Full aircraft ditching simulation by advanced fluid-structure interaction computational methods: a comparative analysis

International audienceMost of air traffic operates over water, airports are mostly located around water, and near-airport operations (such takeoff, final approach, and landing) take place above water. Fortunately emergency landings on water, comprising ditching and crash on water, do not occur frequently. However, as passenger safety under dynamic loads is of key importance in modern aerospace vehicle design, ditching analysis is an important part of the aircraft design. The landing of an airplane on water is an emergency situation that an aircraft faces only once. Loss of the aircraft is acceptable, provided the crew and passengers can safely escape and be rescued. For a water contact to qualify as a ditching, it is necessary that the touchdown follows a prudent approach and acceptable procedures. The design must provide structural integrity to protect all occupants, ensure that no excessive decelerations will be experienced by the occupants, and provide sufficient time for safe egress from a damaged aircraft (FAR 25.801 on Ditching)

Pinball-based Contact-Impact Model with Parabolic Elements in EUROPLEXUS

Contact-impact algorithms are an important component of numerical simulation software in fast transient dynamics. Traditionally, contact algorithms have been based on so-called sliding lines and sliding surfaces. However, sliding-based algorithms may present some difficulties in detecting contact in complex geometrical situations, especially in 3D. The pinball contact-impact method as an alternative formulation has been implemented in EUROPLEXUS, initially based upon a strong Lagrange-multiplier based solution strategy of the contact constraints. Recently, at Onera Lille (F) some crash calculations involving many contacts were attempted, initially with linear displacement continuum elements (CAR4 in 2D). However, to improve accuracy and to help mitigate spurious locking phenomena, it was desired to perform the same calculations with parabolic elements, namely by the 9-node Lagrange element Q93. The present work considers two different approaches to modeling contact with parabolic elements. The first approach uses a phantom mesh of linear-displacement elements, used only for contact detection, and superposed to the structural mesh made of parabolic elements. Such a technique is fully general and could be useful also in other special contact situations, not only with parabolic elements. The second approach is based on a (new) ‘native’ pinball formulation for the parabolic elements, which has now been developed and implemented in EUROPLEXUS.JRC.G.5-European laboratory for structural assessmen

Full aircraft ditching simulation: a comparative analysis of advanced coupled fluid-structure computational methods

The communication concerns advanced numerical simulations of the transient fluid structure interaction occurring during aircraft ditching. While the structural model used the Finite Element method, either the Arbitrary Lagrangian-Eulerian or the hybrid Smoothed Particle Hydrodynamics Finite Element approaches were considered for the fluid model. Both computational methods were comprehensively compared using data of guided ditching experiments. The numerical results were satisfactory in terms of local pressures, local strains, and global force to consider further applications to full-scale structures. In this communication, these computational methods are applied to full spacecraft and aircraft (full-scale) ditching problems

A computational approach to design new tests for viscoplasticity characterization at high strain-rates

International audienceRate-dependent behaviour characterization of metals at high strain rate remains challenging mainly because of the strong hypotheses when tests are processed with statically determinate approaches. As a non-standard methodology, Image-Based Inertial Impact (IBII) test has been proposed to take advantage of the dynamic Virtual Fields Method (VFM) which enables the identification of constitutive parameters with strain and acceleration fields. However, most of the test parameters (e.g. projectile velocity, specimen geometry) are not constrained. Therefore, an FE-based approach is addressed to optimize the identification over a wide range of strain and strain-rate, according to two design criteria: (1)-the characterized viscoplastic spectra (2)-the identifiability of the parameters. Whereas the first criterion is assessed by processing the FEA simulations, the second is rated extracting material parameters using synthetic images to input the VFM. Finally, uncertainties regarding the identification of material constants are quantified for each IBII test configuration and different camera performances

Développement d'un élément de plaque perforée pour le calcul des structures aéronautiques au crash et à l'impact

L'étude du crash d'un avion complet nécessite une discrétisation EF adaptée au problème « structure ». Ainsi, pour modéliser la ruine éventuelle de la structure, il faut se focaliser sur la modélisation des assemblages rivetés, sites privilégiés d'amorçage et de propagation de la rupture. Or, une modélisation EF fine des perforations est incompatible avec la taille de la maille EF du modèle de l'avion complet. Il s'avère donc nécessaire de rechercher des méthodes EF alternatives (éléments équivalents) adaptées à la problématique de modélisation de l'avion complet et permettant de simuler le comportement réaliste de l'assemblage riveté (concentrations de déformations). La MEF Hybrid-Trefftz permet la formulation d'EF de plaque perforée. Les éléments finis de la littérature sont toutefois limités aux problèmes d'élasticité. Notre objectif est donc d'étendre ces éléments, formulés pour le domaine élastique, aux problèmes non-linéaires et à la dynamique rapide

Analysis of the application of fuselage skin reinforcements with beam element representations in flexible full aircraft models for ditching simulations

