Transcript Groupe de recherche: Design and Optimization in Mechanical Modeling of Materials DO3M Design et Optimisation en Modélisation Mécanique des Matériaux • RESPONSABLE :

Groupe de recherche:
Design and Optimization in Mechanical Modeling of Materials DO3M
Design et Optimisation en Modélisation Mécanique des Matériaux
• RESPONSABLE : AUGUSTIN GAKWAYA
•
Unité de correspondance
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Département de génie mécanique
Pavillon Adrien-Pouliot , local 1314F
1065 Avenue de la Médecine
Université Laval, Québec, QC, Canada, G1V 0A6
–
Téléphone au bureau : (418) 656-2131 poste 5548
Télécopieur : (418) 656-7415
Courrier électronique : [email protected]
• Membre du ou des regroupements de recherche suivant(s):
– Centre de recherche sur l'aluminium (REGAL-LAVAL)
– Groupe interdisciplinaire de recherche en éléments finis (GIREF)
– *Consortium de recherche et innovation aérospatiales du Québec (CRIAQ)
• Page Web : http://do3m.gmc.ulaval.ca
Groupe de recherche: Design and Optimization in Mechanical Modeling
of Materials - DO3M
(Design et Optimisation en Modélisation Mécanique des Matériaux)
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Research team
– Professors
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Augustin Gakwaya, Michel Guillot
Dennis Nandlall (associé), Nejad Ensan Manouchehr (associé)
– Research Professionals
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Julie Levesque, Hamid Sharifi
– Current Students
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Saint-Marc Jean Charles, Jocelyn Blanchet , Aberkane Mourad, Maxime Jutras
Hicham Chaouki, Xavier Elie-Dit-Cosaque, Louis Gauthier , Marie-Anne Lavoie , Mihaita Matei
– Previous Students (40 et +)
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Equipments
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Moyens de calculs: Noeud de Calcul REGAL HP(16 processeurs); Nœud de calculs
(2DualCOre);8 Stations de travail PC Windows ; Accès à des réseaux de calculs de haute
performance (64 processeurs et plus), réseau CLUMEQ…
Logiciels CAO/EF: Logiciels commerciaux: ABAQUS, LSDYNA, PATRAN, Pro-Engineer, Matlab,
Maple
Logiciel de recherche: Logiciel SPH pour analyse sans maillage (meshless analysis) pour
l’interaction fluide structure, EF OO en cours de développement en C++ et FORTRAN90 ;
MEFF(élément finis de frontière: contact, interaction fluide structure, vibroacoustique).
Équipements expérimentaux (collaboration):
– Interne: machine d’essai de traction MTS, presses de compactage, d’hydroformage;
– Externe: canons à gaz (impact d’oiseaux, impact ballistique), systèmes d’acquisition et de
traitement de données, etc.
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Groupe de recherche: Design and Optimization in Mechanical
Modeling of Materials - DO3M
(Design et Optimisation en Modélisation Mécanique des Matériaux)
• Current projects
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Impact Modeling of aircraft composite structures (CRIAQ)
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Modélisation des solides composites soumis aux impacts à grande vitesse (CRSNG)
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Objectives
Students Recruitment
CRIAQ-Tubes Hydroforming of aerospace components(CRIAQ)
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Objectives
Realisations
Objectives
Students Recruitment
Développement du concept, de la mise en forme et de l'assemblage des composantes et essais d'une
remorque plane ultra-légère en aluminium (FQRNT)
• Recent Past projects
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Modélisation thermomécanique des solides poreux avec application en conception d'équipements
électromécaniques industriels
Simulation thermo-électromécanique appliquée au réchauffement en régime transitoire de cuves
d'électrolyse
Optimisation de concepts de protection des occupants de véhicules blindés légers par simulation numérique
Contact Simulation by Finite Element Method in Powder Metallurgy
Active Vibration Control in Aerospace Structures
Développement d’Élément Coque solide H8GAMMA pour une meilleure intégration en CAO
Metal Forming Process Finite Element Simulation Application
Design and Optimization in Mechanical Modeling of Materials DO3M
