Contribution to the modelling and simulation of aircraft structures impacting on water

Abstract

The impact on water of aeronautical structures is of concern as soon as an aircraft is designed to operate over sea. For the need of the ditching certification, it can be summarised that the structure should be able to land on water and float long enough to enable the passengers and crew members to evacuate. Until the middle of the 90's, compliance to the regulations was mainly shown by tests performed in a basin using a mock-up structure completed by relative simple theoretical evaluations often based on in-house knowledge. In a first phase, the various aspects of ditching in aeronautics are addressed in order to fix the context. This comprises statistical analysis of accident conditions, a discussion concerning the typical damage observed in a ditching event, themes relevant to the certification and finally a description of current practices in the industry to show compliance with the regulations. Due to the inter-disciplinary character of the subject, a full chapter is devoted to the extensive review of the knowledge concerning the assessment and the modelling of fluid structure interaction. This part gathers the knowledge from various disciplines including ship building and offshore technologies. Finally, the capabilities and problems of current advanced numerical methods (ALE, general Euler/Lagrange coupling) emerging on the market and able to treat simple problems of impact on water are discussed. Based on the various aspects discussed above, this thesis proposes to treat the modelling of water/structure interaction problems by using a fully Lagrangian formulation, which has already proved its robustness in the general resolution of crashworthiness problems. To that aim, the classical finite-element (FE) method and the meshless Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) techniques, especially suitable for problems dealing with large deformations, are applied for the modelling of the water. In addition two material models basing on an elastic plastic hydrodynamic law and on a Murnaghan equation of state are adjusted to describe the specific behaviour of water with a structural explicit code. Various methodologies involving a pure FE mesh and a combined SPH-FE mesh are investigated and their domains of validity examined in an extensive benchmark study. Finally, modelling guidelines and recommendations for the use of the various strategies are listed. The methodologies and strategies previously investigated on rigid bodies are then applied to real full-scale aeronautical structures, which were "crashed" on water. In the first part, a WG30 metallic sub-floor structure and a full-scale WG30 helicopter are simulated when impacting vertically on water. Based on the available test results comprising acceleration time histories, pressure time histories and observation on the crash components, it is possible to analyse in details the degrees of correlation between the simulation and the test results. In a second part, a local/global methodology combining FE and hybrid techniques is investigated for the ditching case involving a forward velocity at impact. In this work, the feasibility of the methodology is shown by applying it to the case of a full-scale transport aircraft. Unfortunately, validation work could not be conducted because no test data are available. The simulation of the landing on water of an aircraft, where the forward speed is large compared to the vertical speed remains a challenge due to the size of the overall models, which can hardly be treated for computational reasons (large running time, large models for the water basin). This problem is accentuated when very detailed structural FE-models have to be investigated, which are necessary to model local damage. Nevertheless, based on a ditching test campaign conducted with various scaled rigid fuselage shapes, it was possible to simulate a test with a combined FE-SPH mesh. This shows that the consideration of additional physical effects like suction forces to capture the kinematics of the ditching event are necessary. These forces, which act at the structure/water interface, are caused by phenomena of cavitation, whose magnitude depends on the impact velocity and on the fuselage shape at the point of impact. Additional effects such as the phenomena of ventilation may also be important but cannot be included in the current analysis, because air entrapped between the structure and the water surface is not taken into account in the modelling.

