Sveriges bidrag till EDA RTP 3.32 Kompositstrukturer med hög stryktålighet för militära flygplan Sveriges bidrag till EDA RTP 3.32 Niclas Persson 18 oktober 2010 Flygteknik 2010

Programmets mål Skapa förståelse för fenomenen som inträffar när (våta) kompositstrukturer i flygplan träffas av konventionella hot. Minimera effekten av “hydraulic ram” (HRAM, vätskestöt). Verksamheter: - Försök - Datorsimuleringar - Föreslå riktlinjer för framtida konstruktioner Informationsutbyte med Tyskland, Storbritannien, Frankrike och Spanien.

Svenska deltagares huvudsakliga bidrag SAAB AB Konstruktion och tillverkning av provobjekt Oförstörande provning FOI Skjutförsök, utvärdering och laboratorieprovning Hydrodynamiksimuleringar Dynamec Research AB Simuleringar av stryktålighet och hydrodynamik FMV Finansiering

Urvalsprocess för försök och simuleringar Hot & Scenarier Strukturdel 13 s 10 s 8 s Tidsförlopp Bekämpningsfas Hot 1 2 Träfffördelning Töjning i komposit Analys av helt flygplan Försök och analys av strukturdel Försök Simulering 3

Små provobjekt Objekt 1 2 kompositskal fästa på en stålram, volym 8 liter 7 försök, projektilhastighet 500-1000 m/s Objekt 2 Enkel box av komposit, volym 40 liter, 12.5 mm sfärisk kula, v0 = 820 m/s

Provobjekt, niocellsstruktur Mått: 3300 x 630 x 200 mm (Mittcell: 800 x 210 x 200 mm) Material: Kolfiberarmerad plast (CFRP) prepreg tape 6376C-HTA Skalytor: 6.24 mm, 8 + 32 + 8 = 48 lager (0°, ±45° respektive 90° fiberriktning) Spryglar: 3.9 mm, 4 + 24 +2 = 30 lager Balkar: Utanför inre spryglar: 3.9 mm, 4 + 24 + 2 = 30 lager Mellan inre spryglar: 2.6 mm, 0 + 20 + 0 = 20 lager Fästelement: Försänkt M6-bult med ankarmutter

Provbox 1, Skjutförsök 1 Höghastighetskamera Struktur belastad till -0.13% töjning Projektil: 12.5 mm sfär Ingånshastighet: 766 m/s Utgångshastighet: 311 m/s 16 töjningsgivare, 4 tryckgivare Dokumenteras med höghastighetskamera Höghastighetskamera Kulbana Bakgrundsskärm för kamera Hydraulisk domkraft 4-punktsböjning -0.13% töjning på utgångssidan

Tryckregistrering, skjutförsök 1 Tydlig effekt av hydraulic ram Kraftig initial trycktopp Våghastigheten överensstämmer med ljudhastigheten

Skada provbox 1 Skada på utgångssida i skal och flänsar. Skadan i skalet är 145 x 90 mm och mycket nära utgångsytan. Skalet har släppt kontakten längs 765 mm och 710 mm av övre respektive nedre fläns. Endast små skador i flänsarna har uppmätts (djup 0.6 - 1.7 mm).

Provbox 1, Skjutförsök 2 x=-400 x=400 Genomströmningshål y x Skott 2 x=280, y=0 Skott 1 Projektil: 12.7 mm AP-I, 48 g Ingångshastighet: 879 m/s

i

Provbox 1 efter skott 2 Kollaps vid 0.14% töjning på grund av lokal buckling Understrukturen brast i radien. Kollaps i sidan utan delaminering i skalet. Buckling börjar vid 0.025% töjning.

Skadad understruktur Utgångssida Ingångssida Liknande delamineringar på ingångssidan som på utgångssidan. Det första skottet kan delvis vara orsaken. Understruktur brusten i fästelementens hål. Delaminering börjar vid understrukturen radie.

Provbox 1, skjutförsök 3 x y Genomströmningshål Skott 1 x=400 x=-400 12.7 mm API-projektil, hastighet 856 m/s Vattenfylld struktur, obelastad Kulan tumlar, utgångshastighet 730 m/s

Slutsatser från försök på konventionell niocellsstruktur Strukturen klarade kraven (0.32% töjning) efter träff från 12.5 mm sfärisk kula Efter träff av 12.7 mm API kollapsade strukturen vid 0.14% töjning Kollapsen orsakades av lokal buckling. Mekanisk belastning ökar skottskadans omfattning

Bedömning av studerade skadetålighetsåtgärder i en stridsflygplansvinge med kompositskal HRAM effektivitet Kostnad Vikt Bränsle-kapacitet 1 Optimerad konstruktion och material Nummer 1 (högst) Ingen/låg påverkan 2 Gasbubblor/skiljevägg Nummer 2 Ca +5 % < +5 % < -5 % 3 Skum Nummer 3 4 Passivt foder Nummer 5 5 Energiabsorberande struktur Nummer 4 Ca +10 % Ingen påverkan 6 Nya komposit-former Nummer 6 (lägst)

