Ballistic tolerance analysis of a helicopter tail rotor drive shaft

For military rotorcraft, designed for low altitude profile mission in hostile environment, is fundamental to evaluate the damage of high critical components affected by ballistic impact. Actually numerical approach allows simulating a very complex scenario involving impact phenomena. Experimental tests, however, still play a primary role. An experimental-numerical investigation of the ballistic impact of 12.7 x 99 mm NATO 42.2 g AP type projectiles perforating a 6061-T6 shaft is presented in this thesis. The shaft simulates actual components of a helicopter tail rotor power transmission. Several tests have been carried out to reproduce the most critical damage of the component. Test equipment includes a dedicated shaft support frame that allows the specimen positioning in order to set the worst operational conditions. Impact and residual velocities of the projectile, shape and dimensions of the damage and residual stresses on the components have been measured. Numerical models of the impact have been developed with the commercial Finite Element code ABAQUS/Explicit. The Johnson-Cook (JC) constitutive model and the Bao-Wierzbicki (BW) ductile fracture criterion have been used for the analysis. The projectile jacket is modeled both as a deformable, and as rigid, body. Numerical models are in good agreement with the experimental results. Fatigue test with torsional spectrum load have been applied to the damaged shaft in order to assess whether it can accomplish a typical mission, thus giving compliance to the requirement of this activity. Lastly a brief assessment of the buckling limit for an impacted shaft has been conducted.

Nella progettazione di un elicottero militare, destinato a operare a bassa quota e in ambiente ostile, il danneggiamento di componenti critici, in seguito a un impatto balistico, riveste un ruolo primario nella valutazione delle possibilità di sopravvivenza dell’intera macchina. Un approccio numerico permette la simulazione di uno scenario molto complesso che coinvolge i fenomeni d’impatto. Tuttavia le prove sperimentali rivestono ancora un ruolo primario. In questa tesi è presentata un'indagine sperimentale e numerica dell'impatto balistico di un proiettile 12.7 x 99 mm NATO da 42.2 g di tipo AP che impatta un albero in lega di alluminio 6061-T6. L'albero simula i componenti effettivi della trasmissione della linea rotore di coda dell’elicottero. Diversi test sono stati eseguiti per riprodurre il danno più critico per l’albero in esame. Per i test sperimentali è stato usato un telaio di supporto per l’albero con la funzione di posizionare e fissare il provino durante l’esecuzione della prova nelle peggiori condizioni operative. Sono state misurate le velocità all’impatto e residua del proiettile, la forma e le dimensioni del danno e le tensioni residue sui componenti. I modelli numerici d’impatto sono stati sviluppati agli elementi finiti tramite il software ABAQUS/Explicit. Per le analisi sono stati utilizzati il modello costitutivo di Johnson-Cook (JC) e il criterio di frattura proposto da Bao-Wierzbicki (BW). La camicia del proiettile è stata modellata sia come corpo deformabile sia come corpo rigido. I modelli numerici si sono rivelati coerenti con i risultati sperimentali. Infine un carico torsionale a spettro è stato applicato all’albero danneggiato al fine di valutare il requisito balistico del componente: portare a termine una tipica missione. Infine è stato condotto un breve studio sul limite d'instabilità torsionale per un albero danneggiato.