Groupe de recherche: Design and Optimization in Mechanical Modeling of Materials -

DO3MDesign 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 5548Télécopieur : (418) 656-7415Courrier 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

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(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.

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(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)• Objectives • Students Recruitment

– CRIAQ-Tubes Hydroforming of aerospace components(CRIAQ)• 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 – 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)

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

Our partners

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 Woven Composite Damage Model under high under high strain rate loadingstrain 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

3.1 ModModéélisation de llisation de l’’impact sur les impact sur les structures d'astructures d'aééronefs en matronefs en matéériaux riaux compositescomposites

Impact Impact ModelingModeling of Composite of Composite AircraftAircraft StructuresStructures

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)

Task.1abBallistic impact and fan blade containment composite structure

FE fan blade containment concept for metallic fan case

Simulation for simple composite structure in LS-DYNA

Advanced composite fan case and debris protection

Task.2abBird strike analysis on composites structures

Task.3High strain rate composite material characterization

Bird modelling and impact simulation on metallic structures

Development of constitutive model

Advanced bird strike simulation on composite components

Test development and bulk data analysis

FE simulation and material parameters identification

Development of crash model

Crash simulation of fuselage section

Comparative studies

Task 4*

Crashworthiness simulation

Synthesis of results and assessment of methodology

Input data from tests

Bird strike simulation on simple composite structures

Tasks Organization

Objectifs/Objectives and Scope:and Scope:

• Development of a methodology for numerically Development of a methodology for numerically predicting high velocity impact response of predicting high velocity impact response of composite structures due to bird strikes and composite structures due to bird strikes and hard body impact (ballistic)hard body impact (ballistic)

• Enhancement of current commercial software as Enhancement of current commercial software as viable design tools to predict damage due to viable design tools to predict damage due to bird/ballistic impact and crash conditions bird/ballistic impact and crash conditions

• Development of enhanced impact analysis and Development of enhanced impact analysis and design techniques for composites airframe design techniques for composites airframe structures in order to reduce certification costsstructures in order to reduce certification costs

Objectifs de recherche et Objectifs de recherche et applications/Research objectives and applications/Research objectives and

applicationsapplications

Objectifs de recherche /Research objectivesObjectifs de recherche /Research objectives• Development of procedures to measure mechanical properties of selected Development of procedures to measure mechanical properties of selected advanced composites under high velocity impact loadingadvanced composites under high velocity impact loading• Development of appropriate material constitutive laws and failure modelsDevelopment of appropriate material constitutive laws and failure models• Implementation of material and failure models into explicit non linear dynamic Implementation of material and failure models into explicit non linear dynamic FE codesFE codes• Validation of FE methodology by simulating laboratory tests and selected full Validation of FE methodology by simulating laboratory tests and selected full scale composite structuresscale composite structuresApplications industrielles/Industrial applicationsApplications industrielles/Industrial applications• Development of a methodology for analysis and certification of composite A/C Development of a methodology for analysis and certification of composite A/C components subjected to bird impactcomponents subjected to bird impact• Development of composite structures design and analysis methodology for Development of composite structures design and analysis methodology for engine fragment containment and fuselage debris protection engine fragment containment and fuselage debris protection • Enhancement of computational tools as viable design tools to predict damage Enhancement of computational tools as viable design tools to predict damage due to bird/ballistic impact and crash conditionsdue to bird/ballistic impact and crash conditions

Objectifs de recherche Objectifs de recherche

Programme expérimental/experimental program:Programme expérimental/experimental program:• Development of constitutive models to predict the response Development of constitutive models to predict the response

of selected woven composites materials under high impact of selected woven composites materials under high impact loadings loadings

• Development of a methodology to determine material and Development of a methodology to determine material and damage parameters of the constitutive model (coupon test)damage parameters of the constitutive model (coupon test)

• Implementation of the material model into explicit non linear Implementation of the material model into explicit non linear dynamic FE codes (UMAT/VUMAT) and simulation of high dynamic FE codes (UMAT/VUMAT) and simulation of high velocity impact testsvelocity impact tests

• Ballistic tests for validation of the material model using full Ballistic tests for validation of the material model using full scale composite structures scale composite structures

• Bird tests to validate bird substitute modelBird tests to validate bird substitute model

Experimental Considerations:material modelling

• Uniaxial tensile testsUniaxial tensile tests– Low strain-rate: Hydraulic MTS testing machine Low strain-rate: Hydraulic MTS testing machine – High strain-rate: Hopkinson pressure bar setupHigh strain-rate: Hopkinson pressure bar setup

• Biased extension shear testsBiased extension shear tests• Delamination TestsDelamination Tests

– Inter-laminar fracture testingInter-laminar fracture testing

• Ballistic impact testsBallistic impact tests

Principles of Tensile Testing

Split Hopkinson pressure bar techniqueSplit Hopkinson pressure bar technique

Experimental program: development of Damage Model for Woven Composite for Woven Composite ( (McGill UniversityMcGill University))

Normal (left) and shear (right) direction - static and dynamic test and numerical results

Material is carbon prepreg epoxy composite with 6 plies

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 1.2%

Strain

Str

ess

[MP

a]

0

20

40

60

80

100

120

Str

ess

[ksi

]

Static Test Foroutan-Nemes ModelDynamic Test Foroutan-Nemes Model

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.0% 0.5% 1.0% 1.5% 2.0%

Strain

Sh

ear

Str

ess

[MP

a]

0

5

10

15

20

25

Sh

ear

Str

ess

[ksi

]

Dynamic Shear Test Foroutan-Nemes Model

Static Shear Test Foroutan-Nemes Model

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Experimental ProgramEvaluation of the ballistic resistance of woven composite panels

Experimental program: Ballistic test results, ELVS

From: Arsenault (2007)

Experimental ProgramEvaluation of the damage sustained by impacted composite panels

Ballistic Limit curve for 1.5g FSP

0100200300400500600700800

0 200 400 600 800 1000 1200

Initial Projectile Speed (m/s)

Pro

jec

tile

Sp

ee

d A

fte

r Im

pa

ct

(m/s

)

3600 elm, FS=2.0

20000 elm, FS=2.0

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 Secondary debris impact simulation

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)

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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.

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APPLICATION: Primary bird impact and secondary debris analysis using SPH method

• 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.

Bird Strike Here.Bird M = 1.82 kg

Bird V = 350 knots

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)

PROBLEM ILLUSTRATION

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

– local-global multilayered composite fabric shell element

• Crash simulation of fuselage section

ADVANCED DESIGN SYSTEMS AND TOOLS FOR

Airworthiness requirements and certification problems

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