FEM analysis of in-flight ice break-up

• Main Author: Zhang, Shiping
• Other Authors: Wagdi George Habashi (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=114560

Using a fracture mechanics framework, we present a finite element method to simulate the break-up of 2D ice accreted on the wings of aircraft and the shedding of 3D ice accreted on blades of helicopter. The fully automated ice break-up module is integrated in FENSAP-ICE [1-2], which is an in-flight ice accretion simulation code that solves flow, droplet impingement and ice accretion, in sequence. The 2D and 3D crack propagation packages are developed and validated by comparing with published results for a single edge cracked plate test case and a single edge-notched specimen with three points bending load, respectively. Numerous complicated ice-shapes are analyzed and comparisons are performed with a contemporary fracture mechanics code. Under typical icing and flow conditions, linear elasticity is found to be adequate for ice break-up analysis. For ice accreted on wings, an important finding of this study is that the breaking of ice has a strong dependence on its shape, i.e. under similar aerodynamic loading, some ice shapes fail while others do not. For ice accreted on helicopters, the finding is that the rotational speed of the blade and interface strength between ice and blade material are the major factors governing the ice break-up. The main objective of this work is to analyze complex multi-physics phenomenon and provide a simplified ice break-up model for the industrial users and aerodynamic designers. The potential use of this tool, however, is not limited to aerodynamics; it can be applied in areas of environmental science, material science, glaciology, earthquake and rupture analysis. === Dans le cadre de la mécanique des fractures, nous présentons une méthode d'éléments finis qui simule le bris de la glace accumulée sur les ailes d'avions, en deux dimensions, ainsi que le délestage du givre accumulé sur les pales de l'hélicoptère, en trois dimensions. Le module de bris de glace, entièrement automatisé, est intégré en FENSAP-ICE [1-2], un logiciel de simulation qui résout séquenciellement le flux, l'impact des gouttelettes et le cumul de glace. Les modules bidimensionnels et tridimensionnels de propagation de fissures sont développés et validés par comparaison avec des résultats expérimentaux sur une plaque fissurée d'un seul côté, ainsi que pour un spécimen entaillé d'un seul côté avec une charge de flexion en trois points. Plusieurs formes de glace sont analysées et des comparaisons faites avec un autre code traitant la mécanique des fractures. Dans des conditions typiques de givrage et d'écoulement, l'élasticité linéaire s'est avérée adéquate pour une analyse du bris de glace. Pour la glace accumulée sur les ailes, une conclusion importante de cette étude est que le bris de glace dépend fortement de sa forme, c'est-à-dire que pour des charges aérodynamiques similaires, certaines formes de glace briseront, tandis que d'autres ne le feront pas. En ce qui concerne la glace accumulée sur les hélicoptères, il a été conclu que les facteurs les plus importants pour le bris de glace sont la vitesse rotationnelle de la pale et la force d'adhésion entre la glace et la pale. L'objectif principal de cet ouvrage est d'analyser des phénomènes multi-physiques complexes et de fournir un modèle simplifié du bris de la glace pour les utilisateurs industriels et les concepteurs en aéronautique. L'utilisation de cet outil n'est toutefois pas limitée à l'aérodynamique, puisqu'il peut être employé dans des domaines tels que les sciences environnementales, les sciences des matériaux, la glaciologie et l'analyse des tremblements de terre et de rupture.