(Design et Optimisation en Modélisation Mécanique des Matériaux)
Our partners
Scientific Partners
Industrial partners
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CQRDA
CRIAQ
Bombardier - DeHavilland
Précitech
Alcan
CRNC-IMI ;
RDDC-Valcartier
CNRC-IRA-CTFA
Bombardier-Aerospace
Pratt & Whitney
Bell Helicopter
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Université Laval
(Faculté des sciences et de génie)
(Département de génie mécanique)
Université du Québec à Chicoutimi (UQAC)
Université du Québec en Abitibi
Témiscaminque
University of British Columbia
Université de technologie de Compiègne
(France)
Université des sciences et technologies de
Lille 1
Other Laboratories
•REGAL (Regroupement Aluminium)
•GIREF (Groupe interdisciplinaire de recherche en éléments finis)
•Groupe Ingénierie Qualité (GIQ)
•Chaire Industrielle sur le Givrage Atmosphérique des
Équipements (CIGELE- UQAC)
Projet 1: Modélisation de l’impact sur des structures
d’aeronefs en matériaux composites
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Responsable : Augustin Gakwaya
Chercheur(s) actif(s)
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–
–
Augustin Gakwaya, Sciences et génie, Département de génie mécanique, responsable du projet
Rajamohan Ganesan, Université Concordia
Nejad Ensan Manouchehr, Conseil national de recherches du Canada, Institut de recherche aerospatial
Dennis Nandlall, Sciences et génie, Département de génie mécanique
James A. Nemes, McGill University
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Buts : airworthiness, passenger safety, survivability, structural performance
and integrity, certification
Navigabilité, sécurité des passagers, survivabilité, performance et intégrité
structurale, certification
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Objectifs Projets à cout terme (projet CRIAQ en cours fin septembre 2008):
développement des lois de comportement des matériaux composites stratifiés en
grandes vitesses de déformations lorsque soumis aux crash et aux impacts
balistiques;
étude et validation balistiques des composites multicouches avec plis renforcés de
fibres dans une matrice polymérique pour des composants structuraux primaires
et la protection contre les impacts d’oiseaux ou des composites multicouches tissés
sec pour le confinement des débris dans un moteur ou pour la protection de la cabine
contre les débris;
développement préliminaire d’un substitut d’oiseau à partir de tests balistiques
d’impact sur plaque rigide ou flexible;
développement d’une formulation cohérente d’analyse sans maillage de type SPH
(smooth particle hydrodynamics) et son implantation dans des codes commerciaux
pour les problèmes d’impact d’oiseaux et d’interaction fluides-structures.
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Projet 2: Modélisation avancée des solides composites en
conception d'équipements soumis aux impacts à grande
vitesse
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Responsable : Augustin Gakwaya
Chercheur(s) actif(s)
– Augustin Gakwaya, Sciences et génie, Département de génie mécanique, responsable du projet
– Nejad Ensan Manouchehr, Conseil national de recherches du Canada, Institut de recherche aérospatial
– Dennis Nandlall, , RDDC-Valcartier,
Partenaires : Université Laval, CRSNG, Bombardier, Bell Helicopter, Pratt&Whitney, CNRC/IRA, RDDC-Valcartier,
Université des Sciences et technologie de Lille1(France), université McGill, CRIAQ
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Projets à moyen et long terme:
lois de comportement des matériaux non disponibles dans les logiciels EF commerciaux de
dynamique rapide comme les polymères thermoplastiques renforcés de fibres et les composites
hybrides métal-polymère très sensibles aux grandes vitesses de déformations lorsque soumis aux
crash et aux impacts balistiques;
formulations numériques avancées pour les problèmes d’interaction fluides-structures et
d’impact balistique :
– formulation unifiée de l’approche SPH pour les solides et les fluides en interaction fluide
structure ;
– Formulation avancée mixte éléments finis/méthode SPH pour les problèmes de fragmentation;
développement d’outils de simulation à grande échelle : décomposition de domaine et calculs
parallèles.
