Multibody turbofan engine model for fan blade-out event simulation

Fan Blade Out (FBO) from the turbofan engine is a critical failure that can lead to major damages to the aircraft structure. That is the reason why the dynamic analysis of the aero-engine rotor system is one essential safety requirement of the authorities. The blade breaking of not only introduce sudden unbalance in the rotor, but also causes large impact and rubbing loads between rotor and stator, and gyroscopic e ects. The simulation of such a complex phenomenon usually requires large FE models. This involves high computational cost and a detailed description of the whole engine. This thesis work aims to studying the dynamic responses of the enginepylon ensemble when FBO event occurs using a Multibody model. This formulation has the capability to include simpli ed forms of the main physical mechanisms involved while limiting degrees' of freedom number. The general purpose Multibody Dynamics software (MBDyn) used in this study permits both the implementation of various non-linear mechanisms, such as the gearbox or hinges with rotational limits, and the integration of flexible elements reduced from detailed FE models. This model can be useful to extract a preliminary evaluation of the loads, even if limited information is available as in case of early design. Sensitivity analysis on structural dynamic behavior is also possible due to the parametric nature of the model. Results about an example case are presented, focusing on the e ects of the various model components on the global dynamics. In particular displacement of notable points and reaction forces magnitude and frequency content are analyzed.

Il Fan Blade Out (FBO) è un danno tipico di motori turbofan, particolarmente critico per la struttura del velivolo. Esso consiste nella rottura di una paletta del fan, che causa un instantaneo sbilanciamento nel rotore, oltre che grandi carichi di impatto e sfregamento tra rotore e statore. L'analisi dinamica del sistema del rotore durante questo tipo di incidente è quindi uno dei requisiti da normativa. La simulazione di un fenomeno così complesso richiede solitamente un dettagliato modello FE dall'alto costo computazionale che descriva il sistema motore nel suo complesso. Lo scopo della tesi è lo studio della risposta dinamica dell'insieme motore-pilone in presenza di un evento FBO usando un modello multicorpo. Questo tipo di analisi può includere forme semplificate dei maggiori meccanismi fisici coinvolti, limitando il numero di gradi di libertà. Il software Multibody Dynamics (MBDyn) utilizzato durante questo progetto permette l'implementazione di vari meccanismi non lineari, come gearbox e cerniere con limiti rotazionali, e l'integrazione di elementi flessibili, ridotti a partire da modelli FE molto dettagliati. Questo modello può essere utile in fase di progetto preliminare per una valutazione dei carichi, considerando le poche informazioni a disposizione. La natura parametrica del modello permette di effettuare analisi di sensitività sulla dinamica strutturale. Sono presentati i risultati di un caso esemplificativo, concentrandosi sugli effetti dei vari componenti del modello sulla dinamica globale. In particolare vengono studiati il valore di picco e il contenuto in frequenza dello spostamento di alcuni punti notevoli e delle rezioni vincolari.