Numerical investigations of bird impact on the AW609 rotor blade

Bird-strike events are of major concern in today’s aviation industry and greater attention is being paid to designing safer, crashworthy structures that can withstand such occurrences. This thesis is part of a project between Leonardo Helicopters UK and La.S.T. of Politecnico di Milano, devoted to studying bird impact on the AW609 rotorcraft both from an experimental and a numerical standpoint. In particular, this work has dealt with the experimental-numerical characterisation of three composite materials property of Leonardo Helicopters. Successively, a finite element model of the main rotor blade was created and an envelope of four impacts was studied to preliminarily evaluate the resulting damage. For each material (a unidirectional CFRP, a unidirectional GFRP and a woven glass fibre composite) tensile, compressive, shear and flexural static tests were performed and reproduced in the finite element code LS-Dyna. Tuning of the parameters was achieved by replicating stress-strain curves for each test. Next, a hybrid FE model of the blade was built, using a combination of beam, shell and solid elements in order to reach an adequate balance between accuracy of results and computational cost. The dynamic properties of the blade were then validated through a comparison with Leonardo’s data. Finally, four bird impact events were studied, in accordance with F.A.A T.R. 631 regulations. Two different bird models were used, accounting for the fact that the crashworthiness of the blade must be shown for both airplane and VTOL flight modes. Real flight impact conditions were simulated, thus including inertial forces deriving from the rotation of the rotor. The results showed that no critical failure is to be expected in any impact condition.

Gli eventi di impatto con volatile costituiscono un problema di interesse sempre maggiore per l’industria aeronautica odierna, la quale produce numerosi sforzi al fine di progettare strutture più sicure e resistenti a eventi di questo tipo. Questa tesi si colloca in un progetto congiunto tra Leonardo Helicopters UK e il La.S.T. del Politecnico di Milano, atto a studiare fenomeni di bird impact sul convertiplano AW609, sia dal punto di vista sperimentale che numerico. In particolare, in questo lavoro è stata trattata la correlazione numerico-sperimentale di tre materiali compositi di proprietà di Leonardo Helicopters. Successivamente è stato creato un modello a elementi finite della pala del rotore principale, andando poi a studiare un inviluppo di quattro impatti, con il fine di ottenere una valutazione preliminare del grado di danneggiamento. Per ogni materiale (CFRP unidirezionale, GFRP unidirezionale e composito tessuto di vetro) sono state condotte prove statiche di trazione, compressione, taglio e flessione, che sono poi state riprodotte numericamente attraverso il codice a elementi finiti LS-Dyna. L’ottimizzazione dei parametri delle schede è stata ottenuta correlando le curve sforzo-deformazione. Successivamente è stato creato un modello ibrido a elementi finiti della pala, utilizzando una combinazione di elementi di trave, shell e solidi, al fine di ottenere un buon compromesso tra tempi di calcolo e fedeltà del modello. Le proprietà dinamiche della pala sono state validate congiuntamente con Leonardo. Infine, sono stati studiati quattro casi di bird-strike, seguendo la normativa F.A.A T.R. 631. Sono stati utilizzati due diversi modelli di volatile, poiché richiesti dalle normative per dimostrare le doti di crashworthiness della pala sia in modalità aeroplano che VTOL. Le condizioni d’impatto simulate includono gli effetti inerziali della rotazione del rotore. I risultati ottenuti dimostrano che non ci si aspetta alcun fallimento catastrofico della struttura.