Investigation of effects of bird strike on wing leading edge by using explicit finite element method

Abstract

Bu tezin amacı, kanat hücum kenarı kuş çarpması problem için tavsiye niteliğinde analiz yöntemi oluşturmaktır. Ayrıca, bal peteği yapısının kuş çarpması problemlerine karşı etkili bir güçlendirme yöntemi olduğunu göstermek, bu tezin bir diğer amacıdır. Çözücü olarak, Ls-Dyna çözücüsü kullanılmıştır. Basit bir model üzerinde, çözücüde bulunan farklı çözüm yöntemleri; SPH (Smoothed Particle Hyrodynamics), Eulerian, ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) kıyaslanmıştır. Deformasyon ve çarpma kuvveti sonuçları kıyaslanarak, SPH yönteminin kuş modellemede en iyi sonucu verdiği görülmüştür. Metalik yapıları modellemek için malzeme modeli seçimi yapılmıştır. Elastik-plastik ve elastik-viskoplastik malzeme modelleri kıyaslanarak en uygun malzeme modeli seçilmiştir. Johnson Cook malzeme modelinin metalik yapıları modellemede uygun bir model olduğu anlaşılmıştır. Bunlara ek olarak, kompozit malzeme modellemek için Ls-Dyna malzeme modeli kütüphanesinde bulunan laminated composite fabric kullanılmıştır. Malzeme karakterizasyonu için yapılan kupon testleriyle, kupon analizleri kıyaslanarak malzeme modeli doğrulanmıştır.Uygun çözüm yöntemi ve malzeme modellerinin seçilmesinin ardından metalik ve kompozit kanat hücum kenarları için kuş çarpması analizleri yapılmış ve sonuçlar incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, uçuş sırasında olabilecek kuş çarpması problemleri uçuş güvenliğini tehdit edebilmektedir.Son olarak, kuş çarpması problemine önlem olarak güçlendirme çalışmaları yapılmıştır. Bu kapsamda, bal peteği malzemesi kullanılmıştır. Metalik ve kompozit hücum kenarlarına bal peteği eklenmiş ve analizler tekrarlanmıştır. Analiz sonuçları incelendiğinde, bal peteği yapısının, kuş çarpması problemlerine karşı etkili bir güçlendirme yöntemi olduğu belirlenmiştir.

The main aim of this thesis is to apply the explicit finite element analysis procedure for the analysis of bird strike problem on the leading edge of the wing. In addition, another aim of this thesis is to show capabilities and effectiveness of honeycomb material against bird strike when used in the leading edge. To model the soft body impactor (bird), a small benchmark study is performed among different solution formulations such as Eulerian, ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). As results of the benchmark study, SPH is chosen as the suitable formulation to model the bird by comparing the deformation and impact force results. Similarly, suitable material model is selected to model the metallic aircraft structure by conducting a benchmark study between elasto-plastic and elasto-viscoplastic material models. After the selection of suitable solution formulation for soft body impactor and material models for metallic and composite aircraft structure, bird strike analyses on the wing leading edge are performed for both metallic and composite case studies. Effect of bird strike is investigated for metallic and composite leading edges and it is clearly seen that bird strike problem may lead to catastrophic failure during flight if proper design measures are not taken. Finally, reinforcement study of the wing leading edge is done by using the honeycomb material. It is seen that honeycomb exhibits excellent stiffness against soft body impact. It is concluded that honeycomb materials are very effective materials for bird strike problem.