Investigation of mechanical behavior of materials finalized to improve numerical analyses of damage on aircraft structures

Nowadays, finite elements analyses are a very popular tool among engineers because of the availability of many user-friendly commercial software and the increment of PC performances even for reasonable low price hardware. Every FE simulation, however, is always based on data regarding material modelling, but often, especially due to time concerning issues, designers tend to focus on results, missing the importance of a proper material calibration. The main goals of the present thesis are to highlight the importance of the correct evaluation of the material behavior, and besides, to develop a rigorous procedure to numerically reproduce complex phenomena. This work describes all the stages concerning the construction of numerical models of low and high velocity impacts, starting from the base calibration of the material, up to the final description of the damage due to the collision. In detail, the thesis is divided into two parts. The first one regards the development of FE models aimed at the reproduction of low velocity impacts on sandwich panels having a Nomex honeycomb core and thin Al2024-T3 aluminium alloy skins. The second part deals with the material calibration of the Al6061-T6 aluminium alloy and its validation by means of the reproduction of a ballistic impact on a shaft representing one section of a helicopter tail transmission. The same virtual test methodology framework characterizes both thesis parts. Indeed, all the experimental tests aimed at the calibration of the material mechanical behavior have been properly reproduced by means of FE models. Subsequently, the material calibration has been validated comparing experimental and numerical results for different scenarios having an increasing complexity up to the final ballistic (on shaft) or low velocity (on sandwich) impact validation. In the first part of the thesis, sandwich panels have been studied starting from flatwise compressive test and developing a micromechanical FE model. Then, the same model and material calibration, has been adopted firstly to simulate a three point bending test and afterward to reproduce low velocity impacts. Finally, the residual strength of impacted panels have been addressed by means of compression after impact (CAI) test. In the second part of the thesis, the mechanical behavior of the Al6061-T6 aluminium alloy has been completely described carrying out a comprehensive experimental program based on uni and multi-axial test on round specimen. The numerical reproduction of each test has led to the calibration of two different phenomenological ductile damage criteria: the Bao-Wierzbicki and the Modified Mohr-Coulomb. As for the sandwich panels, the accuracy of the material calibration has been addressed comparing experimental and numerical results based on tests with an increasing complexity. The first validation has been performed studying a tensile test of a dogbone specimen. Then, the accuracy of the material model has been tested by means of a tensile test on a specimen cut directly from a thin-walled tube (the same adopted for the ballistic test) and besides, also for the simulation of a fracture toughness test on a CT specimen. Finally, the ballistic impact of an ogival bullet against a shaft representing a section of a helicopter tail rotor transmission has been simulated and the damage shape has been compared with experimental relieves.

Oggigiorno, le analisi agli elementi finiti sono diventate uno strumento molto utilizzato tra gli ingegneri grazie alla disponibilità di molti software commerciali user-friendly e all’aumento delle performance ottenibili anche da PC costruiti con hardware dal prezzo relativamente contenuto. Ogni simulazione FE è sempre basata su dati riguardanti la modellazione del materiale, ma spesso per ragioni di tempo, i progettisti tendono a focalizzarsi sui soli risultati finali, trascurando l’importanza di una corretta calibrazione del materiale. I principali obiettivi della tesi consistono dunque nell’evidenziare l’importanza di una corretta descrizione del comportamento meccanico dei materiali e inoltre lo sviluppo di una procedura rigorosa per la costruzione di modelli numerici di fenomeni complessi. La tesi descrive infatti tutte le fasi riguardanti la costruzione di modelli numerici atti a simulare impatti a bassa e alta velocità, a partire dalla calibrazione fino alla descrizione vera e propria del danneggiamento dovuto alla collisione. Il lavoro proposto è diviso in due parti. La prima riguarda lo sviluppo di modelli FE mirati alla riproduzione di impatti a bassa velocità su pannelli sandwich aventi un cuore a nido d’ape in Nomex e pelli sottili in alluminio Al2024-T3. La seconda parte della tesi riguarda invece la calibrazione di una lega di alluminio Al6061-T6 e la sua validazione per mezzo della riproduzione di un impatto balistico su uno spezzone dell’albero di trasmissione del rotore di coda di un elicottero. Il medesimo approccio metodologico caratterizza entrambe le parti della tesi. Sostanzialmente tutti i test sperimentali utilizzati per la calibrazione sono stati riprodotti numericamente con opportuni modelli FE. Successivamente la calibrazione del materiale è stata verificata comparando i risultati sperimentali e numerici per problemi aventi una complessità via via crescente fino a raggiungere i casi di impatti a bassa velocità (pannelli sandwich) e dell’impatto balistico (albero). Per quanto riguarda i pannelli sandwich, essi sono stati studiati a partire da prove di compressione flatwise e dalla realizzazione di modelli micromeccanici rappresentativi della prova. I medesimi modelli numerici sono stati poi utilizzati per simulare una prova di flessione a tre punti e successivamente impatti a bassa velocità. Per concludere la trattazione, la resistenza residua dei pannelli stata valutata per mezzo di test di compressione post impatto (CAI). Similmente, anche la lega di alluminio Al6061-T6 è stata completamente caratterizzata a partire dai dati di una campagna sperimentale basata su prove mono e multi assiali su provini di sezione circolare. Mediante la simulazione numerica di ciascuna prova stato possibile definire due differenti criteri fenomenologici di danneggiamento duttile: Bao-Wierzbicki e Modified Mohr-Coulomb. Analogamente a quanto eseguito per i pannelli sandwich, anche la bontà della caratterizzazione meccanica della lega di alluminio è stata eseguita comparando risultati numerici e sperimentali di problemi aventi complessità via via crescente. La prima validazione è stata eseguita investigando una prova di trazione su di un provino di tipo dogbone, poi si è passati allo studio di una prova di trazione su di un provino ottenuto direttamente dalla parete di un tubo (lo stesso utilizzato per i test balistici) e successivamente si è studiata una prova di tenacità alla frattura su di un provino CT. La verifica finale è stata eseguita simulando l’impatto balistico di un proiettile ogivale contro un albero rappresentativo di uno spezzone della trasmissione del rotore di coda di un elicottero, e confrontando i risultati numerici con quelli sperimentali.