Numerical simulation of glider crash against a non-deformable barrier

• Autorzy: Lindstedt L.

Warianty tytułu

PL

Symulacja numeryczna zderzenia szybowca z barierą nieodkształcalną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study, describing computer simulation of a glider crash against a non-deformable ground barrier, is a part of a larger glider crash modeling project. The studies were intended to develop a numerical model of the pilot - glider - environment system, whereby the dynamics of the human body and the composite cockpit structure during a crash would make it possible to analyze flight accidents with focus on the pilot's safety. Notwithstanding that accidents involving glider crash against a rigid barrier (a wall, for example) are not common, establishing a simulation model for such event may prove quite useful considering subsequent research projects. First, it is much easier to observe the process of composite cockpit structure destruction if the crash is against a rigid barrier. Furthermore, the use of a non-deformable barrier allows one to avoid the errors that are associated with the modeling of a deformable substrate, which in most cases is quite problematic. Crash test simulation, carried out using a MAYMO package, involved a glider crash against a wall positioned perpendicularly to the object moving at a speed of 77 km/h. Computations allowed for determination of time intervals of the signals that are required to assess the behavior of the cockpit and pilot's body - accelerations and displacements in selected points of the glider's structure and loads applied to the pilot's body: head and chest accelerations, forces at femur, lumbar spine and safety belts. Computational results were compared with the results of a previous experimental test that had been designed to verify the numerical model. The glider's cockpit was completely destroyed in the crash and the loads transferred to the pilot's body were very substantial - way over the permitted levels. Since modeling results are fairly consistent with the experimental test, the numerical model can be used for simulation of plane crashes in the future.

PL

Niniejsza praca poświęcona została opisowi symulacji komputerowej procesu zderzenia szybowca z nieodkształcalną przeszkodą naziemną, będącej częścią większego projektu, związanego z modelowaniem wypadków szybowcowych. Celem badań było stworzenie numerycznego modelu układu pilot-szybowiec-otoczenie, który uwzględniając dynamikę ciała człowieka oraz kompozytowej struktury kabiny podczas zderzenia, pozwalałby na analizę wypadków lotniczych pod kątem bezpieczeństwa pilota. Jakkolwiek wypadki, w których szybowiec uderza w przeszkodę sztywną (np. ściana) należą do rzadkości, stworzenie modelu symulującego taki przypadek jest bardzo przydatne pod kątem dalszych badań. Po pierwsze, podczas zderzenia ze sztywną barierą proces niszczenia kompozytowej struktury kabiny jest łatwiejszy do zaobserwowania. Ponadto, zastosowanie przeszkody nieodkształcalnej pozwala na wyeliminowanie błędów związanych z modelowaniem odkształcalnego podłoża, co na ogół jest problematyczne. Symulację testu zderzeniowego przeprowadzono w pakiecie MADYMO. Polegał on na zderzeniu szybowca ze ścianą zorientowaną prostopadle do kierunku ruchu przy prędkości 77 km/h. Podczas obliczeń uzyskano przebiegi czasowe sygnałów potrzebnych do oceny zachowania się konstrukcji kabiny pilota oraz ciała człowieka - przyspieszenia i przemieszczenia w wybranych punktach konstrukcji szybowca oraz obciążenia działające na organizm pilota: przyspieszenia głowy i klatki piersiowej, siły w kości udowej, kręgosłupie lędźwiowym i w pasach bezpieczeństwa. Uzyskane wyniki zostały porównane z wynikami przeprowadzonego wcześniej testu eksperymentalnego, służącego weryfikacji modelu numerycznego. W wyniku zderzenia kabina szybowca uległa kompletnemu zniszczeniu, a obciążenia przeniesione na organizm pilota były bardzo duże - przekraczające znacznie dopuszczalne limity. Wykonany model wykazuje dosyć dobrą zgodność z eksperymentem, co pozwala wysnuć wniosek, że w przyszłości może być on wykorzystany do symulacji wypadków lotniczych.