Projets à plus long terme avec application pour la certification et la navigabilité des
aéronefs :
développement d’une méthodologie de modélisation et simulation de l’écrasement d’une section
d’un fuselage d’un avion et d’une procédure de validation expérimentale sur un prototype réel;
développement d’un modèle virtuel d’un avion/hélicoptère pour fin de mise au point d’une
méthodologie de simulation d’un amerrissage en combinant les outils d’analyse développés
précédemment
Projet 3:« Développement d’outils de modélisation de
procédés pour la fabrication virtuelle de composantes
aéronautiques par hydroformage de tubes »
•
•
Responsable : Augustin Gakwaya
Chercheur(s) actif(s)
–
–
–
–
–
–
Philippe Bocher, École de technologie supérieure
Henri Champliaud, École de technologie supérieure
Augustin Gakwaya, Sciences et génie, Département de génie mécanique, responsable du projet
Javad Gholipour, Conseil national de recherches du Canada, Institut de recherche aérospatial-CTFA
Michel Guillot, Sciences et génie, Département de génie mécanique
Mohammad Jahazi, Conseil national de recherches du Canada, Institut de recherche aérospatial-CTFA
Partenaires : Université Laval, ETS, Bell Helicopter, Pratt&Whitney, CNRC/IRA_CTFA, CRIAQ
•
•
•
•
Objectifs généraux:
Scientifiques: (i) Être en mesure de définir rapidement des structures de véhicules
optimisées qui soient légères et possèdent une résistance accrue à la fatigue et à
l’endommagement ; (ii) Développer des outils de calcul prédictif fiables, permettant
de modéliser et de simuler un procédé de formage intégré et la durabilité d’alliages
aéronautiques structuraux, en conditions d’utilisation.
Technologique: Améliorer ou augmenter la performance et la fiabilité des
équipements et des logiciels, grâce à la maîtrise du procédé de fabrication et du
comportement des matériaux sous différentes conditions d’utilisation.
« Développement d’outils de modélisation de procédés
pour la fabrication virtuelle de composantes
aéronautiques par hydroformage de tubes »
Description des postes pour personnel de recherche(Recrutement)
• Professionnel(le) de recherche
• PhD 1:Simulation adaptative dans un système de fabrication virtuelle par
hydroformage de tube.
• Ph.D. 2:Modélisation des matériaux en simulation et optimisation de
l’hydroformage en plusieurs étapes (ouvert).
• Ph.D. 3:Développement du procédé intégré et conception de produits tenant
compte des conditions d’utilisation.
• M.Sc. 1:Caractérisation des matériaux et expérimentations visant l’identification
des paramètres du procédé.
• M.Sc. 2:Développement du procédé et étude de la formabilité des alliages
aéronautiques(ouvert).
• M.Sc. 3:Conception et fabrication d’outils et d’équipements associés à une
presse d’hydroformage industrielle(ouvert).
• M.Sc. 4: Conception et fabrication d’outils et d’équipements, et instrumentation
d’une presse d’hydroformage flexible en développement.
3.1 Modélisation de l’impact sur les
structures d'aéronefs en matériaux
composites
Impact Modeling of Composite
Aircraft Structures
CONTENT/PLAN: CRIAQ Project3.1 (2004-2008)
Experimental Program
- Development of Woven Composite Damage Model under high
strain rate loading
- Ballistics tests : Evaluation of the damage sustained by impacted
composite panels
- Bird Strike tests for validation of bird substitutes
Bird strikes simulation
- Application to Sidepost and windshield Impact
- Application to Secondary Debris Impact
Ballistic Impacts Simulation
- Fan Blade Containment Problem
The information contained herein, or part thereof, is confidential and/or proprietary to the Industries and/or Universities involved in CRIAQ Project 3.1 entitled
Impact Modeling of Composite Aircraft Structures, and shall not be reproduced or disclosed in whole or in part, or used for any purpose whatsoever unless
authorized by them in writing.
