The effect of proximity between barely visible impact damage sites in metallic honeycomb sandwich panels

Abstract

Aluminum honeycomb sandwich panels are commonplace in modern aerostructures, offering a high stiffness-to-weight ratio. However, they are susceptible to impact damage due to their poor out-of-plane deformation resistance. Current literature shows that low-velocity impacts, such as hail, tool drops during maintenance, or debris on the tarmac are difficult to detect and result in a reduction in in-plane residual panel strength. Impact sites can occur close to one another. Researchers have addressed the proximity of multiple impact sites in the panel’s primary loading direction, but the effects of impact sites oriented perpendicular to this direc tion have not yet been investigated. This thesis presents a method for predicting the residual strength of a panel in compression using finite element modelling calibrated through experi mental testing and digital image correlation. The numerical model is divided into two distinct phases. Initially, the dynamic impact generates two localized damage sites, which is followed by an in-plane compression of the panel until it structurally fails. The numerical model and the experimental results are compared based on dent characteristics, overall panel behaviour, full-field deformation and strain, and peak force. The panel’s residual strength was found to be primarily dependent on the width of the damage region. The residual strength exhibited three characteristic behaviours governed by the separation distance between damage sites, with a maximum reduction of 9% in the peak force compared with a panel that experienced a single indentation. The results also show that once two damage sites are separated and create two individual dents, they act independently and do not influence one another.

Les panneaux sandwich en nid d’abeille en aluminium sont couramment utilisés dans les structures aéronautiques modernes, car ils offrent un rapport rigidité/poids élevé. Cependant, ils sont sensibles aux dommages causés par les chocs en raison de leur faible résistance à la déformation hors plan. La littérature actuelle montre que les chocs à faible vitesse, tels que la grêle, la chute d’outils pendant la maintenance ou les débris sur le tarmac, sont difficiles à détecter et entraînent une réduction de la résistance résiduelle des panneaux dans le plan. Les points d’impact peuvent être proches les uns des autres. Les chercheurs se sont intéressés à la proximité de plusieurs points d’impact dans la direction de charge principale du panneau, mais les effets des points d’impact orientés perpendiculairement à cette direction n’ont pas encore été étudiés. Les travaux actuels présentent une méthode de prédiction de la résistance résiduelle d’un panneau en compression à l’aide d’une modélisation par éléments finis calibrée par des essais expérimentaux et la corrélation d’images numériques. Le modèle numérique divise l’essai de compression post-impact en deux phases distinctes. Au départ, l’impact dynamique génère deux sites de dommages localisés, suivis d’une compression du panneau jusqu’à sa rupture structurelle. Le modèle numérique et les résultats des essais expérimentaux sont comparés sur la base des caractéristiques des bosses, du comportement global du panneau, de la déformation et de la contrainte sur l’ensemble du champ, ainsi que de la force maximale. Il a été constaté que la résistance résiduelle du panneau d´ependait principalement de la largeur effective de la bosse. La résistance résiduelle présentait trois comportements caractéristiques, en fonction de la séparation des zones endommagées, avec une réduction maximale de 9% de la force maximale par rapport à un panneau ayant subi une seule indentation. Les résultats montrent également qu’une fois que deux zones endommagées sont séparées et créent deux bosses, elles agissent indépendamment l’une de l’autre.