Numerical simulation of fragmentation of ductile steel alloys for defence applications. Preliminary studies and evaluation of predictive methodologies

Warfare scenarios of the last decades has led to the need of a new generation of fragmentation ordnance. The Mecatech pole, along with industrial partners and universities, has launched a research project aimed at introducing FEA aided design in the development of such munitions. This thesis covers the preliminary studies for the project. Starting from an existing warhead, numerical models have been created in order to reproduce the results of the experimental tests performed on the ammunition. The objective is to determine a set of experimental tests and the most appropriate finite element modelling in order to achieve predictive results in terms of number, mass and distribution of fragments. Large part of the work has been dedicated to the evaluation of a newly introduced non-linear explicit solver, IMPETUS Afea. It implements a radical new approach to the simulation of the fragmentation of ductile material, implementing a node splitting algorithm, higher order of integration elements and the Particle Blast Method. The capabilities and limitations of IMPETUS Afea have been directly compared to the more traditional approach proposed by LS-DYNA and ANSYS, which propose an approach based on an Eulerian solver and the erosion of the failed elements. The behaviour of two different failure criteria has been analysed. The first is the empirical based Johnson-Cook damage model, which implements the dependency on the strain rate and temperature. The second is the Cockcroft-Latham damage model, a one parameter criterion based on the plastic work, which implicitly accounts for the Lode parameter and triaxiality. Due to the recent introduction of IMPETUS and to the limited material found in literature, to set up the numerical model studies have been completed to test the sensitivity with respect to the mesh properties and the initial damage distribution. The results achieved show that IMPETUS is able to accomplish all the tasks required for the evaluation of the performances of a fragmentation warhead, being able to accomplish that with a clear advantage in terms of robustness, computation time and resources spent. The results of this study highlight the need of a more extensive material characterisation of the material behaviour, considering also combined stress states. Uniaxial tensile tests should however be performed to determine the strain hardening, strain rate parameters and ideally the statistical distribution of the material's properties.

Gli scenari di guerra che hanno coinvolto le forze NATO negli ultimi decenni hanno portato alla necessità di sviluppare una nuova generazione di testate belliche a frammentazione. Il polo Mecatech, in collaborazione con partner industriali e varie università della Vallonia, ha lanciato un progetto di ricerca che mira a introdurre logiche di progettazione assistite da analisi a elementi finiti nello sviluppo di tali munizioni. La seguente tesi si inserisce tra gli studi preliminari di tale progetto gli studi preliminari per tale progetto. In questo contesto, partendo da una testata già esistente, sono stati creati modelli numerici con l'intento di riprodurre i risultati dei test sperimentali svolti sulla munizione in esame. L'obbiettivo è quello di determinare i test sperimentali e i metodi a elementi finiti più adatti ad ottenere risultati predittivi in termini di numero, massa e distribuzione dei frammenti. Gran parte del lavoro è stato dedicato alla valutazione di un nuovo solutore esplicito non lineare, IMPETUS Afea. Esso introduce un approccio radicalmente diverso alla simulazione della frammentazione di materiali duttili, implementando un algoritmo di node splitting, elementi con ordine di integrazione maggiore e il Particle Blast Method. Le capacità e le limitazioni di IMPETUS Afea sono quindi state direttamente comparate all'apporccio tradizionale proposto da software quali LS-DYNA e ANSYS Autodyn, i quali fanno affidamento su un solutore euleriano e l'erosione degli elementi. Il comportamento di due differenti criteri di rottura è stato analizzato. Il primo è il modello empirico proposto da Johnson \& Cook, il quale implementa la dipendenza del modello di danno dal rateo di deformazione e dalla temperatura. Il secondo è il modello di danno di Cockcroft-Latham, modello a singolo parametro, basato sul lavoro plastico di deformazione, che tiene conto implicitamente della triassialità e del parametro di Lode. Vista la recente introduzione di IMPETUS e il limitato materiale a disposizione in letteratura, per creare i modelli numerici sono stati eseguiti studi di sensitività per quanto riguarda le proprietà della mesh e la distribuzione iniziale di danno. I risultati ottenuti mostrano che IMPETUS è in grado di affrontare tutti i passi necessari a valutare le prestazione di testate a frammentazione, mostrando un netto vantaggio in termini di robustezza dei risultati, di tempo di simulazione e di risorse richieste. I risultati dello studio evidenziano come sia necessaria un'analisi più approfondita della rottura del material sottoposto a stati di sforzo combinato di trazione-taglio,includendo quindi anche prove sperimentali effettuate su provini intagliati. Prove di trazione assiali dovrebbero comunque essere eseguite per determinate l'incrudimento, la risposta al variare del rateo di defromazione e, idealmente, la distribuzione statistica delle proprietà del materiale.