Numerical simulations and experimental tests of aluminium panels in water impact scenario using the ALE method

Ditching, the emergency landing on water, is crucial for aircraft certification, especially for helicopters which often operate in adverse conditions. Traditionally, tests are conducted only in the final stages of development, but the integration of numerical simulations in the early design phases is essential. This thesis is part of a larger project aimed at creating a support tool for ditching analysis from the initial stages of design, based on FEM simulations of aeronautical panels validated with experimental tests, to develop a multibody model capable of covering various water impact scenarios. The thesis focuses on simulations and tests of water impacts on aluminium panels, at angles of 0°, 15°, and 30°, using the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method in LS-DYNA to simulate fluid-structure interaction (FSI). The fluid domain extension was examined and, through sensitivity analysis, the best combination of accuracy and computational cost was found. Special attention was given to the fluid-structure contact algorithm and the parameters that influence it, focusing on contact stiffness with constant and linear penalty factors (pfac). The pfac showed a significant impact on the intensity of contact forces and the structural response of the panel. Acceleration, measured in experimental tests at Politecnico di Milano, is the main parameter. The tests, conducted under different conditions (angles, masses, velocities, thicknesses), showed good numerical-experimental correlation for inclined impacts. However, for impacts at 0°, the model stiffness with constant pfac resulted in acceleration peaks not correlated with experimental data, requiring a reduction of the linear pfac slope. This condition is challenging to manage numerically due to the instantaneous impact on a portion of fluid, making the numerical model less reliable. For inclined impacts, the gradual interaction allowed good results thanks to the non-instantaneous management of contact forces. Models for inclined impacts provide reliable results and can be used for further analysis.

Il ditching, l’atterraggio d’emergenza su acqua, è cruciale per la certificazione dei velivoli aeronautici, specialmente per elicotteri che operano in condizioni sfavorevoli. Tradizionalmente, i test vengono eseguiti solo nella fase finale dello sviluppo, ma l’integrazione delle simulazioni numeriche già nelle prime fasi progettuali è essenziale. Questa tesi si inserisce in un progetto più ampio volto a creare un programma di supporto per l’analisi del ditching fin dalle prime fasi di progetto, basato su simulazioni FEM di pannelli aeronautici, validate con test sperimentali, per sviluppare un modello multicorpo capace di coprire vari scenari di impatto con l’acqua. La tesi si focalizza su simulazioni e test di impatti su acqua di pannelli d’alluminio, con angoli di 0°, 15° e 30°, utilizzando il metodo Arbitrario Lagrangiano-Euleriano (ALE) in LS-DYNA per simulare l’interazione fluido-struttura (FSI). Si è esaminata l’estensione del dominio fluido e, tramite analisi di sensibilità, la migliore combinazione tra precisione e costi computazionali. Particolare attenzione è stata posta sull’algoritmo di contatto fluido-struttura e sui parametri che lo influenzano, con focus sulla rigidezza del contatto penalty, variata con pfac costanti e curve lineari. Il pfac ha mostrato un impatto significativo sull’intensità delle forze di contatto e sulla risposta strutturale del pannello. L’accelerazione, misurata in test sperimentali al Politecnico di Milano, è il parametro principale. I test, con diverse condizioni (angoli, masse, velocità, spessori), hanno mostrato una buona correlazione numerico-sperimentale per impatti inclinati. Tuttavia, per impatti a 0°, la rigidità del modello con pfac costante ha prodotto picchi di accelerazione non correlati ai dati sperimentali, richiedendo una riduzione della pendenza del pfac lineare. Questa condizione è difficile da gestire numericamente a causa dell’impatto istantaneo su una porzione di fluido, rendendo meno affidabile il modello numerico. Per gli impatti inclinati, l’interazione graduale ha consentito di ottenere buoni risultati grazie alla gestione non istantanea delle forze di contatto. I modelli per impatti inclinati forniscono risultati affidabili e possono essere usati per ulteriori analisi.