Design of multi-layer ballistic shields by genetic algorithm optimization

Optimal multi-layer shield design have been investigated through genetic algorithm optimization. The objectives are to find shields with minimum areal density and total thickness for a given protection level from external threat. Shields are designed through SUMO software, a tool developed by Mechanical Engineering Department of Politecnico di Milano. The software is able to calculate projectile residual velocity after impact with the shield. The projectile used in this work is 7.62 x 51 mm NATO AP. The shield itself can be designed through SUMO by setting material selection and thickness on each layer. Several materials are available for selection such as, Aluminum Oxide (Al2O3) and Boron Carbide (B4C) for ceramic layer, Aluminum alloys and High-strength steels for metal layer, and Kevlars and Dyneema for composite layer. The multi-layer armor models considered in this work are ceramic-metal, ceramic-composite, ceramic-metal-composite, and ceramic-composite-metal model. Genetic algorithm (GA) is utilized as the optimization method and it is able to find the optimum material selection and thickness of each layer in all simulations. This proposed methodology allows for determination of optimum shield design on multi-input and non-differential analytical models while accounting for various design criteria. The optimization results is compared with the data found in the literatures and the characteristics of optimum multi-layer shield design are discussed. Cost comparison between two-layer and three-layer shields is also evaluated.

Il design ottimale dello scudo multistrato è stato studiato attraverso l'ottimizzazione utilizzando genetic algorithm. Gli obiettivi sono trovare scudi con densità areale minima e spessore totale per un dato livello di protezione dalle minacce esterne. Gli scudi sono progettati tramite il software SUMO, uno strumento sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano. Il software è in grado di calcolare la velocità residua del proiettile dopo l'impatto con lo scudo. Il proiettile utilizzato in questo lavoro è 7,62 x 51 mm NATO AP. Lo schermo stesso può essere progettato tramite SUMO impostando la selezione del materiale e lo spessore su ogni strato. Sono disponibili diversi materiali per la selezione, come l'ossido di alluminio (Al2O3) e il carburo di boro (B4C) per lo strato ceramico, le leghe di alluminio e gli acciai ad alta resistenza per lo strato metallico e Kevlar e Dyneema per lo strato composito. I modelli di armatura multistrato considerati in questo lavoro sono ceramica-metallo, ceramica-composito, ceramica-metallo-composito e ceramica-composito-metallo. Genetic Algorithm (GA) viene utilizzato come metodo di ottimizzazione ed è in grado di trovare la selezione ottimale del materiale e lo spessore di ogni strato in tutte le simulazioni. Questa metodologia proposta consente di determinare il design ottimale della schermatura su modelli analitici multi-input e non differenziali tenendo conto di vari criteri di progettazione. I risultati dell'ottimizzazione vengono confrontati con i dati trovati nelle letterature e vengono discusse le caratteristiche del design ottimale dello schermo multistrato. Viene inoltre valutato il confronto dei costi tra schermi a due e tre strati.