Symulacja dr. inż. Grzegorza Szuladzińskiego

Niedawno dr inż. Grzegorz Szuladziński przedstawił wyniki symulacji metodą elementów skończonych (MES)  uderzenia skrzydła Tu-154M ze stalowym słupem telefonicznym. [1] Jest to pierwsza niezależna weryfikacja symulacji przeprowadzonej przez zespół prof. Wiesława Bieniendy z Akron University. Dr inż. Szuladziński to specjalista z bogatym inżynieryjnym doświadczeniem także na polu inżynierii lotniczej, autor dwóch monografii wydanych przez renomowane domy wydawnicze. [2] To, że dr inż. Szuladziński pracuje nad modelem skrzydła samolotu Tu-154M było już wiadomo podczas II Konferencji Smoleńskiej. W swoim referacie zatytowanym Reverse engineering of Tu-154M wing (inżynieria odwrotna skrzydła Tu-154) przedstawił on metodologię, na podstawie której budował on model skrzydła samolotu. Odtworzenie przybliżonej struktury skrzydła tupolewa jest możliwe ponieważ znamy zewnętrzną geometrię skrzydła, właściwości materiałowe i przybliżone wartości obciążeń, na które projektowane było to skrzydło. Projekt skrzydła obejmował zmienną grubość elementów konstrukcyjnych (poszycie, stringery, dźwigary) wraz z rozpiętością. Zewnętrzną (demontowaną) część skrzydła odtworzono z dużą dokładnością, wewnętrzną z mniejszym przybliżeniem, jako że nie brała ona bezpośredniego udziału w kolizji.

Dla tak zaprojektowanego skrzydła dr inż. Szuladziński przeprowadził symulację uderzenia przy prędkości 75 m/s w stalowy słup o średnicy 30 cm i grubości stali 8 mm. Paramentry stali konstrukcyjnej słupa wynosiły odpowiednio: granica plastyczności 350 MPa, wytrzymałość na rozciąganie 430 MPa, wytrzymałość na ścinanie 258 MPa. W zestawieniu z parametrami drzewa brzozy (średnica pnia 40 cm, wytrzymałość na ścinanie 5 MPa) parametry wytrzymałości na ścinanie dla sekcji brzozy o średnicy 40 cm są ponad trzykrotnie słabsze niż dla sekcji stalowego słupa. Dr Szuladziński zwiększył takż gęstość stali, tak aby średnia gęstość na jednostkę długości wynosiła nie mniej niż 700 kg/m³, czyli tyle, ile założona gęstość pnia brzozy. Materiałowe właściwości duraluminium przyjęte zostały na podstawie standardowych stopów używanych w inżynierii lotniczej (granica plastyczności 293 MPa i 493 MPa - ta druga wartość użyta tylko dla stringerów). Strukturlne parametry skrzydła w pobliżu miejsca uderzenia były następujące:

• grubość poszycia krawędzi natarcia 3 mm
• grubość poszycia reszty skrzydła 5 mm
• grubość środnika przedniego dźwigara 4 mm

 

Model skrzydła. Linie w okolicach skrzydła służyły do lepszego określenia bezwładności samolotu.

Symulację przeprowadzono przy założonej prędkości 75 m/s, ułożenie słupa prostopadłe do skrzydła, miejsce uderzenia w odległości 10,8 metra od podłużnej osi samolotu, zgodnie z raportem KBWLLP. [3] Modelowano także siły wynikające z aerodynamicznych obciążeń skrzydła (nośna i opory).

Wyniki symulacji są nstępujące: stalowy słup najpierw niszczy krawędź natarcia skrzydła, by następnie zostać przecięty przez pierwszy dźwigar. Wystający poza dźwigar fragment żebra jest zmiażdżony, sam dźwigar natomiast ulega wgnieceniu, ale nie przerwaniu.

Zniszczone końcówki żeber i wgnieciony w miejscu uderzenia ze słupem dźwigar.

Praca dr. inż. Grzegorza Szuladzińskiego jest pierwszą niezależną weryfikacją wyników otrzymanych przez zespół prof. Wiesława Biniendy. Pomimo znacznego zawyżenia paramentrów przeszkody, wyniki są analogiczne: skrzydło ścina tego typu przeszkodę. Warto także zwrócić uwagę na inne podobieństwa i różnice pomiędzy symulacjami dr. Szuladzińskiego i prof. Biniendy:

• Pojekt skrzydła w symulacji dr. inż. Szuladzińskiego jest dokładniejszy. Obejmuje on zmienną grubość elementów konstrukcyjnych wraz z rozpiętością skrzydła, czy modelowanie stringerów, pominiętych w modelu samolotu prof. Biniendy. Zespół prof. Biniendy modelował jednak cały samolot, nie tylko jego skrzydła.
• Z powyższego wynika, że projekt skrzydła dr. Szuladzińskiego jest mocniejszy, a samo skrzydło cięższe niż dolne przedziały modelu skrzydła prof. Biniendy.
• Prof. Binienda w swoim modelowaniu brzozy użył parametrów konstrukcyjnego drewna, dr Szuladziński mocniejszy materiał (konstrukcyjna stal). W obydwu przypadkach modele te były mocniejsze niż drzewo brzozy, w przypadku symulacji dr. Szuladzińskiego co najmniej trzykrotnie mocniejsze.
• Symulacje prof. Biniendy obejmowały zmienną geometrię zderzenia - różne nachylenie skrzydła względem brzozy i kąt trajektorii lotu.
• Obydwie symulacje dają podobne wyniki, jeśli chodzi o krawędź skrzydła, tak samo zresztą, jak symulacja zespołu R.T. Bocchieriego dotycząca testu zderzeniowego samolotu Lockheed Constellation L-1649. [4] We wszystkich przypadkach słup przecina przednią krawędź, by następnie polec na pierwszym dźwigarze.
• W obydwu symulacjach zmiany prędkości samolotu i jego położenia wskutek uderzenia w przeszkodę były pomijalne.

Posumowując, pomimo zastosowania nieco innych metodologii wyniki otrzymane przez obydwu specjalistów są analogiczne: skrzydło przecina przeszkodę.

------------------------------------------

Przypisy:

1. "Aircraft wing cutting steel post", Technical Note No.101 [PDF]. Wizualizacje symulacji można obejrzeć tutaj.

2. Formulas for Mechanical and Structural Shock and Impact (2009, CRCPress) i Dynamics of Structures and Machinery: Problems and Solutions (1982, Wiley).

3. "Zmiana kierunku lotu została spowodowana reakcją samolotu na uderzenie w jego konstrukcję w odległości 10,8 m od osi pionowej samolotu". Załącznik nr 4.7, Geometria zderzenia samolotu, s. 8.

4. Bocchieri, R.T., MacNeill, R.M., Northrup, C.M. and Dierdorf, D.S. (2012) "Crash Simulation of Transport Aircraft for Predicting Fuel Release First Phase - Simulation of the Lockheed Constellation Model L-1649 Full-Scale Crash Test". U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration.