Numerical modelling strategies of fluid-structure interaction for aircraft ditching

Ditching of an aircraft or a helicopter is a crucial aspect to consider in aircraft design. Certification authorities require the aircraft to withstand ditching under certain impact conditions to ensure a high level of safety. Nowadays, the study of this phenomenon is typically carried out experimentally during the last stages of the project, when the characteristics of the aircraft are already defined. This entails considerable costs, both for experimental tests and for a hypothetical change during the final phase of the project. For this reason, research into new methodologies aimed to numerically simulate the ditching phenomenon, guaranteeing a level of accuracy close to that of experimental tests, is of fundamental importance. The aim of this thesis is to develop two different numerical methodologies for modelling the fluid-structure interaction which characterises the ditching phenomenon, with the intention of providing indications, from the earliest stages of the project, of the aircraft’s behaviour under ditching conditions. The first part of the thesis consists in the development and validation of the two methodologies applied to the water impact of a simple geometry (V-shaped wedge with an angle of 30◦), already extensively studied in literature. The two approaches exploit two totally different solvers, the ANSYS Fluent fluid dynamics solver and the LSTC LS-DYNA structural solver. The results of these will be compared with the experimental results, showing a great correlation both between the two methods and with the experimental data. Once the methodologies have been validated and their limitations have been determined, the second phase, i.e. the application phase, begins. This is based on the analysis of a square panel, representing the bottom panel of a helicopter fuselage, whose geometrical and structural characteristics have been provided by Leonardo Company - Helicopters Division. Both methodologies are applied for the characterization of the rigid panel, from which the difficulties in modelling the impact parallel to the water surface are observed and the causes are analyzed. The results obtained will be considered valid for both methods, but subsequently the ability of the structural methodology, using the LS-DYNA solver, to handle in the same way the impact on water of rigid and deformable structures (such as the real panels that make up the helicopter fuselage) will emerge, producing equally satisfactory results.

L’ammaraggio di un aereo o di un elicottero è un aspetto cruciale da considerare nella progettazione di un aeromobile. Gli enti certificativi richiedono che il velivolo resista all’ammaraggio sotto determinate condizioni di impatto, per garantire un elevato livello di sicurezza. Ad oggi, lo studio di questo fenomeno viene tipicamente eseguito sperimentalmente nelle fasi finali di progetto, quando le caratteristiche dell’aeromobile sono già definite. Questo comporta dei costi ingenti, sia per i test sperimentali, che per un ipotetico cambiamento nella fase conclusiva del progetto. Per questo motivo, è di fondamentale importanza la ricerca di nuove metodologie volte a simulare numericamente il fenomeno dell’ammaraggio, garantendo un livello di accuratezza che si avvicini a quello delle prove sperimentali. Questa tesi si pone l’obiettivo di sviluppare due metodologie numeriche differenti per la modellazione dell’interazione fluido-struttura che caratterizza il fenomeno dell’ammaraggio, con l’intenzione di fornire delle indicazioni, già dalle prime fasi del progetto, sul comportamento dell’aeromobile in condizioni di ammaraggio. La prima parte della tesi è costituita dalla fase di sviluppo e validazione delle due metodologie applicate all’impatto sull’acqua di una geometria semplice (cuneo con angolo di 30◦), già studiata ampiamente in letteratura. I due approcci sfruttano due solutori totalmente diversi, il solutore fluidodinamico ANSYS Fluent e il solutore strutturale LSTC LS-DYNA. I risultati di questi sono stati confrontati con i risultati sperimentali, mostrando una grande correlazione sia tra i due metodi, che rispetto i dati sperimentali. Una volta validate le metodologie, e determinate le loro limitazioni, inizia la seconda fase, ossia la fase applicativa. Quest’ultima si basa sullo studio di un pannello quadrato, che rappresenta il pannello del fondo di una fusoliera di un elicottero, le cui caratteristiche geometriche e strutturali sono state fornite da Leonardo Company - Divisione Elicotteri. Sono applicate entrambe le metodologie per la caratterizzazione del pannello rigido, dalla quale si osservano le difficoltà nel modellare l’impatto parallelo alla superficie dell’acqua e ne sono analizzate le cause. I risultati ottenuti saranno considerati validi per entrambi i metodi. Successivamente emergerà la capacità della metodologia strutturale, che sfrutta il solutore LS-DYNA, di analizzare, senza ulteriori modifiche nel metodo, l’impatto sull’acqua di strutture rigide e di strutture deformabili (come sono i veri pannelli che costituiscono la fusoliera dell’elicottero) producendo risultati altrettanto soddisfacenti.