Meshfree methods for ballistic impact on ceramic materials

Numerical simulation of ballistic impacts on materials with brittle behaviour ,such as ceramics, is still an open research problem in computational mechanics. The behaviour of these materials in an impact is difficult to model accurately with the traditional numerical methods consolidated during the years, for example the finite element method. The main topic of this thesis is the presentation and application of different state of the numerical methods, namely meshfree methods, that are particularly suitable to for kind of problem. The objective is to reproduce correctly the damage morphology typical of ceramic materials subject to impact. Two experimental tests obtained from literature are studied and modelled with two different numerical methods. The first one is a hybrid approach, where finite elements that constitute the system are converted into smoothed particles hydrodynamics (SPH) according to an appropriate erosion criterion. SPH is a meshfree method used commonly in impact simulations, but is proposed in this thesis coupled with the traditional finite elements. The recent and innovative reformulation of the continuum called peridynamics is introduced and adopted to model the two experimental tests. An analysis on the damage morphology of the experimental results is performed, based on a quantitative approach, and is used to calibrate numerical models parameters and also to validate obtained results. Finally, the two methods employed in this work are compared, considering the resulting damage morphology, the advantages and disadvantages of each method and their similarities.

La simulaziona numerica di impatti balistici contro materiali con comportamento fragile, come i ceramici, è ancora un problema aperto nel campo della meccanica computazionale. Il comportamento di questi materiali in seguito a impatto è difficile da modellare con accuratezza con i classici strumenti numerici consolidati negli anni, quale ad esempio il metodo degli elementi finiti. L’argormento principale di questa tesi è la presentazione e l’applicazione di metodi numerici allo stato dell’arte appartenenti a una categoria di approcci denominati meshfree, che ben si prestano a questo tipo di problema. Lo scopo principale è quello di riprodurre correttamente la morfologia di danneggiamento tipica dei materiali ceramici soggetti a impatto. Due test sperimentali selezionati in letteratura vengono studiati e modellati con due metodi numerici diversi. Il primo è un approccio ibrido, dove gli elementi finiti con cui sono modellati i corpi vengono convertiti in smoothed particles hydrodynamics (SPH) in base ad un criterio di erosione appropriato. SPH è un metodo meshfree molto diffuso nelle simulazioni di impatto, ma che viene qui proposto in questa combinazione con i classici elementi finiti. Viene introdotta anche una recente e innovativa riformulazione della teoria del continuo denominata peridynamics e adottata per simulare i due test sperimentali. Una analisi dei risultati sperimantali riguardante la morfologia di danneggiamento basata su un approccio quantitativo è impiegata sia per calibrare i parametri dei modelli, che per validare i risultati ottenuti. Infine viene effettuato un confronto tra i due metodi numerici impiegati, comparando la morfologia dei risultati ottenuti, i vantaggi e gli svantaggi dei due diversi approcci e le loro somiglianze.