Experimental analysis and predicting modelling approach for ballistic impact on hybrid composite targets

Composite materials are being used in several fields, related to structural design, thanks to their excellent specific properties, especially as far strength and stiffens to weight are considered. The issues related to composite materials are mainly due to their cost, complexity in manufacturing process and the fact that they have a complex behaviour in case of damage. Moreover, the dynamic behaviour and damaging phenomena of composite materials are still under intense investigation. In addition, one of the fields in which they are becoming the most used material is the realisation of lightweight ballistic armour. An insightful knowledge of the ballistic phenomena is needed to be able to properly realise lightweight armour. Design of such kind of protective structure is mainly driven by experimental tests, however these tests are affected by a large variability depending on several factors. Therefore, lots of efforts are accomplished by researchers to find predictive modelling approach able to properly simulate the behaviour of a composite under impact. One of the established approaches is the Finite Element one. In particular, between the FE solvers, LS-DYNA® is specifically dedicated for the study of highly dynamic phenomena and include a very promising material model for composite: “MAT-162”. This model is currently the state of the art for impact simulation on composite materials, exploiting macro-homogeneous approach, however, complete understanding of the model behaviour and the setting of its parameters is still object of research. The purpose of this thesis is to realise a model able to effectively simulate the impact of a bullet on a hybrid composite panel exploiting the features of material model MAT-162. After studying the principle on which the material model is based, different simulations were realised resembling the configuration of the hybrid samples. Then, the hybrid samples were tested, and the obtained results were used to validate the model. Finally, a parametric study was performed trying to improve the trustworthiness of the model.

I materiali compositi sono utilizzati in svariati campi, anche per applicazioni strutturali, specialmente quando le proprietà di rigidezza o resistenza sono considerate in rapporto al peso poiché dotati di eccellenti proprietà specifiche. I problemi principali legati all’utilizzo dei materiali compositi sono dovuti al loro costo, alla difficoltà dei processi di realizzazione e al fatto che sono caratterizzati da un comportamento complesso in caso di danneggiamento. Inoltre, il comportamento dinamico e i fenomeni di danneggiamento nei materiali compositi sono tuttora oggetto di intenso studio. In aggiunta, uno dei settori in cui si stanno affermando come materiale più utilizzato è quello delle armature balistiche leggere. Una conoscenza approfondita del comportamento balistico è necessaria per realizzare in maniera ottimale un’armatura leggera. La progettazione di questi dispositivi di protezione è attualmente guidata principalmente eseguendo test sperimentali, tuttavia questi test sono influenzati da un grande variabilità essendo i test balistici intrinsecamente stocastici. Di conseguenza, molti sforzi vengono portati avanti dai ricercatori per realizzare un modello predittivo in grado di simulare il comportamento di un materiale composito soggetto a impatto. Uno degli approcci più affermati è l’analisi agli elementi finiti. In particolare, tra tutti i software basati sugli elementi finiti, LS-DYNA®, è specificatamente dedicato allo studio di fenomeni altamente dinamici e include un modello di materiale molto promettente per descrivere il comportamento dei compositi: “MAT_162”. Questo modello è attualmente lo stato dell’arte nella simulazione di impatti su materiali compositi ed è basato su un approccio macro-omogeneo. Tuttavia, una completa comprensione del modello e una messa a punto di tutti i suoi parametri sono ancora oggetto di ricerca. Lo scopo di questa tesi è di realizzare un modello in grado di simulare l’impatto di un proiettile su un pannello di composito ibrido sfruttando appieno tutte le funzioni del modello MAT_162. Dopo aver studiato i princìpi su cui il modello si basa, diverse simulazioni sono state realizzate riproducendo la configurazione dei compositi ibridi. Successivamente, i compositi ibridi sono stati testati e i risultati ottenuti sono stati utilizzati per validare il modello realizzato. Alla fine, uno studio parametrico è stato eseguito cercando migliorare l’attendibilità del modello.