Słowa kluczowe

EN

glider; crash test; composite structure damage; numerical simulation; numerical model

PL

szybowiec; testy zderzeniowe; zniszczenie struktury kompozytowej; symulacja numeryczna; model numeryczny

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. LVIII, nr 2
• Strony: 245--265
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Lindstedt L.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology, ul Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] European Aviation Safety Agency: CS22. Sailplanes and Powered Sailplanes.
• [2] Soaring Safety Foundation: Soaring Safety Foundation Annual Report: 1997-2008, Post Office Box 2100, Hobbs, New Mexico 88241.
• [3] Sperber M.: Crashworthiness of glider cockpits, TUV Rheinland, 51105 Koln, Germany.
• [4] Bureau of Investigation and Analysis for Civil Aviation Safety: Glider accidents 1999-2001.Study, France, 2001.
• [5] Civil Aviation Office: Analiza stanu bezpieczeństwa lotów i skoków spadochronowych w lotnictwie cywilnym RP w 2003 roku, Warsaw, Poland, 2004.
• [6] British Gliding Association: Glider accidents in 2008, available at http://www.gIiding.co.uk .
• [7] Parhi P. K., Bhattacharyya S. K., Sinha P. K.: Failure analysis of multiple delaminated composite plates due to low velocity impact, International Journal of Crashworthiness, Vol. 5, No. 1, 2000, pp. 63-77.
• [8] Rao V. V. S., Sinha P. K.: Three dimensional analysis of multidirectional composites subjected to low velocity impact, International Journal of Crashworthiness, Vol. 8, No. 4, 2003, pp. 393-400.
• [9] Saito H., Inai R., Hamada H.: Crushing properties of pultruded glass reinforced square tubes, International Journal of Crashworthiness, Vol. 7, No. 1, 2002, pp. 21-32.
• [10] Beard S. J., Chang F-K.: Energy absorption of braided composite tubes, International Journal of Crashworthiness, Vol. 7, No. 2, 2002, pp. 191-205.
• [11] Mamalis A. G., Manolakos D. E., Ioannidis M. B., Kostazos P. K., Chirwa E. C.: Static and dynamic axial collapse of fibreglass composite thin-walled tubes: finite element modelling of the crush zone, International Journal of Crashworthiness, Vol. 8, No. 3, 2003, pp. 247-254.
• [12] Mamalis A. G., Manolakos M. B., Ioannidis M. B., Kostazos P. K.: The bending of fibre-reinforced composite thin-walled tubular components: Numerical modeling, International Journal of Crashworthiness, Vol. 5, No. 2, 2000, pp. 193-205.
• [13] Mališ M.: Comparison of hard and soft soil impact surface in glider crashworthiness test simulation, Proc. RRDPAE 2008 - Recent Research and Design Progress in Aeronautical Engineering and its influence on Education, Brno University of Technology, Czech Republic, October 16-17th, 2008.
• [14] Manning J. E., Happee R.: Validation of the MADYMO Hybrid II and Hybrid III 50th percentile models in vertical impacts, Presented at Specialists Meeting: Models for aircrew safety assessment: uses, limitations and requirements, Ohio, USA, 26-28 October, 1998.
• [15] TASS BV: MADYMO Model Manual. Release 7.1, Delft, The Netherlands, June 2009.
• [16] TASS BV: MADYMO Theory Manual. Release 7.1, Delft, The Netherlands, June 2009.
• [17] Lindstedt L., Rodzewicz M., Rzymkowski C., Kędzior K.: Experimental Study of Impact Phenomena in the case of a Composite Glider, Technical Soaring, Vol. 33, No. 2/ April-June 2009, pp. 54-62.
• [18] SAE International: SAE J 211-1. Revised MAR95.
• [19] Yamada H.: Strength of biological materials. Published by F. G. Evans, Williams and Wilkins. Baltimore, Ohio, USA, 1970, pp. 75-80.
• [20] European Aviation Safety Agency: CS23. Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Aeroplanes.
• [21] Lindstedt L.: Dynamical behaviour of a composite cockpit of PW-5 glider when hitting against a ground barrier - the issue of pilot's safety, Ph. D. Thesis, Warsaw University of Technology, Warsaw, 2010.