Valutazione del danno balistico su componenti elicotteristici

In this work, the entire chain of events of a ballistic impact between a N.A.T.O. 7.62 soft core (lead antimony alloy) bullet and the tail rotor shaft of an helicopter was performed by experimental tests and numerical simulation. Specifically the simulation covers the phenomena from the initial approaching of the impacting object (direction, rotation and linear speed are defined), going through the simulation (with numerical approach) and reproduction of the damage, and, finally, the verification of the residual performance of the damaged component under the nominal or safe work conditions. Moreover, a complete campaign of experimental tests, relative to all the phases, was carried on. Experimental activity, however limited for the complexity of the activity, allows to validate numerical methodology that can be used in further activities to asses other similar components, reducing or avoiding the experimental tests. Considering the final aim to develop a numerical methodology the most of the efforts of the present work has been devoted in the numerical and analytical models and the thesis itself is more focused on numerical procedure. The simulation process consists of a first phase, in which the most important parameters, involved in the pre impact phase, that is called external phase, are identified. These parameters are: the offset of the projectile respect to the target, the impact angle and eventually the yaw, the rotation speed and so on. After the identification of the initial conditions, the impact FE analysis (ABAQUS Explicit) is set up, and other parameters, regarding the material behavior, contact type, load applied, mesh and element type are suggested. This part is the most critical, because, being the impact a catastrophic process, the results can vary a lot as a consequence of small changes in some parameters. A sensibility analysis, regarding all the variables involved, was done in order to best control the results of each simulation. The material parameters, such as Johnson-Cool law and fracture locus ones, where obtained both from experimental tests, for the shaft, and mainly in literature for the projectile. The FE explicit process ends with the numerical reproduction of the damage under the chosen conditions and the result was compared with a series of experimental data in order to optimize the final damage shape. One of the problems encountered, regarding the use of the damaged model in subsequent analysis, for example residual strength or residual life analysis, is that some elements are, after the impact simulation, highly distorted. Other elements are instead completely detached from the main body, along with projectile parts, which are still present. Before the model can be used for other purposes, (Standard analysis required for residual life verification), some cleaning up procedure was done. After the cleaning phase, the residual life of the damaged component is verified using standard fracture mechanics approach, assisted by FE models. In this case, a virtual crack is generated on the model from the most critical point, located around the damaged zone, and a full propagation behavior is simulated. Crack length and the related SIFs (stress intensity factors) are used with the NASGRO law to predict the crack propagation speed and the residual life (in terms of cycles) of the component. Material fatigue parameters (for the ALLOY 6061-T6) were obtained with a previous specific experimental campaign. At the end of this work, a methodology, related to the impact simulation between a projectile and a mechanical component, as in this case, the tail rotor shaft of a helicopter, and related to the subsequent residual life assessment of the damage component can be obtained. By side experimental test have been carried on and the data discussed on the light of the numerical modeling results.

In questo lavoro , è stata simulata l'intera catena di eventi che caratterizzano l’ impatto balistico tra una proiettile NATO 7.62 soft core ( lega di piombo-antimonio ) e l'albero rotore di coda di un elicottero, utilizzando un approccio numerico, coadiuvato da una serie di prove sperimentali. Nello specifico, la simulazione copre tutti le fasi essenziali del felomeno: l’avvicinamento, dove vengono definite le condizioni iniziali della simulazione ( direzione , rotazione e velocità lineare del proiettile) , la simulazione dell’impatto ( con approccio numerico), attraverso la quale viene simulato il danneggiamento, ed infine la verifica delle prestazioni residue del componente danneggiato. Il processo di simulazione consiste in una prima fase, nella quale i parametri più importanti coinvolti nella fase di pre impatto vengono identificati e ne viene determinata l’effetiva influenza che questi hanno nelle successive dasi di simulazioni. Questi parametri sono : l'offset del proiettile rispetto al bersaglio, l' angolo di incidenza ed di imbardata , la velocità di rotazione e ecc. Dopo l'identificazione delle condizioni iniziali , viene simulato l'impatto tramite analisi esplicita FE (ABAQUS Explicit) nella quale entrano in gioco una seria di altri parametei relativi per esempio al comportamento dei materiali, al tipo di contatto utilizzato, al carico applicato, al tipo di elementi utilizzati. Questa parte è la più critica, perché, essendo l'impatto di un processo fortemente non lineare, i risultati possono variare molto, come conseguenza di piccole variazioni di alcune grandezze. Un'analisi di sensitività, per quanto riguarda tutte le variabili in gioco, ha permesso di controllare meglio i risultati di ogni simulazione. I parametri dei materiali, come le leggi di Johnson-Cook e la ‘fracture locus’, sono state ottenuti sia da prove sperimentali, per l'albero , che in letteratura, per il proiettile . Il processo esplicito FE termina con la riproduzione numerica del danno: il risultato è stato confrontato e validato con una i risultati delle prove sperimentali. La vita residua del componente danneggiato è stata successivamente verificata utilizzando un approccio standard di meccanica della frattura, assistito da modelli FE . Operativamente parlando, viene generata una cricca virtuale sul modello nel punto più critico ed è stata effettuata una completa simulazione di propagazione.Tramite la legge di NASGRO si è potuto prevedere la velocità di propagazione della cricca e la vita residua ( in termini di cicli ) del componente. Anche in questo caso, una campagna di prove sperimentali è stata utilizzata come verifica delle simulazioni FE. I parametri di fatica del materiale ( per la lega 6061 - T6) sono stati ottenuti a seguito di una campagna sperimentale specifica effettuata precedentemente .