Experimental test, analytical and numerical modelling of ballistic impact on ceramic-metal targets

In ballistic protection field, ceramic materials are used in applications where saving weight is a critical aspect. Due to their high brittleness, ceramic materials are always bonded to a metal or composite material backing plate. The object of this work is the study of ballistic impact on ceramic/metal protection. An experimental campaign has been carried out with the aim to evaluate the response of different target materials (Alumina and Silicon Carbide). Different target configurations have been tested: a comparison between single ceramic tile and mosaic ceramic tile configuration has been performed. For an effective ballistic protection design the development of predictive tools allows to focus the experimental campaign only on a limited set of configurations allowing thus a reduction in costs and time. In this direction an analytical and a numerical model have been developed. The analytical model is based on the modified Bernoulli equation and a momentum and energy balance approach to describe the interaction between the backing plate and the ceramic tile. The numerical model, which has been developed in the software LS-DYNA, is a hybrid Lagrangian-SPH model in which the fractured ceramic is simulated through a conversion of the failed elements in SPH. The erosion criterion adopted allows the conversion in SPH only for the ceramic elements considered fully fractured by the Johnson-Holmquist ceramic material model . The analytical and numerical model developed have been validated through the data obtained from the experimental tests. For both the models a good agreement in terms of residual velocity have been obtained and for the numerical model also an agreement on the morphology of the specimen damage has been achieved. In both the two modelling approaches some novelty have been developed in the present thesis.

Nel campo delle protezioni balistiche, i materiali ceramici sono utilizzati in applicazioni in cui limitare i pesi è un fattore critico. Tuttavia, a causa della loro fragilità i materiali ceramici sono sempre utilizzati insieme ad una lastra di supporto in materiale metallico o composito. Lo scopo di questa tesi è lo studio di impatti balistici su protezioni in materiale ceramico e metallico. Una campagna sperimentale è stata realizzata con lo scopo di valutare la risposta di diversi materiali ceramici (Allumina e Carburo di Silicio). Sono anche state testate diverse configurazioni per il bersaglio: sono state paragonate protezioni con singola lastra di materiale ceramico e protezioni con una configurazione a mosaico. Per un efficace sviluppo di protezioni balistiche l’utilizzo di strumenti predittivi permette di concentrare la campagna sperimentale in un range limitato di configurazioni consentendo così una riduzione di costi e tempi. Con questo fine sono stati sviluppati un modello analitico e un modello numerico. Il modello analitico si basa sull’ equazione di Bernoulli modificata e un bilancio della quantità di moto e dell'energia per descrivere l’interazione tra la lastra ceramica e la lastra di supporto metallica. Il modello numerico è stato sviluppato con il software LS-DYNA ed è un modello ibrido Lagrangiano-SPH in cui la frammentazione del ceramico è simulata tramite la conversione degli elementi erosi in SPH. Il criterio di erosione adottato permette la conversione in SPH solo per gli elementi del materiale ceramico considerati completamente fratturati dal modello di Johnson-Holmquist per i materiali ceramici. Il modello analitico e il modello numerico sono stati validati tramite i dati ottenuti dalle prove sperimentali. In entrambi i modelli alcuni apporti innovativi sono stati sviluppati in questa tesi.