The aim of this paper is the application of beam element representations for structural skin reinforcements in flexible full aircraft FE models used in ditching simulations. To verify this approach, it was initially analyzed on flexible reinforced bottom-aircraft panels under guided ditching conditions, considering also structural mesh size variations and partly corresponding fluid mesh densities. For this analysis two different numerical methods were used for comparisons, the coupled Finite Element-Smoothed Particle Hydrodynamics and the Arbitrary Lagrangian Eulerian methods. For the generation of the full aircraft model a multidisciplinary process chain approach and a standardized data format description are used. The beam element representations are considered for the modelling of skin reinforcement as well as other structures like cabin and cargo floor structures. By this approach, first time feasible full aircraft ditching simulations and the subsequent analysis of both global kinematics and the local fuselage structural response could be achieve

Homogénéisation périodique d'un matériau élastoplastique compressible anisotrope : application aux structures sandwichs à coeur cellulaire

Grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques spécifiques, les matériaux cellulaires architecturés présentent un fort intérêt pour répondre aux problématiques du secteur aéronautique, notamment pour la tenue structurale et la résistance à l'impact. De par leurs architectures, ces matériaux présentent en général trois échelles caractéristiques: l'échelle macroscopique de la structure, l'échelle mésoscopique associée à la cellule élémentaire et l'échelle microscopique liée au matériau constitutif. La modélisation d'architectures de grande dimension est difficile à mettre en oeuvre car couteuse en temps de calcul. Pour contourner ce problème, la mise en place d'une modélisation multi-échelle basée sur l'identification d'une Loi Homogène Equivalente (LHE) est proposée. L'étude du comportement multi-axial du matériau cellulaire à l'échelle de son Volume Elémentaire Représentatif (VER) nous permet, par homogénéisation périodique, d'expliciter le comportement macroscopique et d'identifier une LHE compressible et anisotrope. La structure sandwich est ensuite modélisée en remplaçant le coeur cellulaire par un Milieu Homogène Equivalent (MHE). Pour des cas de chargements quasi-statiques, l'influence des effets de bords sur le comportement macroscopique de la structure en fonction des différents types d'empilement des tubes, de la taille des structures sandwichs et du type de chargement a été analysée. La méthode donne des résultats satisfaisants mais présente des limites quant à la validité de la séparation des échelles, indispensable à l'approche par homogénéisation, il est donc envisagé d'enrichir la méthode par les milieux continus généralisés pour mieux prendre en compte les phénomènes induits par la localisation des déformations. Une confrontation avec des essais mécaniques sera entreprise pour discuter de la validité des modèles proposés, avec une extension progressive à des chargements dynamiques

Contribution à la caractérisation numérique et expérimentale d'assemblages structuraux rivetés sous sollicitation dynamique

As part of aeronautical framework design and of the modelling of their mechanical strength, local non linear behaviours which can lead to failure have to be taken into account and particularly the bonding behaviours. For survivable crash conditions, the bondings are subjected to dynamic loads which can lead to the complete framework failure or dislocation. To characterise the dynamic strength of riveted joints, a 'numerical data base' methodology is proposed to limit the cost of experimental procedures. Based on FE modelling and optimisation using inverse method, the method relies on the determination of non linear and 'at failure' behaviour parameters of the materials which compose the riveted joints. An optimisation self developed code is presented in the first part. Behaviour models of both aluminium alloys (assembly materials) are identified with the optimisation tool. Both models are used to perform the simulations of different riveted joint tests. The estimation of the residual stresses and strains due to the riveting process is studied in the second part. Forming mechanisms of the rivets are analysed from experiments. Simulations are performed with the explicit FE code PAM-SOLID(TM) to introduce, once validated, the residual stresses and strains of the riveting process in a FE simulation of the mechanical strength of riveted joint assemblies. The feasibility of the numerical data based method is established in the third part. Gurson damage parameters are identified for materials using inverse method. The quality of the results enables one to extend the use of the numerical tool to the characterisation of equivalent rivet model. Simplified modelling technique for bonds are studied in the last part. A failure criterion is determined by an ARCAN test procedure and by the numerical data base method. A new non linear simplified rivet model is developed in the FE code PAM-SOLID(TM) and its parameters are identified. All the results obtained are finally applied to the crash modelling of a 700 rivets framework.Dans le cadre de la conception des structures aéronautiques et de la modélisation de leur tenue mécanique, la représentation des comportements non linéaires locaux conduisant à la rupture est nécessaire et notamment ceux des liaisons. Ainsi en situation de crash survivable, les liaisons sont soumises à des charges dynamiques qui peuvent conduire à la rupture et à la désarticulation. Pour caractériser la tenue au crash des assemblages rivetés, une méthodologie dite de 'plans d'expérience numériques' est proposée ; son intérêt est de limiter le coût des procédures expérimentales. Fondée sur les techniques de modélisation par éléments finis et d'optimisation par méthode inverse, la méthode repose sur la détermination des paramètres du comportement non linéaire et à la rupture des matériaux constitutifs de la liaison rivetée. Le développement de l'outil informatique d'optimisation est présenté dans la première partie du mémoire. Les modèles de comportement de deux alliages d'aluminium composant l'assemblage sont identifiés grâce à l'optimiseur. Ils seront utilisés pour mener les simulations de différents essais effectués sur les assemblages. L'évaluation des contraintes et des déformations résiduelles dues au procédé de rivetage est abordée dans la deuxième partie. Les mécanismes de mise en forme des rivets sont analysés expérimentalement. Des simulations sont d'autre part entreprises à l'aide du code de calcul explicite PAM-SOLID(TM), afin d'introduire, une fois validées, les contraintes et les déformations résiduelles post-rivetage dans le calcul de la tenue mécanique de l'assemblage. La faisabilité des plans d'expérience numériques est démontrée dans la troisième partie. Les paramètres d'endommagement du modèle de Gurson sont identifiés par méthode inverse pour les deux matériaux composant l'assemblage. La qualité de l'ensemble des résultats obtenus permet notamment d'envisager l'emploi de l'outil de simulation dans le cadre de la caractérisation de modèles équivalents macroscopiques du rivet. Ces techniques de modélisation simplifiée des liaisons sont abordées dans la dernière partie. Un critère de rupture de la liaison est caractérisé par l'expérience à l'aide du dispositif ARCAN et par plan d'expérience numérique. Un nouveau modèle non linéaire de la liaison est développé dans le code de calcul PAM-SOLID(TM) et ses paramètres identifiés. L'ensemble des résultats obtenus est finalement appliqué à la simulation de l'écrasement d'une structure comportant 700 rivets

