Caratterizzazione sperimentale e numerica del cedimento di giunzioni rivettate sottoposte a carichi di impatto

In the general aviation, accidents are the most frequent that involving small planes and helicopters. The consequences of the impact on the ground of a helicopter in emergency landing can be tragic. Flight safety and in particular the crashworthiness in the event of impact with the ground is one of the most important topic of research in the aeronautical field. The lower part of the fuselage of airplanes and helicopters, known as subflooring, is designed to satisfy the stringent criteria of crash certification. The behavior during the impact of these structures is strongly influenced by the failure of the rivets that are widely used for joining the components of the airframe: skin panels, stringers, frames and ribs. The pressure towards a reduction of the product development times lads to a is increasingly use of numerical modeling with finite element analysis as a way to analyse the state of stress in the structures under various load conditions (static and dynamic) and to improve the design before the experimental phase and certifications. The present thesis deals with the problem of the characterization of the failure of riveted joints subjected to impact loads. The problem was addressed performing experimental tests and numerical simulations in parallel. Up to few years ago the riveted joints were not included in the finite element models used to study crash events because of the high computational resource required to model them. In fact, dedicated elements were not available. Therefore, an hypothesis was generally made that contribution of the rivets to the dynamics of the event was less relevant than other aspects such as contacts, plasticity and failure of the materials. This hypothesis is generally sustained by experimental evidence. Nevertheless in a number of case, it is impossible to capture the actual dynamics of the crash without an accurate model of the riveted joints. The starting point of this thesis was to analyze the state of stress and mechanisms of failure of a rivet and characterization of the material they are made through specific experimental tests and numerical simulations. Simulations were carried out to prepare the test and then the data obtained from the tests were used to validate the numerical model. A good numerical- XVI experimental correlation was obtained that proved the reliability of the approached adopted to analyse the problem. Experimental tests to characterize the failure of the riveted joint were performed. With regard to the part number, have been developed simplified models and models in detail the joint. In view of the scopes of the work, the results are deemed satisfactory. Not only because a good correlation between experimental tests and numerical simulation was obtained, but also the study led to results that may support further researches aiming at the development of the riveted joint modeling and crash analysis. This provides for a sensible reduction of the working time that if fundamental to create a complex structural model.

In campo aeronautico gli incidenti più frequenti sono quelli che coinvolgono piccoli aerei e elicotteri. Le conseguenze dell’impatto al suolo di un elicottero in atterraggio di emergenza possono essere tragiche. La sicurezza del volo e in particolare la resistenza agli urti in caso di impatto con il suolo è uno dei temi più importanti della ricerca in campo aeronautico. La parte inferiore della fusoliera di aerei ed elicotteri, nota come sottopavimento, viene progettata per soddisfare i severi criteri di certificazione a crash. Il comportamento durante l'impatto di queste strutture è fortemente influenzato dal cedimento dei rivetti che vengono ampiamente usati per giuntare i componenti dell’aero: pannelli di rivestimento, longheroni, centine e ordinate. Una sempre maggiore pressione per ridurre i tempi di realizzazione del prodotto, ha portato ad un aumento dell’uso della modellazione numerica con analisi agli elementi finiti come un modo per analizzare lo stato di sforzo nelle strutture in varie condizioni di carico (statico e dinamico) e per migliorare la progettazione prima della fase sperimentale e delle certificazioni. Il presente lavoro di tesi tratta il problema della caratterizzazione del cedimento di chiodature sottoposto a carichi di impatto. L’argomento è stato affrontato conducendo in parallelo prove sperimentali e simulazioni numeriche. Fino ad alcuni anni fa le chiodature non venivano incluse nei modelli ad elementi finiti utilizzati per studiare fenomeni di crash a causa delle alte risorse computazionali richieste dal modello in esame. Infatti non erano ancora disponibili elementi specifici per la modellazione. Pertanto, le chiodature non venivano modellate esplicitamente in quanto il loro contributo all’assorbimento dell’energia era considerato trascurabile rispetto ad altri aspetti quali la plasticità, contatti e rotture dei materiali. Questa ipotesi è generalmente sostenuta da evidenze sperimentali. Tuttavia in un certo numero di casi, è impossibile cogliere la reale dinamica dello schianto senza un modello accurato delle chiodature. Il punto di partenza di questa tesi è stato quello di analizzare lo stato di sforzo e i meccanismi di cedimento di un rivetto e la caratterizzazione del materiale con cui sono realizzati attraverso specifiche prove sperimentali e simulazioni numeriche. Le simulazioni sono state effettuate per allestire la prova e quindi i dati ottenuti XIV dalle prove sono stati utilizzati per validare il modello numerico. È stata ottenuta una buona correlazione numerico-sperimentale che ha dimostrato l'affidabilità dell’approccio adottato per analizzare il problema. Prove sperimentali sono state svolte per caratterizzare il cedimento della giunzione. Per quanto riguarda la parte numeriche, sono stati sviluppati modelli semplificati e modelli in dettaglio della giunzione. Alla luce degli obiettivi fissati inizialmente, i risultati ottenuti sono complessivamente pienamente soddisfacenti. Non solo perché si è ottenuta una buona correlazione numerico sperimentale del fenomeno, ma anche perché lo studio avviato ha portato a dei risultati che potranno essere di grande aiuto per ulteriori sviluppi della modellazione di giunzioni rivettate. Queste porteranno a delle semplificazioni in termini di tempo di lavoro non indifferenti nel momento in cui si voglia creare un modello strutturale complesso.