High velocity impact on ceramic tiles : experimental tests, analytical and numerical modeling

Ceramic materials are an effective light - weight possibility for protections. Experimental testing is a mandatory step to verify materials’ resistance to high – velocity impacts, but it is expensive, time consuming and it is often characterized by uncertainties due to the strong non-linearity of the involved phenomena. The possibility to develop predictive models in order to minimize, or to optimize, the experimental activities is then of great interest. In this work, an experimental campaign of high-velocity impact on Al2O3 and SiC tiles is described. Four different classes of projectiles are employed. The initial and residual velocities of the projectiles are measured and high – speed videos of the impacts are recorded. Analytical and numerical modeling are developed in order to replicate the experimental tests, and they are validated by comparison with their results. Analytical models are based on a hydrodynamic equivalence. In the particular conditions of high strain rates and temperatures of high – velocity impacts, materials behave approximately like fluids. The use of a modified Bernoulli equation allows to calculate analytically the evolution in time of the projectile’s velocity and reduction in mass and length. In numerical models, a hybrid lagrangian – SPH formulation is implemented in LS-DYNA. With this particular formulation, the predictions of the residual velocities are consistent with the experimental results. In particular, it is compared the damage development of both tiles and projectiles with promising match.

I materiali ceramici sono un’efficace possibilità per protezioni a peso ridotto. Le prove sperimentali sono un elemento necessario per verificare la resistenza di materiali a impatti ad alta velocità, tuttavia sono costose, richiedono tempo e spesso caratterizzate da incertezze dovute alla forte non linearità dei fenomeni coinvolti. E’ di grande interesse quindi la possibilità di sviluppare modelli predittivi al fine di minimizzare, o comunque ottimizzare, le attività sperimentali. In questo lavoro viene descritta una campagna sperimentale di prove di impatto ad alta velocità su piastrelle in Al2O3 e SiC. Come impattatori sono utilizzate quattro classi differenti di proiettili. Sono misurate sperimentalmente le velocità iniziali e residue dei proiettili e sono registrati filmati ad alta velocità degli impatti. Modelli analitici e numerici sono stati sviluppati per replicare le prove sperimentali e sono stati validati attraverso il confronto con i dati di queste. I modelli analitici si basano su un’equivalenza idrodinamica. Nelle particolari condizioni di velocità di deformazione e temperature elevate dell’impatto balistico, i materiali si comportano approssimativamente come fluidi. L’utilizzo di una versione modificate dell’equazione di Bernoulli permette di calcolare analiticamente la variazione nel tempo della velocità del proiettile e della sua riduzione in massa e lunghezza. Nei modelli numerici si utilizza un approccio ibrido lagrangiano – SPH nel solutore numerico LS-DYNA. Con questa formulazione, le predizioni sulle velocità residue trovano riscontro con i risultati sperimentali. In particolare viene confrontata l’evoluzione del danneggiamento sia delle piastrelle che degli impattatori con un riscontro promettente.