Experimental testing and numerical modeling approach of punch tests on Kevlar 29 composites

In the present study, the experimental punch testing of thick-section Kevlar 29 - Epoxy composite laminates is presented, along with the development of a numerical model aimed at replicating said experiments. Several quasi-static punch shear tests (QS-PST) have been conducted, with three different support-to-punch diameter ratios (SPR) of 2, 4 and 8, using three different penetrator tip shapes: blunt, conical and hemispherical. An in-depth analysis of these experimental results is performed, identifying the differences, and highlighting the particularities of every case. This serves to gain insight into the perforation mechanics exhibited by the baseline material under quasi-static conditions. In addition, a finite element modeling of the QS-PST experiment is shown in this thesis. The target driving the interest of this development is to obtain a reliable numerical model that allows to carry out future response estimation of the laminate, without the need of undertaking complex and high-cost experimental testing. This has been done using the LS-DYNA software, implementing two different composite material models available on its library: *MAT_58 and *MAT_162. The results obtained in either case are presented and compared with the experimental data. Finally, an estimation of the ballistic limit is performed based on the set of experimental load – displacement curves obtained from the QS-PST for the blunt tip punch. This set of data has been enriched by including the results obtained from the numerical simulation of the SPR = 0 experiment, needed to properly apply the method. The results of this estimation are presented and compared to the actual ballistic limit of the investigated specimen, which had been experimentally determined prior to this study.

In questo studio, il comportamento del materiale composto Kevlar 29 - epoxy sottoposto a punzonatura viene presentato assieme allo sviluppo di un modello numerico il cui scopo è replicare tali prove sperimentali. Differenti prove di punzonatura quasi-statiche (QS-PST) sono state realizzate. Tre diversi rapporti supporto-punzone (SPR) pari a 2, 4 e 8 sono stati utilizzati. Inoltre, la influenza della geometria del punzone è stata analizzata effettuando prove con la punta del punzone in forma cilindrica (i.e. blunt), emisferica e conica (i.e. copiando le caratteristiche geometriche della pallottola usata per la prova ballistica). Un’analisi dettagliata di tali prove sperimentali é stata esseguita, individuando le eventuali differenze e sottolineando le particolarità di ciascun caso. Lo scopo è comprendere meglio il comportamento meccanico a perforazione che mostra il materiale di riferimento quando è sottoposto una prova QS-PST. In aggiunta, un modello agli elementi finiti per simulare la prova QS-PST viene presentato in questa tesi. L’obiettivo di questa fase è sviluppare un modello numerico affidabile che permetta la realizzazione di una stima della risposta del materiale a cambiamenti nelle condizioni sperimentali senza la neccessità di effettuare prove sperimentali care e complesse. Il software scelto è stato LS-DYNA con il quale sono stati implementati due modelli di materiale disponibile nella sua libreria: *MAT_58 and *MAT_162. I risultati provenienti di ognuno dei due casi viene presentato e confrontato con i dati sperimentali. Infine, si realizzerà una stima del limite ballistico per la serie di curve ottenute con la punta cilindrica. Le curve sperimentali per i SPR disponibili (i.e. 2, 4 e 8) verrano usate assieme alla curva ottenuta numericamente per il SPR non disponibile sperimentalemente (i.e. 0). In questo modo, il metodo proposto per ottenere il limite ballistico usanto prove QS-PST può essere adeguadamente applicato. Il risultato sarà presentato e confrontato con il limite effettivo, trovato sperimentalmente precedentemente a questo studio.