Ruine des structures aéronautiques rivetées aux chargements de type explosion ou pression dynamique

The context of the presented research concerns the vulnerability of airframes faced to blast explosions. Resuming the ruin scenario of a fuselage during a bomb attack, three research areas contribute to the issue set down in the report. The first one deals with the dynamic loading resulting from the explosion of a bomb within the fuselage. The second and third ones concerns the assemblies ; the characterisation and modelling of their mechanical behaviour and failure are particularly studied and especially under dynamic loadings. Concerning the structural load (dynamic pressure), an applied research aims at validating coupled fluid/structure interaction methods to measure the blasting shock wave, to develop uncoupled fluid/structure interaction methods to enable the analysis of complete and complex structures, and to develop a numerical method for the coupling of a structure immersed in a fluid. In the field of the assemblies characterisation for structural calculation applications, the experimental and numerical research consists in developing new experimental methods based on normalized tests that makes it possible to analyse the behaviour and failure of fasteners in pure and combined tensile/shear modes from quasi-static to dynamic displacement rates loads, and finally an alternative numerical method (virtual testing) is also developed to study an assembly from the riveting process, up to the dynamic strength. Finally, a more fundamental research aims at improving the assemblies modelling technique to be used in structural computation. For the fastener, a model with a non-linear behaviour implemented is developed based on a hybrid formulation. For the perforated metal sheet, a model and a criterion for failure are presented, a multi-scale approach and a hybrid finite element are developed.Le contexte des travaux concerne la vulnérabilité des structures aéronautiques face aux explosions. Reprenant le scénario de la ruine d'un fuselage lors d'un attentat à la bombe, trois axes de recherches concourent à la problématique posée dans le mémoire. Le premier est lié au chargement dynamique résultant de l'explosion d'un engin dans le fuselage de l'appareil. Le deuxième et le troisième concernent les assemblages, dont on cherche à caractériser et modéliser le comportement et la rupture sous chargements dynamiques. Concernant le chargement structural de type pression dynamique, une recherche appliquée vise à valider des méthodes d'interaction couplées fluide/structure pour mesurer l'onde de souffle, à développer d'autres méthodes d'interaction découplées fluide/structure pour permettre l'analyse de structures complètes et complexes, et à développer une méthode numérique pour le couplage d'une structure immergée dans un fluide. Dans le domaine de la caractérisation des assemblages pour le calcul des structures, la recherche expérimentale et numérique consiste à développer de nouvelles méthodes expérimentales fondées sur des essais normalisés permettant d'analyser le comportement et la rupture des fixations en modes pures et mixtes de traction/cisaillement pour des vitesses de déplacement quasi-statique et dynamique, et une méthode numérique alternative dite plan d'expérience numérique (ou 'virtual testing') pour étudier un assemblage depuis le procédé de rivetage, jusqu'à sa tenue dynamique. Enfin, une recherche fondamentale vise à améliorer la modélisation des assemblages en calcul de structures. Pour les fixations, un modèle au comportement non-linéaire reposant sur une formulation hybride est développé. Pour les tôles perforées, un modèle et un critère de rupture sont présentés, une approche multi-échelle et un élément fini hybride sont développés