Val av stryktålighetsåtgärd Optimerad konstruktion och material: Understruktur i aluminium Motivering Understrukturen av komposit skadades vid beskjutning och kvasi-statisk belastning En understruktur av aluminium kan ta upp energi genom plastisk deformation under beskjutning Plastiskt deformerad understruktur är starkare vid kvasi-statisk belastning

Provbox 2 Samma design som provbox 1 Balkar och spryglar i 1.6 mm aluminium Vertikala förstyvningar 2.0 mm Buckling i balkar tillåts under gränslast

Provbox 2, skjutförsök 1 12.5 mm sfärisk kula Vingstruktur vattenfylld Belastad till 0.13% töjning Utgångssidan tryckbelastad Registrering med töjningsgivare

Understruktur kollapsade vid gränslastprov Kollaps utanför mätområdet Buckling vid 0.28% töjning Genom att vända strukturen inför andra skottet dragbelas-tades tryckskadan Understrukturen kunde på så sätt klara belastningen

Delamineringar på utgångssidan efter andra skottet (12 Delamineringar på utgångssidan efter andra skottet (12.7 mm API projektil) Mittcellen skadad Liknande skador som i kompositboxen Flera töjningsgivare trasiga Understrukturen deformerad utan brott Skalytan sönderbruten vid fästelementen

Jämförelse mellan vingstruktur 1 och 2 Struktur 1 kollapsade vid 0.14% töjning (95 kN) efter andra skottet Struktur 2 kollapsade vid 0.18% töjning (125 kN) efter andra skottet Samma statiska brottmod för båda strukturerna

Global töjning i skadad vinge efter förlust av två panelsektioner Oskadad vinge

Observationer Förlust av två panelsektioner ger små ökningar av töjningsnivån, oberoende av skadans placering Typen av de analyserade skadorna i skalet har ringa betydelse för när buckling inträffar Förlust av lastvägar i understrukturen tillsammans med brott i skalpaneler leder till påtaglig ökning av töningsnivån För en korrekt förutsägelse av vingens resthållfasthet krävs en mer avancerad analys av skadetillväxten än den här använda

Jämförelse av tryckregistreringar mallan försök och analys (encellstruktur) LS-DYNA: V=800m/s Tryck vid z=50 & 150, x=50,y=0 Försök: V=776m/s

LS-DYNA skadeberäkningar LS-DYNA kan väl förutsäga trycknivåer och hydraulic ram-effekten Simuleringarna är dock väldigt tidskrävande. För att effektivt få fram resultat, bedöms att det krävs minst 112 parallella CPUer för att analysera en nicellsstruktur

Uppdatering av målbeskrivning i AVAL Den öppna beskrivningen av ett jaktflygplan i AVAL uppdaterades med en ny vingstruktur, ny pilot och realistiska material och andra data 70% 100%

Anpassning av AVAL-parametrar till försöksdata Bromsning i vätska Velocities during the penetration process according to the AVAL formulas Hastighet under penetrationsförloppet baserat på formuleringar i AVAL Skadeutbredning Parametrar för strukturskador Parametrar för resthållfasthet

AVAL-simuleringar med uppdaterad målbeskrivning 12.7 mm projektil, 500 m/s underifrån. R1 omedelbar störtning. Med hydraulic ram R1 omedelbar störtning. Utan hydraulic ram

Slutsatser En vingstruktur liknande den i det öppna AVAL-målet behåller lastbärande förmåga vid förlust av en vingpanel (mellan balkar och spryglar). Basversionen av niocellsstrukturen konstruerades med understruktur av komposit med skruvade skal. Den hade bättre HRAM egenskaper än förväntat. Den stryktålighetsförbättrade niocellsstrukturen med understruktur i aluminium visade något högre töjningsnivå vid brott jämfört med basversionen, 0.18% respektive 0.14%. Utsatt för 12.7 mm hot visade AVAL-simuleringarna att HRAM-effekten kan bidra till sannolikheten för störtning med så mycket som 50%. Målet att förutsäga skador i kompositstrukturer nåddes inte, på grund av otillräcklig beräkningskapacitet. EUCLID RTP-3.32 / EDA B-0009 / EUROPA TA 103.091 hade stor framgång med att skapa bättre förståelse för HRAM. Försöksresultaten, med bidrag från alla fem nationer, kommer att ha stor betydelse när beräkningskapaciteten för simuleringar ökar de kommande åren.

BaToLUS – Battle Damage Tolerance of Lightweigh UAV Structures Projektmål Definiera en process att inkludera stryktålighets-förbättringar i UAV-konstruktion. Demonstrera förbättringar av nuvarande modellering, simulering och konstruktion av UAV. Bidra med uppskattningar av kostnader förknippade med utveckling av en stryktålighets-förbättrad UAV. Deltagande länder Frankrike Tyskland (Projektledare) Storbritannien Sverige