Projet 1:Team members/Membres de l’équipe:
Back: Claude Boucher (Bombardier Aerospace), Alain Colle (Bell Helicopter), Dennis Nandlall
(DRDC-Valcartier), James Nemes (McGill), Manoucher Nejad (NRC-IAR), Geneviève Toussaint
(Université Laval), Wassim Arshad & Rajamohan Ganesan (Concordia University), Stephen
Caulfeild (Pratt&Whitney Canada), Louis Gauthier (U. Laval),
Front : Rana Foroutan (McGill), Augustin Gakwaya (team leader) & Marie-Anne Lavoie (U. Laval)
Tasks Organization
Task.1ab
Ballistic impact and
fan blade containment
composite structure
Task.2ab
Bird strike analysis
on composites
structures
Task.3
High strain rate
composite material
characterization
Crashworthiness
simulation
FE fan blade
containment concept
for metallic fan case
Bird modelling and
impact simulation on
metallic structures
Development of
constitutive model
Development of
crash model
Simulation for simple
composite structure
in LS-DYNA
Bird strike simulation
on simple composite
structures
Test development
and bulk data
analysis
Crash simulation of
fuselage section
Advanced composite
fan case and debris
protection
Advanced bird strike
simulation on
composite components
FE simulation and
material parameters
identification
Input data from tests
Comparative studies
Synthesis of results
and assessment of
methodology
Task 4*
Objectifs/Objectives and Scope:
• Development of a methodology for numerically
predicting high velocity impact response of
composite structures due to bird strikes and hard
body impact (ballistic)
• Enhancement of current commercial software as
viable design tools to predict damage due to
bird/ballistic impact and crash conditions
• Development of enhanced impact analysis and
design techniques for composites airframe
structures in order to reduce certification costs
Objectifs de recherche et
applications/Research objectives and
applications
Objectifs de recherche /Research objectives
•
Development of procedures to measure mechanical properties of selected
advanced composites under high velocity impact loading
•
Development of appropriate material constitutive laws and failure models
•
Implementation of material and failure models into explicit non linear dynamic
FE codes
•
Validation of FE methodology by simulating laboratory tests and selected full
scale composite structures
Applications industrielles/Industrial applications
•
Development of a methodology for analysis and certification of composite A/C
components subjected to bird impact
•
Development of composite structures design and analysis methodology for
engine fragment containment and fuselage debris protection
•
Enhancement of computational tools as viable design tools to predict damage
due to bird/ballistic impact and crash conditions
Objectifs de recherche
Programme expérimental/experimental program:
• Development of constitutive models to predict the response
of selected woven composites materials under high impact
loadings
• Development of a methodology to determine material and
damage parameters of the constitutive model (coupon test)
• Implementation of the material model into explicit non linear
dynamic FE codes (UMAT/VUMAT) and simulation of high
velocity impact tests
• Ballistic tests for validation of the material model using full
scale composite structures
• Bird tests to validate bird substitute model
Experimental Considerations:
material modelling
• Uniaxial tensile tests
– Low strain-rate: Hydraulic MTS testing machine
– High strain-rate: Hopkinson pressure bar setup
• Biased extension shear tests
• Delamination Tests
– Inter-laminar fracture testing
• Ballistic impact tests
Principles of Tensile Testing
Split Hopkinson pressure bar technique
Experimental program: development of Damage
Model for Woven Composite (McGill University)
Normal (left) and shear (right) direction
- static and dynamic test and numerical results
Static Test
Dynamic Test
Foroutan-Nemes Model
Foroutan-Nemes Model
Dynamic Shear Test
Foroutan-Nemes Model
Static Shear Test
Foroutan-Nemes Model
700
100
600
80
500
400
60
300
40
200
20
100
140
20
120
15
100
80
10
60
40
5
20
0
0.0%
25
160
0
0.2%
0.4%
0.6%
0.8%
1.0%
1.2%
0
0.0%
Strain
0
0.5%
1.0%
Strain
1.5%
2.0%
Material is carbon prepreg epoxy composite with 6 plies
The information contained herein, or part thereof, is confidential and/or proprietary to the Industries and/or Universities involved in CRIAQ Project 3.1 entitled
Impact Modeling of Composite Aircraft Structures, and shall not be reproduced or disclosed in whole or in part, or used for any purpose whatsoever unless
authorized by them in writing.
Shear Stress [ksi]
120
Shear Stress [MPa]
800
Stress [ksi]
Stress [MPa]
900
Experimental Program
Evaluation of the ballistic resistance of woven composite panels
Experimental program: Ballistic test
results, ELVS
From: Arsenault (2007)
Experimental Program
Evaluation of the damage sustained by impacted composite panels
Projectile Speed After
Impact (m/s)
Ballistic Limit curve for 1.5g FSP
800
700
600
500
400
300
200
100
0
3600 elm, FS=2.0
20000 elm, FS=2.0
0
200
400
600
800
Initial Projectile Speed (m/s)
1000
1200
Bird Test Experimental Set Up
Objective: validation of used bird model derived from Wilbeck data
Bird impact simulation using SPH
approach
Impact on composite side post beam
Click on the picture to animate
Secondary debris impact simulation
Click on the picture to animate
Bird tests and numerical bird impact
modeling
• Bird tests : recorded
deformation configuration
of a 1kg gelatine bird
travelling at 90 knots and
hitting a rigid plate
(projectile and numerical
model on the right);
• The pressure created
when impacting on a rigid
plate was also recorded to
keep track of the energy
transferred to the target.
