Numerical modelling of ballistic impact against advanced combat helmets

Modern combat helmets represent some of the most important devices of personal protection in the warfare field. Although the use of combat helmets dates back to ancient times, the development of modern composite materials during the last decades has led to an evolution of helmet technology never seen before. The complex behaviour of composite materials highlighted the necessity to study them in detail, in order to develop optimized solutions for a large variety of applications. Experimental testing on composite combat helmets is limited by the difficulty of reproducing complex scenarios, due to the large amount of variables to be taken into account and controlled. For this purpose, nowadays numerical models represent a fundamental tool to be used beside tests, allowing to avoid the approximations and the high costs that experimental tests entail. The aim of this thesis work is to produce a reliable numerical model of the Advanced Combat Helmet (ACH), one of the main helmet models currently adopted by the U.S. Army. The experimental test procedure defined by the NIJ Standard 0106.01 is numerically reproduced to assess the ballistic performance of ACH. Finite element models of the composite helmet shell, the polyurethane foam-made padding system, and the ballistic headform filled with clay are developed through the use of LS Dyna software. The behaviour of helmet aramid fiber-made composite material, Kevlar® K-129/PVB phenolic resin, is simulated with MAT_162 material model. The calibration of material model is conducted through a series of sensitivity analysis on both a preliminary flat panel and the helmet model. After the validation of the helmet numerical model, the main factors determining the ballistic performance of the Advanced Combat Helmet are investigated, such as the effect of curvature, and the influence of impact location and angle. Finally, the most critical aspects to be improved are assessed, paving the way for possible innovative future developments.

I moderni elmetti da combattimento rappresentano alcuni dei più importanti dispositivi di protezione personale in campo bellico. Sebbene l’uso di elmetti da combattimento risalga all’antichità, lo sviluppo negli ultimi decenni dei moderni materiali compositi ha portato ad un’evoluzione mai vista prima nella tecnologia degli elmetti. Il complesso comportamento dei materiali compositi ha evidenziato la necessità di studiarli nel dettaglio, in modo da sviluppare soluzioni ottimizzate per una grande varietà di applicazioni. Le prove sperimentali su elmetti da combattimento in materiali compositi è limitata dalla difficoltà di riprodurre scenari complessi, a causa della grande quantità di variabili da tenere in considerazione e controllare. Pertanto, al giorno d’oggi i modelli numerici rappresentano uno strumento fondamentale da affiancare ai test, il quale consente di evitare le approssimazioni e gli alti costi che le prove sperimentali comportano. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di produrre un valido modello numerico dell’Advanced Combat Helmet (ACH), uno dei principali modelli di elmetti attualmente adottati dall’esercito degli Stati Uniti. La procedura per i test sperimentali definita dallo standard NIJ 0106.01 è riprodotta numericamente per valutare le prestazioni balistiche dell’ACH. I modelli ad elementi finiti della calotta del casco in materiale composito, il sistema di imbottitura in schiuma di poliuretano, e la forma balistica della testa riempita di argilla sono sviluppati attraverso l’utilizzo del software LS-Dyna. Il comportamento del materiale composito del casco in fibra aramidica, Kevlar® K-129/PVB-resina fenolica, è simulato tramite il modello di materiale MAT_162. La calibrazione del modello di materiale viene condotta attraverso una serie di analisi di sensibilità sia su un modello preliminare di laminato piatto che sul modello del casco. Dopo la validazione del modello numerico del casco, vengono studiati i principali fattori che determinano le prestazioni balistiche dell’Advanced Combat Helmet, come l’effetto di curvatura, e l’influenza della posizione e dell’angolo di impatto. Infine, vengono valutati gli aspetti più critici da migliorare, aprendo la strada a possibili sviluppi innovativi futuri.