Parsimonious modeling in terminal ballistics

The thesis consists of a collection of scientific articles presenting the results of the candidate's research in the field of terminal ballistics. The aim of the research was to develop parsimonious mathematical and numerical models that could be effectively and efficiently used for scientific and technological advancements in the main application areas of the discipline. The analyzed phenomena cover the entire spectrum of terminal ballistics, from wound ballistics (soft targets) to the development of ballistic protections (hard targets). In the field of wound ballistics, the research led to the experimentation and simplified numerical modeling of a synthetic gel for ballistic applications, compatible with international standards. This involved introducing an original constitutive model, experimentally validated for predicting the penetration behavior of a wide variety of projectiles impacting soft tissue blocks using finite element simulations. Regarding the development of ballistic protections (hard targets), the research focused on non-penetration phenomena and projectile fragmentation, introducing an original engineering definition of the phenomenon known in forensic jargon as "bullet splash." Based on this definition, the research introduced and validated a simulation model for treating the phenomenon as a fluid-structure interaction and a mathematical method for estimating the force history due to "bullet splash" interactions. These advancements significantly reduced the computational time and effort required for simulating these phenomena for the structural verification of ballistic protection systems. The presented results, therefore, enable researchers and professionals involved in terminal ballistics to confront these phenomena in a more efficient and systematic manner, establishing new foundations for future multidisciplinary developments in both industrial and academic contexts.

La tesi è costituita da una collezione di articoli scientifici che presentano i risultati delle ricerche condotte dal candidato nel campo della balistica terminale. Lo scopo delle ricerche è stato sviluppare modelli matematici e numerici parsimoniosi che potessero essere di efficace ed efficiente utilizzo per lo sviluppo scientifico e tecnologico nei principali ambiti applicativi della disciplina. I fenomeni analizzati riguardano l'intero spettro della balistica terminale, dalla balistica lesionale (bersaglio soffice) allo sviluppo di protezioni balistiche (bersaglio duro). Nell'ambito della balistica lesionale la ricerca ha portato alla sperimentazione e modellazione numerica semplificata di un gel sintetico per applicazioni balistiche compatibile con gli standard internazionali, introducendone un modello costitutivo originale, sperimentalmente validato per la previsione mediante simulazione ad elementi finiti della legge di penetrazione di un’ampia varietà di proiettili impattanti su blocchi di tessuto molle. Nell'ambito dello sviluppo di protezioni balistiche (bersaglio duro) la ricerca si è focalizzata sui fenomeni di non-penetrazione del bersaglio e frammentazione del proiettile, introducendo una definizione ingegneristica originale del fenomeno detto in gergo forense "bullet splash". Sulla base di tale definizione la ricerca ha introdotto e validato un modello di simulazione del fenomeno trattato come interazione fluido-struttura ed un metodo matematico per la stima della storia di forza dovuta a interazioni di tipo "bullet splash", che hanno permesso di ridurre di alcuni ordini di grandezza i tempi di calcolo necessari a simulare detto fenomeno per applicazioni di verifica strutturale su sistemi di protezione balistica. I risultati presentati permettono quindi a ricercatori e professionisti coinvolti nella balistica terminale di fronteggiare in modo più efficiente e sistematico questi fenomeni, ponendo nuove basi per futuri sviluppi multidisciplinari, sia in ambito industriale che accademico.