Der Wasseraufschlag einer Luftfahrtstruktur soll systematisch betrachtet werden sobald diese über Wasser eingesetzt wird. Zur Zertifizierung lässt sich der Wasseraufschlag wie folgt zusammenfassen: Flugzeug/Hubschrauber sollen in der Lage sein, auf dem Wasser zu landen und lang genug schwimmen, damit Passagiere und Besatzung evakuiert werden können. Bis in die 90er Jahre wurde die Erfüllung der Vorschriften hauptsächlich über experimentelle Tests mit einem Mock-up-Modell in einem Wasserbecken nachgewiesen. Begleitende theoretische Untersuchungen wurden auf der Basis von firmeninternen Erfahrungen/ Kenntnissen durchgeführt. Zu Beginn der Arbeit werden praktische Aspekte des Ditchings (Wasseraufschlag) diskutiert. Darunter zählen statistische Untersuchungen von Ditching-Ereignissen, ein Katalog der typischen Schädigungen infolge des Wasseraufschlags, Themen relativ zu der Zertifizierung und eine Beschreibung der Vorgehensweise bzw. Praxis der Industrie, wie die Vorschriften dort erfüllt werden. Wegen des interdisziplinären Charakters des Themas, dient ein weiteres ausführliches Kapitel dazu, einen Überblick der Kenntnisse im Bereich Bewertung und Modellierung der Fluid/Struktur Interaktion zu schaffen. Es erfasst verschiedene Disziplinen, einschließlich Schiffbau und Meerestechnik. Letztlich werden das Potential und die Probleme von aktuellen, fortgeschrittenen Techniken (ALE, Euler/Lagrange- Kopplung), die das Problem des Impacts auf Wasser berechnen können, ausdiskutiert. Mit Hilfe der im vorherigen Kapitel erörterten Ausführungen zum Ditching-Thema, wird in dieser Arbeit die Modellierung der Fluid/Struktur-Interaktionen mit Lagrange-Formulierungen durchgeführt und ausführlich untersucht. Zwei Techniken für die Modellierung des Wassers werden eingesetzt: die klassische Finite-Elemente (FE) Methode und die netzfreie Smoothed Particle Hydrodynamics Technik (SPH). Letztere hat sich bei Problemen mit starken Verformungen bewährt. Zusätzlich werden zwei Materialmodelle, basierend auf einem elastisch-plastisch hydrodynamischen Gesetz und auf einer Murnaghan-Zustandgleichung angewandt, um das spezifische "mechanische" Verhalten von Wasser in einem expliziten Programm zur Strukturberechnung anzupassen. Verschiedene Methodiken, in denen reine FE und FE-SPH kombiniert eingesetzt werden, werden untersucht und ihr Gültigkeitsbereich anhand einer aufwendigen Benchmark-Studie geprüft. Zum Schluss dieser Studie werden Modellierungsrichtlinien und Empfehlungen für die Benutzung der einzelnen numerischen Strategien aufgelistet. Die verschiedenen Methodologien, die mit einfachen starren Körpern bewertet wurden, werden dann auf verschiedene Luftfahrtstrukturen angewendet, die auf das Wasser aufschlagen. In einer ersten Studie wird zuerst die metallische Unterbodenstruktur, daran anschließend der komplette WG30-Hubschrauber in Originalgröße beim vertikalen Aufschlag auf das Wasser simuliert. Die Herausforderung dieser Simulationen liegt in der Tatsache, das Schädigungsbild und das Aufnahmevermögen der Aufprallenergie der Struktur richtig zu erfassen. Aufgrund vorhandener Testdaten, Verzögerungs- und Druckkurven sowie Beobachtungen an den gecrashten Strukturen, ist es möglich, die Güte der Korrelation zwischen Test und Simulation zu diskutieren. In einer zweiten Studie, wird eine lokale/globale Methodologie, die die FE Methode mit einer hybriden Technik kombiniert, auf den Wasseraufschlag angewendet und zwar für den speziellen Fall, in dem eine Längsgeschwindigkeit beim Impact vorhanden ist. Dazu wird die Übertragbarkeit auf ein Transportflugzeug in Realgröße geprüft. Leider konnte keine Validierung der Methodik durchgeführt werden, weil keine Testdaten vorhanden sind. Die Simulation des Verhaltens eines Luftfahrzeuges mit der FE Methode beim Ditching, in dem die Längskomponente der Geschwindigkeit viel größer als die entsprechende Vertikalkomponente ist, bleibt eine Herausforderung. Grund dafür ist die Größe des Gesamtmodells (Wasserbecken), das sehr lange Rechenzeiten erfordert. Diese Problematik wird verstärkt, wenn detaillierte Strukturmodelle untersucht werden sollen, damit lokales strukturelles Verhalten erfasst werden kann. Dennoch war es mir möglich den Vorwärtsaufschlag auf Wasser anhand von Testergebnisse aus der Literatur unter Anwendung des kombinierten FE-SPH Netzes rechnerisch zu erforschen. Dies geschah in einer NACA-Versuchskampagne mit verschieden skalierten und starren Flugzeugrumpfmodellen. Es wird gezeigt, dass Saugkräfte auf die Impactfläche einwirken und als zusätzlich wirkender physikalischer Effekt betrachtet werden müssen. Ursache ist wahrscheinlich Kavitation, die von der Aufschlaggeschwindigkeit und der Form des Rumpfes beeinflusst wird. Zusätzliche Ventilationsphänomene werden vermutet, die aber im Simulationsmodell nicht berücksichtigt werden können, da die eingeschlossene Luftschicht, zwischen Struktur und Wasseroberfläche, nicht modelliert wird.