup has been developed to replicate the setup used in experimental testing. The geometry of leading edge is described using a combination of conventional shell and continuum shell elements, while the rest of the test setup is modeled using 3-dimensional elements. In simulations conducted, Hashin failure criteria was employed to describe the behavior of fiber-reinforced composite.
The results of all three simulation approaches have been compared with the experimental dana, and quality of results for each method has been discussed.
Optimization of the composite leading edge has been conducted and conclusions on improving the layup have been made.

• Keywords: Udar ptice; klasična Lagrangeova metoda; SPH; CEL; kompozit ojačan ugljičnim vlaknima; Hashinov kriterij popuštanja; Abaqus/Explicit
• Keywords (english): Bird impact; classical Lagrangian; Smoothed Particle Hydrodynamics; Coupled Eulerian-Lagrangian; CFRP composites; Hashin failure criteria; Abaqus/Explicit
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:661294
• Study programme: Title: Aeronautical Studies; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka zrakoplovnog inženjerstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka zrakoplovnog inženjerstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Embargoed access; Embargo expiration date: 2029-03-27
• Created on: 2024-03-24 09:31:07