Predicting the Effects of Interaction Between Multiple Impacts on the Residual Strength in Metallic Honeycomb Sandwich Aircraft Panels Subject to Low-Velocity Impact Damage

Abstract

Honeycomb sandwich structures are common in aerospace applications due to their high in-plane strength and bending stiffness to weight ratios. An aircraft vehicle is likely to experience some form of impact loading throughout its lifetime, during maintenance (e.g., tool drops) or in-service activity (e.g., runway debris). Impact damage can cause significant reductions in structural stiffness and strength, leading to in-flight structural failures. All structural panels developed for aircraft must survive numerous impacts of various energies with distinct damage characteristics. The size, number, and proximity of these events may have a unique influence on the panel’s residual strength. Current literature shows that even low-velocity impact damage can result in significant losses in residual strength. However, no comprehensive studies have been done on the proximity of multiple impact sites on the residual strength of metallic sandwich panels under in-plane compression. The current work presents a method for predicting the residual strength for a panel with two dents loaded in compression using finite element (FE) modelling. Specifically, the effect of spacing between dents on the residual strength was determined using a two-stage loading simulation, consisting of a dynamic impact event to create the dents, followed by an in-plane applied compressive load. It was found that two impact sites in close proximity may interact to produce a deeper dent with a larger area. This leads to a reduction in the residual strength of up to 13%, compared to a single dent. The residual strength is sensitive to the dent depth, as deeper dents initiate the failure earlier, while the planar area of the dent does not affect the residual strength. In addition, dents that are sufficiently separated so that their edges are not touching behave individually and have a minimal reduction in the residual strength in the range of 1-2%, compared to a single dent.

Les structures sandwich en nid d’abeille sont courantes dans les applications aérospatiales grace a leur résistance élevée dans les avions et de leur rapport rigidité/poids en flexion. Un véhicule d’avion est susceptible de subir une certaine forme de charge d’impact tout au long de sa durée de vie, pendant l’entretien (p. ex., chute d’outils) ou l’activité en service (p. ex., débris de piste). Les dommages causés par les chocs peuvent causer des réductions significatives de la rigidité et de la résistance structurelle, causant des défaillances structurelles en vol. Tous les panneaux structurels développés pour les avions doivent survivre à de nombreux impacts de diverses énergies avec des caractéristiques de dommages distinctes. La taille, le nombre et la proximité de ces événements peuvent avoir une influence unique sur la résistance résiduelle du panneau La littérature actuelle montre que même les dommages causés par un impact à faible vitesse peuvent causer des pertes importantes de résistance résiduelle. Cependant, aucune étude approfondie a été completée pour étudier la proximité de sites d'impacts sur la resistance résiduelle des panneaux sandwich metalliques sous compression dans un avion. Ce travail présente une méthode pour prédire la résistance résiduelle d’un panneau avec deux échancrure chargées en compression à l’aide de la modélisation par éléments finis (FE). Plus précisément, l’effet de l’espacement entre les échancrure sur la résistance résiduelle a été déterminé à l’aide d’une simulation de charge en deux étapes, consistant en un événement d’impact dynamique pour créer les échancrure, suivi d’une charge de compression appliquée dans l'avion. On a trouvé que de deux sites d’impact à proximité peuvent interagir et produire une échancrure plus profonde avec une plus grande surface. Cela cause une réduction de la résistance résiduelle allant jusqu’à 13%, par rapport à une seule bosse. La résistance résiduelle est sensible à la profondeur de la échancrure, car des échancrure plus profondes initient la défaillance plus tot, tandis que la zone plane de la échancrure n’affecte pas la résistance résiduelle. De plus, les échancrure suffisamment éloignées les unes des autres que leurs bords ne se touchent pas, se comportent individuellement et ont une réduction minimale de la résistance résiduelle de l’ordre de 1 à 2%, par rapport à une seule échancrure.