Modellazione numerica dell'impatto balistico su bersaglio in materiale ceramico composito e studio del sistema di vincolo per prove sperimentali

The aim of this work is the study of a numerical model able to reproduce the ballistic impact of a tungsten projectile over a ceramic-composite target. The work starts with the study of the state of art and of the previous works performed at the Politecnico. As far as the ceramic tile is concerned, an innovative formulation will be proposed, taking into account the transition from finite element into SPH (smoothed particle hydrodynamics) when a specific failure criterion is reached. Previous works for multi-layer analysis will be used for modelling the projectile and the composite tile and the optimum compromise between accuracy and computational effort will be searched since the three models are very complex. These models will be eventually compared and validated by using data taken from literature and by performing experimental tests. As for the experimental test, the problem of slipping out of the ceramic-composite specimen will be studied in order to propose a modification of the frame able to optimize experimental response.

Il presente lavoro di tesi si basa sullo studio di modelli numerici in grado di descrivere l’impatto balistico contro protezioni multistrato in materiale ceramico e composito. L’utilizzo di un materiale ceramico come l’allumina permette la frammentazione dell’impattatore che dissipa la propria energia cinetica e viene così notevolmente rallentato. Tale fenomeno è particolarmente complesso nel caso lo si voglia simulare attraverso modelli numerici. Una simile complessità si ripercuote spesso in una riduzione dell’accuratezza dei modelli così costruiti e, come conseguenza, implica un notevole aumento delle prove sperimentali da effettuare. Il lavoro sviluppato si articola a partire dallo studio e dall’analisi dello stato dell’arte disponibile in letteratura e dai lavori precedentemente realizzati, soffermandosi in particolare sui problemi dei modelli a disposizione per riuscire successivamente a proporre una modellazione in grado di superare tali limiti. Per quanto concerne la lastra in materiale ceramico, dopo uno studio preliminare del modello di Johnson-Holmquist il cui fine era la ricerca dei criteri di erosione più appropriati, è stata proposta una modellazione innovativa che comporta la transizione da elementi finiti a particelle SPH (smoothed particle hydrodynamics). Per le analisi multistrato invece sono stati utilizzati i modelli proposti in precedenti lavori di tesi; questi sono relativi al materiale composito e al proiettile in tungsteno. È stato ricercato il giusto compromesso tra accuratezza e onere computazionale dato che i tre modelli utilizzati singolarmente sono molto complessi. I risultati numerici saranno infine confrontati e validati tramite dati presi in letteratura e da prove sperimentali. In particolare per queste ultime sarà affrontato un problema contingente verificatosi in una precedente sessione di prove, ovvero lo scivolamento fuori dalla sede di afferraggio del provino multistrato ceramico-composito per medie velocità di impatto. Sarà infine proposta una modifica del telaio di fissaggio in modo da poter ottimizzare il numero di prove da effettuare e ridurre così gli scarti.