Нумеричко моделовање ударних оштећења ваздухопловних структура

Abstract

У току експлоатације ваздухоплова могу се јавити и ударна оштећења структуралних елемената насталихударом страног тела и изазвати озбиљна оштећења.Дисертацијом су обухваћене савремене методе моделирања ударних оштећења које се базирају на комбинованој примени метода развијених теоријским, експерименталним и нумеричким средствима.Нумеричкимметодама су анализирани различити типови удара. Дефинисани нумерички модели су примењени за анализу нормалних и косих удара пројектила различитих облика врхова о челичне, алуминијумске и сендвич структуре за широки интервал брзина удара. За извршене анализе коришћене су различите дебљине препрека (Weldox челична плоча од 6 до 20 mm, aлуминијумска од 10 до 25 mm). Комбиновањем нумеричке анализе, теоријских резултата и експерименталних испитивања остварен је шири увид у процесе који сe дешавају при ударним оштећењима на различитим структурама ваздухоплова. Представљена метода за симулацију балистичког утицаја на керамичко-металне препреке, пружа могућности за брз прорачун балистичких граничних брзинаизлазних брзина, те се показала као користан алат за пројектовање керамичко-металне сендвич структуре. У току истраживања примењене су нумеричке методе засноване на методи коначних елемената (МКЕ) и методи која се заснива на спрези методе хидродинамике глатких честица и методе коначних елемената (СФМ). Обе методе могу да предвиде одговарајуће облике лома, природне брзине пројектила и балистичке граничне брзине у поређењу са онима запаженим у претходно објављеним анализама за случајеве удара различитих облика врхова пројектила, при чему постоје границе примене једне и друге методе. Спроведена су експериментална испитивања ради утврђивање узрока оштећења (прелома) звездастог сепаратора виталног дела структуре двоцевног ваздухопловног топа, који се догодио у току дејства. За добијање резултата коришћене је метода коначних елемената (МКЕ), нумеричке анализе, мерење тврдоће, мерење енергије удара, хемијска анализа и фрактографска испитивања.

During the aircraft exploitation serious damage may appear as a consequence of a foreign body impact. In this dissertation modern methods for modeling of impact, based on the combined use of methods developed by theoretical, experimental and numerical means are researched. Different types of impacts are numerically analyzed. The defined numerical models are applied in analysis of normal and oblique impacts of steel, aluminium and sandwich structures by projectiles with different nose shapes and for a wide impact velocity interval. In the analysis different barrier thickness is used (Weldox steel plate from 6 to 20 mm, aluminium plate from 10 to 25 mm). Combining the numerical analysis, theoretical results and experimental investigations a wider insight in the impact damage processes of different aircraftstructures is achieved. The presented method for simulation of the ballistic influence on ceramic/metal barriers provides the possibility for fast computation of the ballistic limitand residual velocities and therefore proved to be a useful tool for design of ceramic/metal sandwich structures. During the research numerical methods based on the finite element method (FEM) and the coupling of FEM and the smoothed particle hydrodynamics method (SPH) have been used. Both methods can predict the fracture shapes, residual velocities and ballistic limits in comparison with results observed in previously published analysis for cases of impacts with different projectile nose shapes, wherein there are limitations of the use of one or the other method. Experimental investigations are conducted in order to determine the cause of damage(fracture) of a star separator, vital part a double pipe aerial cannon, which happened during the cannon operation. For obtaining the results finite element method (FEM), hardness measurements, impact energy measurements, chemical analysis and fractografic investigations are used.