Clean Sky 2 WIMPER - Demonstrator Strength Substantiation of the RACER Windshield

Kurzfassung

Title: Demonstrator Strength Substantiation of the Racer Windshield Summary: This report covers the strength substantiation of the front glazing of the technology demonstrator RACER (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft) performed by the WIMPER consortium. The front glazing has as interface the front section of the helicopter canopy. That is why a comprehensive simulation model of the canopy together with the front glazing was used for the strength substantiation. For this particular risk analysis the threat model (artificial bird model) was added to the structural model. The DLR artificial bird model was shared by the FASTCAN consortium responsible for the RACER front structure while the WIMPER consortium was using the front structure model. All referenced part materials and the applied technologies for the front glazing were modelled. The models were substantiated from coupon to sub-component level by specific tests (bird strike, too) which is outlined in a validation chapter. The front glazing can be loaded by thermal, aerostatic, and discrete load source by bird strike together with environmental loading. The front glazing consists of three main structural items which are one single windshield and two lower cockpit windows. These components are all both made of polycarbonate. An adhesive system joins the windshield with the canopy while bolts with floating nuts are applied for joining the lower cockpit windows. All modelling & simulation was performed by the finite element software LS-DYNA©. With the given substantiation document of the RACER front glazing it has been predicted that the specified applied loads can be taken by the front glazing and that all requirements are met. Basis for the substantiation were detailed Finite Element Model (FEM) analyses accompanied by tests demonstrating that the FE results are valid. With these analyses and the test approach, strength and deformation criteria are shown to be fulfilled. Moreover a sub-component test showed that the residual strength after bird strike fulfils the requirements for a continued safe flight. // Titel: : Festigkeitsnachweis für die Frontscheiben des RACER Technologiedemonstrators Kurzfassung: Dieser Bericht umfasst den Festigkeitsnachweis der Frontverglasung des Hubschraubers und Hochgeschwindigkeitsdemonstrators mit dem Pseudonym RACER (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft). Die Arbeiten dazu wurden vom WIMPER Konsortium durchgeführt. The Frontscheiben haben eine Verbindung zur Frontstruktur des Helikopter-Kabinenrahmens. Deshalb wurde eine gemeinsames Simulationsmodell der Kabine zusammen mit der Verglasung für den Festigkeitsnachweis aufgebaut. Zu dem Strukturmodell des Kabinenrahmens wurde für die Analyse der besonderen Risiken durch Vogelschlag das Modell des DLR-Kunstvogels hinzugefügt. Damit konnte der Festigkeitsnachweis für die Scheiben durchgeführt warden. Während das Vogelmodell auch dem FASTCAN Konsortium für die Auslegung der RACER Frontstruktur zur Verfügung gestellt wurde, konnte das WIMPER Konsortium die gesamte Frontstruktur für die Entwicklung der Frontverglasung nutzen. Alle verwendeten Werkstoffe und angewendete Technologien der Frontscheiben wurden modelliert. Über Tests vom Proben bis zum Sub-Komponenten Maßstab (inklusive Vogelschlagversuche) wurde die Validität der numerischen Modellierungen nachgewiesen. Die Frontverglasung wird neben den besonderen Einzellasten durch Vogelschlag durch thermische, aerostatische Lasten, des weiteren aber auch Umweltbelastung beansprucht. Die Frontverglasung besteht aus einer Pilotenscheibe und den zwei unteren Cockpit-Fenstern. Alle Scheiben sind aus Polycarbonat gefertigt. Die obere Scheibe wird durch vollständig durch eine strukturelle Verklebung verbunden, für die Cockpit-Scheiben kommt eine Verschraubung zum Einsatz. Alle Modellierungs- und Simulationsarbeiten wurden mit der Finite Elemente Software LS-DYNA© durchgeführt. In der dem vorliegenden Nachweisdokument für die RACER Frontverglasung konnte gezeigt warden, dass die in Betracht zu ziehenden Lasten durch die Scheiben getragen warden können und das die Lufttüchtigkeitsanforderungen erfüllt warden. Die Grundlage des Nachweises bestand aus Analysen mittels detaillierten Finite Elemente Modellen (FEM). Diese wurden durch durch Tests untermauert, die zeigten dass die FEM-Ergebnisse valide sind. Mit Hilfe dieser Analysen sowie dem Valdierungsansatz per Tests konnte gezeigt werden, dass Festigkeits- und Verformungskriterien erfüllt warden. Darüber hinaus konnte durch einen Sub-Komponenten-Versuch gezeigt warden, dass die Verglasung auch die Anforderungen bzgl. der Restfestigkeit für einen sicheren Weiterflug nach Vogelschlag erfüllen kann.