Numerical simulation of hybrid composites subjected to ballistic impacts with focus on material model optimization

This thesis work is focused on the numerical simulation of composite panels subject to ballistic impact, using (FE) finite element models. The activity is part of a research project, which starts from the realization, testing and study of pure and hybrid composites, made of Kevlar® and fiberglass, for ballistic protection purpose. This research work aims to understand and analyze the behavior of these materials during ballistic impact, in order to observe synergic effects derived from the coupling of these materials. The necessary data, derived from the experimental tests, will be presented afterwards to explain and support clearly the work done on numerical modelling. The understanding of the damage mechanisms and properties of the materials involved is of paramount importance for the design of ballistic protections. Nowadays, this activity is largely based on experimental tests. Therefore, the idea of being able to create a predictive numerical model of the behavior of the composite material, is of great interest for the reduction of experimentation costs and for the possibility of testing different scenarios and structures. One of the main approaches in this direction is that one provided by finite element analysis. In this thesis the modelling of experimental tests is done using the software LS-DYNA®, one of the most used for the simulation of dynamic events. In particular, this program includes a material model for the description of composites in case of impact, the "MAT_162", which is considered today the state of the art in this field. This model, based on a macro-homogeneous approach, has an extremely complete definition of mechanical characteristics, including, also, a complete damage model. However, the optimization of its parameters requires numerous experimental data and sometimes a parametric study. The aim of the thesis is to revise the numerical models previously generated, in order to better reproduce the experimental results obtained. The revision of the models is focused on three aspects: the calibration of the mechanical characteristics of the materials, based on static tests, the calibration of the response according to the strain rate and finally the study of the erosion of the elements, and of the energy content of the test, in order to control the hourglass energy. Firstly, these numerical studies are carried out on composite models consisting of individual types of fibers embedded in epoxy matrix, then the validity of the parameters chosen is verified also on hybrid composite models. In the final chapter of the thesis, a comparison of the numerically simulated and the experimental damage is carried out.

Questo lavoro di tesi si focalizza sulla simulazione numerica di pannelli compositi soggetti a impatto balistico, attraverso l’uso di modelli a elementi finiti. Questa si inserisce a continuazione di un’attività ricerca, che parte dalla realizzazione, test e studio di compositi puri e ibridi, in Kevlar® e fibra di vetro, ad uso di protezione balistica. Questo lavoro di ricerca si pone l’obiettivo di comprendere e analizzare il comportamento di questi materiali durante l’impatto balistico, allo scopo di osservare effetti benefici derivati dall’unione di questi materiali. I dati necessari, derivanti da questi test sperimentali, verranno presentati successivamente per esporre e supportare con maggior chiarezza il lavoro svolto sulla modellazione numerica. La comprensione dei meccanismi di danneggiamento e delle proprietà dei materiali coinvolti è di fondamentale importanza per la progettazione di protezioni balistiche, attività che, ad oggi, si basa largamente su test sperimentali. L’idea, quindi, di poter realizzare un modello numerico predittivo del comportamento del materiale composito risulta di grande interesse per la riduzione dei costi di sperimentazione e per la possibilità di testare diversi scenari e strutture. Uno dei principali approcci in questo senso, è quello fornito dall’analisi agli elementi finiti. In questa tesi la modellazione dei test sperimentali viene fatta tramite il software LS-DYNA®, uno dei più utilizzati per la simulazione di eventi dinamici. In particolare, questo programma include un modello di materiale per la descrizione dei compositi in caso di impatto, il “MAT_162”, considerato ad oggi lo stato dell’arte in questo ambito. Tale modello, basandosi su un approccio macro-omogeneo, risulta estremamente completo nella definizione delle caratteristiche meccaniche, includendo, inoltre, un modello completo di danneggiamento. Tuttavia, l’ottimizzazione dei suoi parametri richiede numerosi dati sperimentali e talvolta uno studio parametrico. L’obiettivo della tesi è quello di revisionare i modelli numerici precedentemente realizzati, allo scopo di riprodurre al meglio i risultati sperimentali ottenuti. La revisione dei modelli si focalizza su tre aspetti: la calibrazione delle caratteristiche meccaniche dei materiali, sulla base di test statici, la calibrazione della risposta in funzione della velocità di deformazione e infine l’attenzione viene portata sullo studio dell’erosione degli elementi durante la simulazione e sul contenuto energetico della prova, allo scopo di controllare l’energia di hourglass. Questi studi numerici vengono, dapprima, eseguiti singolarmente sui modelli di compositi costituiti da singoli tipi di fibre in matrice epossidica e successivamente viene verificata la validità dei parametri scelti anche su modelli di compositi ibridi. Nel capitolo finale della tesi, viene effettuato un confronto tra il danno numericamente simulato e il danno sperimentale.