Experimental test and numerical modelling of ballistic impacts on single and multi-layer metallic targets

In the field of ballistic protection, the system often consists of metallic protections. The choice of this protection system often depends on a balance of protection requirements, weight and costs. In this context, the possibility of using more than one layer of different material is an option that may be of interest, if associated with advantages in terms of weight and / or size. The aim of this thesis is to study the effects of an armour piercing projectile, commonly used in rifles and light machine guns, on a monolithic steel plate and on steel-aluminum and aluminum-steel multilayer configurations. In this regard, a series of ballistic tests were conducted to experimentally verify the behaviour of these protections. These tests were then replicated with numerical models. In order to make these models more reliable, a series of tensile tests was also conducted on the samples obtained from the plates used as targets, which allowed an accurate calibration of the mechanical properties of the materials involved. The current trends, regarding the design of ballistic protections, are in fact starting to make use of numerical models with predictive function. This allows the experimental campaign to be reduced, thus reducing costs and time but also limiting the uncertainties associated with the design of these systems. With this aim, in this thesis, a solid numerical model and an axisymmetric numerical model have been developed using the LSDYNA software. The parameters of the mechanical behaviour of the material, relative to the plates used as target, were calibrated based on the results of the tensile tests. This calibration was performed exploiting the Modified Johnson-Cook material model, which allowed the use of the Cockroft-Latham damage model. The found parameters were then used for the numerical impact models. With regards to these numerical models, two families of models with solid-type elements were initially developed, these two model-type use different formulations of elements (reduced integration and complete integration). Furthermore, axisymmetric models have been implemented with the aim of reducing calculation times but at the same time providing accurate results. In this regard, a shell element with 4 nodes mediated on the volume was used. The developed models were validated through data obtained from ballistic tests. The results of the numerical models show good agreement with the experimental results both in terms of residual speed and in terms of the morphology of the sample damage after the ballistic impact.

Nel campo della protezione balistica, il sistema scelto spesso consiste in protezioni metalliche. La scelta di tale sistema di protezione dipende spesso da un bilancio di requisiti di protezione, peso e costi. In questo ambito la possibilità di utilizzare più di uno strato di materiale diverso è una opzione che può essere di interesse se associata a vantaggi in termini di peso e/o ingombro. L’obiettivo di questa tesi è quello di studiare gli effetti di un proiettile di tipo armor piercing, usato comunemente in fucili e mitragliatrici leggere, su una piastra d’acciaio monolitica e su configurazioni multistrato acciaio-alluminio e alluminio-acciaio. A questo proposito è stato condotta una serie di test balistici per verificare sperimentalmente il comportamento delle protezioni. Tali test sono stati poi replicati con modelli numerici. Al fine di rendere più verosimili tali modelli è stata inoltre condotta una vasta serie di test di trazione, sui campioni ottenuti dalle piastre utilizzate come bersaglio, che hanno permesso una accurata calibrazione delle proprietà meccaniche dei materiali coinvolti. Le attuali tendenze, in merito alla progettazione di protezioni balistiche, stanno infatti iniziando a fare uso di modelli numerici con funzione predittiva. Questo permette di ridurre la campagna sperimentale riducendo così i costi e tempi ma anche di limitare le incertezze legate alla progettazione di tali sistemi. A questo proposito, in questa tesi, sono stati sviluppati un modello numerico solido e un modello numerico assialsimmetrico utilizzando il software LSDYNA. I parametri di comportamento meccanico del materiale, relativo alle piastre utilizzate come bersaglio, sono stati calibrati sulla base dei risultati dei test di trazione. Tale calibrazione è stata effettuata sul modello di materiale Modified Johnson-Cook, che ha consentito l’utilizzo del modello di danneggiamento di Cockroft-Latham. I parametri così trovati sono stati quindi utilizzati per i modelli numerici di impatto. In merito a tali modelli numerici, sono stati inizialmente sviluppati due famiglie di modelli con elementi di tipo solido, utilizzando due diverse formulazioni di elementi (integrazione ridotta e ad integrazione completa). Inoltre, sono stati implementati dei modelli assialsimmetrici con l’obiettivo di ridurre i tempi di calcolo ma allo stesso tempo di fornire risultati accurati. A questo proposito è stato utilizzato un elemento shell a 4 nodi mediato sul volume. I modelli sviluppati sono stati validati attraverso i dati ottenuti dai test balistici. I risultati dei modelli numerici mostrano buon accordo con i risultati sperimentali sia in termini di velocità residua che in termini di morfologia del danno del campione dopo l’impatto balistico.