Reduced-model strategy for the reconstruction of a coupled helicopter subfloor behaviour in water impact using the S-ALE method

This thesis develops and extends a broader research activity on rotorcraft ditching carried out at the LaST Laboratory of Transport Safety of Politecnico di Milano. It builds upon a previous research phase in which both numerical and experimental simulations of single flat and inclined panels impacting water were performed and validated. That preliminary activity provided the modelling assumptions, numerical settings and validation basis to investigate more representative structural configurations under water impact. Starting from this foundation, the present work considers a 15° - 0° - 15° fixture with attached panels, conceived as a simplified subfloor-like structural configuration. The aim is to move from isolated components to a reference model capable of representing load redistribution, structural interaction and geometric continuity effects that were absent in the single-panel campaign. The coupled model is analyzed through the ALE-based LS-DYNA formulation hence allowing the transient interaction between deformable structure and surrounding fluid to be captured consistently. Another aspect that was investigated was the ability of the single panel models to reproduce the dominant behaviour of the coupled structure, with the aim of obtaining representative results with lower computational cost. The comparison highlighted a branch-dependent mismatch and given this, a progressive correction strategy is introduced. First a mass normalization is used to restore initial consistency, while fixture appendices are adopted to recover part of the structural continuity of the coupled configuration. The comparative analysis is carried out through reaction forces, rigid-body accelerations, pressure histories and structural quantities. The results show that the effectiveness of the corrections depends on both the branch and the response quantity considered. In the final reconstruction stage, the same reduced-model combination is identified as the most representative one by both the resultant reaction force and the rigid body acceleration of the fixture, namely the 0° simple model combined with the 15° appended model. The thesis shows that reduced models can reproduce the dominant global behaviour of the coupled structure when physically consistent comparison quantities are adopted, while local response details remain more sensitive to the full coupled interaction.

Questa tesi sviluppa ed estende una attività di ricerca sull’ammaraggio riguardante, in maniera specifica, gli elicotteri e condotta presso il LaST, Laboratorio di Sicurezza dei Trasporti del Politecnico di Milano. Il lavoro si basa su una precedente fase di ricerca in cui sono state eseguite e convalidate simulazioni di carattere numerico-sperimentale che hanno coinvolto l’impatto in acqua di singoli pannelli a diverse inclinazioni. Tale attività ha fornito le basi per lo sviluppo delle ipotesi di modellazione, le impostazioni numeriche e la base di validazione allo scopo di indagare configurazioni strutturali più rappresentative, soggette ad impatto su acqua. Partendo da questi presupposti, il presente lavoro considera una struttura di supporto caratterizzata da tre segmenti 15° - 0° - 15° alla quale vengono fissati dei pannelli. Questa, viene concepita come una configurazione strutturale semplificata ed assimilabile ad un sottopavimento. L’obiettivo è quello di passare dalla simulazione di componenti isolati ad un modello più articolato e capace di rappresentare la redistribuzione dei carichi, l’interazione strutturale e gli effetti di continuità geometrica che erano assenti nella campagna di prove su singolo pannello. Il modello accoppiato è sviluppato attraverso la formulazione ALE in LS-DYNA, permettendo quindi di catturare in maniera coerente l’interazione transitoria tra la struttura e il dominio fluido circostante. Un altro aspetto valutato è stata la capacità dei singoli modelli di riprodurre il comportamento della struttura accoppiata, con l’obiettivo di ottenere dei risultati rappresentativi a costo computazionale inferiore. Il confronto ha evidenziato una discrepanza legata al ramo analizzato e alla luce di ciò, viene introdotta una strategia di correzione progressiva. In primo luogo, viene utilizzata una normalizzazione in termini di massa della struttura allo scopo di ripristinare una coerenza iniziale e successivamente, vengono introdotte delle appendici intese come estensioni della struttura di supporto, per recuperare parte della continuità strutturale della configurazione accoppiata. L’analisi comparativa è condotta attraverso le forze di reazione, accelerazioni, pressioni, sforzi e deformazioni plastiche. I risultati mostrano come l’efficacia delle correzioni dipende sia dal ramo preso in considerazione che dalla grandezza considerata. Nella fase finale di ricostruzione del modello, la medesima combinazione di modelli ridotti viene identificata come la più rappresentativa, ovvero il modello semplice a 0° combinato al modello con appendice a 15°.