Bird tests and models
• The increase in diameter
of deformed bird (top
figure) and deceleration
of the projectile (bottom
figure) of the numerical
models correlated very
well with the test;
• Arbritrary LagrangianEulerian (ALE) and
Smoothed Particles
Hydrodynamics (SPH)
methods were used.
APPLICATION: Bird strike simulation on
wing leading edge
(arbitrary lagrangian-eulerian model)
APPLICATION: bird impact on side post
and windshield (parebrise)
• Models for:
• Central & Side post and Windshield
• 1 kg bird model
• Impact at a velocity of 150 knots.
• Numerical results for sidepost, central
post and windshield deformations are
shown.
(correlation with tests is excellent: not shown)
The information contained herein, or part thereof, is confidential and/or proprietary to the Industries and/or Universities involved in CRIAQ Project 3.1 entitled Impact Modeling of
Composite Aircraft Structures, and shall not be reproduced or disclosed in whole or in part, or used for any purpose whatsoever unless authorized by them in writing.
Application to sidepost impact
• Windshield sidepost of a
helicopter was modelled
using composite
material.
• A 1 kg bird impacted it at
a velocity of 150 knots.
Numerical model and
final deformations of the
sidepost are shown.
The information contained herein, or part thereof, is confidential and/or proprietary to the Industries and/or Universities involved in CRIAQ Project 3.1
entitled Impact Modeling of Composite Aircraft Structures, and shall not be reproduced or disclosed in whole or in part, or used for any purpose
whatsoever unless authorized by them in writing.
APPLICATION: Primary bird impact and
secondary debris analysis using
SPH method
Bird Strike Here.
Bird M = 1.82 kg
Bird V = 350 knots
• A bird model was used to
investigate the amount of
bird debris deflected from
the initial impact on the
leading edge of engine
pylon onto the engine
casing to determine if the
amount of secondary
debris was damaging to
the engine cowling.
PROBLEM ILLUSTRATION
What is the approximate
mass and velocity of the
bird debris that impacts the
engine cowl (composite
sandwich structure)
ENGINE
PYLON
FUSELAGE
BIRD
Pylon LE Has
31 Degree
Sweepback
Effects of secondary debris by SPH
APPLICATION: Fan blade containment
problem: model development
Figure 4: Modèle réel
Figure 5: Modèle réel simplifié
Fan blade containment: metallic fan case
Click on the picture to animate
Fan blade containment problem
Cas de con confinement pour un caisson hybride metal-composite tissé sec
(étude théorique: 1couche métallique et 2 couches de Kevlar 129)
CONCLUSION:
• Improvements of tools used to design aircrafts that
needs to be certified for bird impact and limit the costs
associated with certification have been performed
• Training of highly qualified personnel: 1 Postdoctoral
fellow, 4PhD’s, 1MASc, 2 senior undergraduate
students have been trained in the course of the project
• Technology transfer to industrial partners
• Development of enhanced impact analysis and design
techniques for composites airframe structures
Future Works
ADVANCED DESIGN SYSTEMS AND TOOLS FOR
Airworthiness requirements and certification problems
• Large scale simulation: multiscale/multiphysics
– local-global multilayered composite fabric shell element
• Crash simulation of fuselage section
Aircraft Hard landing
Aircraft Ditching simulation(Fluid Structure interaction)
Modélisation des structures
composites
• Développement de nouveaux éléments
coques-solides pour ABAQUS et LSDYNA
• Propagation de dommage d’impact
• Résistance résiduelle après impact de
panneaux composites
Dynamique Non Linéaire
• Modélisation multi-physique et multiéchelles (micro-meso-macro)
• Étude des instabilités, meshless analysis
et couplage EF –SPH(smooth particle
hydrodynamics), fagmentation
• Détermination de lois de comportement
pour des matériaux amortissants