Bird strike : experimental and finite element analysis of the surrogate bird and target structure

The birdstrike is a very big issue in aviation and, since it can also be very dangerous for the flight safety, it has been studied since the early decades of the 20th century and, starting from the Seventies, several approaches to the phenomenon have been developed by Willbeck and Barber. In fact, according to the Hydrodynamic Theory, the bird is modelled as a soft body, in particular a body that behaves like a fluid subjected to high impact speed. The aim of this Thesis is born with the idea of analyzing and reproducing the birdstrike phenomenon using a surrogate bird, made of PERMAGEL, that impacts on a rigid flat plate after being accelerated through a compressed air cannon, present inside the Crash Laboratory (La.S.t) at Politecnico di Milano. In the current Thesis work, the experimental tests have been followed by several numerical simulations, the purpose of which was to reproduce both the entire target structure and the surrogate bird, as described in Chapter 4. The experimental signals, obtained from three load cells fastened to the target plate, have been compared in Chapter 5 with the impact forces extracted from the finite element simulations performed at different speeds and configurations of the surrogate bird. Furthermore, a numerical study of the surrogate bird, in terms of number of particles and geometry, has been carried out, in order to evaluate which configuration gives the best correlation with the experimental result. Finally, the project of a new protective structure for the test room has been proposed and described in Appendix A.

Il birdstrike è un tema molto importante nel campo dell’aviazione dal momento che si tratta di un fenomeno anche disastroso per la sicurezza del volo. E’ stato studiato fin dai primi decenni del 1900 e, a partire dagli anni Settanta, diversi approcci al fenomeno sono stati sviluppati dagli studiosi Willbeck e Barber. Secondo la Teoria Idrodinamica, infatti, il volatile è considerato un soft body, quindi un corpo che si comporta come un fluido se sottoposto ad alta velocità d’impatto. Lo scopo di questa Tesi nasce con l’idea di analizzare e riprodurre il fenomeno birdstrike, utilizzando un volatile surrogato, in PERMAGEL, che impatta su una lastra piana rigida. Il volatile surrogato viene accelerato tramite il cannone ad aria compressa che è presente all’interno del Laboratorio di Sicurezza dei Trasporti al Politecnico di Milano. In questo lavoro di Tesi, le prove sperimentali sono state affiancate da diverse simulazioni numeriche, il cui scopo era quello di riprodurre sia l’intera strutturatarget che il volatile surrogato, come descritto nel Capitolo 4. I segnali sperimentali, ottenuti da tre celle di carico collegate alla piastra bersaglio, sono stati confrontati nel Capitolo 5 con le forze di impatto estratte dalle simulazioni agli elementi finiti eseguite a diverse velocità e configurazioni del surrogato. Inoltre, è stato effettuato uno studio numerico del volatile surrogato, in termini di numero di particelle e geometria dello stesso, al fine di valutare quale tra le le configurazioni esaminate fornisca la migliore correlazione con il risultato sperimentale. Infine, il progetto di una nuova struttura protettiva per la stanza in cui si esegue la prova è stato proposto e descritto in Appendice A.