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 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 : Augustin.Gakwaya@gmc.ulaval.ca 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) Research team Professors Augustin Gakwaya, Michel Guillot Dennis Nandlall (associé), Nejad Ensan Manouchehr (associé) Research Professionals Julie Levesque, Hamid Sharifi Current Students 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 +) Equipments 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.

Groupe de recherche: Design and Optimization in Mechanical Modeling of Materials - DO3M (Design et Optimisation en Modélisation Mécanique des Matériaux) Current projects Impact Modeling of aircraft composite structures (CRIAQ) Objectives Realisations Modélisation des solides composites soumis aux impacts à grande vitesse (CRSNG) Students Recruitment CRIAQ-Tubes Hydroforming of aerospace components(CRIAQ) 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 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 Industrial partners CQRDA CRIAQ Bombardier - DeHavilland Précitech Alcan CRNC-IMI ; RDDC-Valcartier CNRC-IRA-CTFA Bombardier-Aerospace Pratt & Whitney Bell Helicopter Scientific Partners 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 Responsable : Augustin Gakwaya Chercheur(s) actif(s) 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 Buts : airworthiness, passenger safety, survivability, structural performance and integrity, certification Navigabilité, sécurité des passagers, survivabilité, performance et intégrité structurale, certification 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. .

Projet 2: Modélisation avancée des solides composites en conception d'équipements soumis aux impacts à grande vitesse 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 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.

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 Task 4* 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 FE simulation and material parameters identification Advanced bird strike simulation on composite components Input data from tests Comparative studies Synthesis of results and assessment of methodology

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 -The uniaxial tensile tests and shear tests under different strain rates are required to obtain the material constants -The low strain rates loading tests will be carried out using the servo-hydraulic MTS testing machine. Experiments under displacement control conditions yield constant static strain-rate tests. The axial and lateral strains will be measured using strain gauges. -The split Hopkinson pressure bar technique, is used to study material behaviour at strain rates between 100 and 104 /s. The high strain rate loading is achieved for dynamic tension tests by an axial impact from a striker bar fired by an air gun -The uniaxial tensile testing method can be used to perform biased extension shear test on the woven composite specimen. The tensile test creates an equivalent shear in the specimen if the fibre yarns are oriented at 45 with respect to the axis of loading. -The mixed-mode bending experiments need to be performed to obtain the critical energy release rates for mode I, II, and the mixed-mode delamination. The set up was shown in the previous slide. -High velocity impact tests also need to be performed to validate the proposed model and parameter determination methodology

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 S’xx = normal stress-rates in x-directions Bj= material damage constants d’j= damage rate E’xx=strain rate Cij are obtained in terms of engineering constants, for unidirectional, C11=E They did not consider any in-plane damage in xy-plane, which is present according to many researchers The damage in the xz- and yz-planes are mainly due to delamination, so they are considered in delamination model 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.

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

Bird Test Experimental Set Up Objective: validation of used bird model derived from Wilbeck data

Bird impact simulation using SPH approach Secondary debris impact simulation Impact on composite side post beam Click on the picture to animate 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 Lagrangian-Eulerian (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.

Pylon LE Has 31 Degree Sweepback PROBLEM ILLUSTRATION ENGINE FUSELAGE PYLON BIRD Pylon LE Has 31 Degree Sweepback What is the approximate mass and velocity of the bird debris that impacts the engine cowl (composite sandwich structure)

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 Large scale simulation: multiscale/multiphysics 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 multi- échelles (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

Merci de votre attention !