Experimental and numerical analysis of ice and hail damage on aluminum panels

The present thesis work is an experimental and numerical investigation of the damage caused by the impact of ice against aeronautical structures such as aluminum panels. In the case exposed in the following, the projectile is represented by hail or ice debris from propeller blades, helicopters rotors or tiltrotors. The attention to the characterization of foreign object impacts on aerospace structural components is matter of research and concern aimed to reduce risks and damages caused by this typology of impacts. The work has been organized through an experimental and numerical characterization of the impact phenomenon with the purpose of implementing a numerical model able to predict and simulate crash events. The experimental investigation consists of laboratory tests, performed in the La.S.T. laboratory at Politecnico di Milano, with the objective to reproduce high velocity ice impacts against aluminum panels. Such analysis have been parametrized in function of the thickness and curvature of the panels above. The numerical investigation consists in a parallel work of characterization of the materials used in the impact analysis, namely ice as the projectile and aluminum as the target. The characterization is aimed to furnish a Finite Element Model with the objective to simulate the impact phenomenon and to reproduce the ice damage conditions under analysis. The material characterization for numerical purposes consists in the definition of the ice material behavior from the structural point of view, and of the aluminum material that has been described with reference to the experimental test procedures provided by international standards. The numerical model obtained, after the correlation on the experimental simulations, is able to reproduce the damage and the rupture of the aluminum panels, furnishing in this way a model that describes the ice impact phenomenon under analysis and that can represent a prevision of the damage inflicted by ice on aeronautical structures.

Il presente lavoro di tesi è un'indagine sperimentale e numerica del danneggiamento causato dall'impatto di ghiaccio su una struttura aeronautica di riferimento quale un pannello di alluminio. Nel seguito è stata effettuata un'indagine in cui è stato simulato un proiettile che rappresenta grandine oppure detriti di ghiaccio distaccatisi da pale rotanti di propulsori ad elica, o da rotori di elicotteri o convertiplani. L'attenzione verso la caratterizzazione di impatti di oggetti esterni su componenti strutturali aerospaziali costituisce un campo di ricerca e di indagine volta alla riduzione dei rischi e dei danneggiamenti derivanti da tali fenomeni. Il lavoro è stato organizzato attraverso una caratterizzazione sia sperimentale che numerica del fenomeno d'impatto e ha come fine la descrizione del danneggiamento fornendo un modello numerico di simulazione e previsione. L'indagine sperimentale si costituisce di prove in laboratorio, svolte presso il La.S.T del Politecnico di Milano, volte ad ottenere una base di dati utili alla correlazione numerico sperimentale. Tali prove sono state parametrizzate in funzione dello spessore e della curvatura delle suddette lamine. Le simulazioni numeriche riproducono il comportamento dei materiali coinvolti durante l'analisi di impatto, ovvero il ghiaccio come proiettile, e l'alluminio come bersaglio. A questo fine è stato studiato il comportamento del ghiaccio come materiale complesso dal punto di vista di caratterizzazione strutturale, e dell'alluminio, che è stato descritto facendo riferimento alle prove sperimentali di caratterizzazione dettate dalle normative. Il modello numerico, correlato sulle prove sperimentali svolte in laboratorio, mira a riprodurre il danneggiamento e la rottura dei pannelli di alluminio ed a fornire un modello di descrizione del fenomeno d'impatto e di previsione del danneggiamento inferto dal ghiaccio.