Material analyses of helmets subject to blunt load

Military protections, such as bulletproof vests and helmets, play a crucial role in the protection of soldiers, especially those who are involved directly in military zones. In fact, through the past century, the evolution of design and materials underwent a remarkable improvement, starting from soldered-steel helmets to actual Kevlar and Dyneema (trademark registered by DSM company) helmets, much more reliable, resistant, and lighter. In this thesis, state-of-the-art combat protection, focused on helmets, will be shown and discussed, since it will be used as a base for the following sections. Then, material assessment will be conducted, specifically on the two types of foams between the head and the helmet shell: these foam pads are meant for both comfort and attenuation of impacts. Due to the low presence of data regarding the Dyneema, the core material of the studied helmet, it will be tested with a three-point bending testing procedure, to verify the material data obtained from the scientific literature. Finally, blunt impacts are modeled. These types of impacts simulate low-velocity impacts, such as a fall in traffic. Despite seeming of lower importance when compared to ballistic impacts, they can cause non-negligible damage to the head and to the brain of the person. In particular, simulations will vert to the extrapolation of linear acceleration and rotational velocities since these parameters are used to compute two different values (HIC and BrIC) which represent the safety criteria for blunt impact testing. All the blunt tests have been conducted based on a European regulation standard ECE 22.06 and the NATO AEP 29.02.

Le protezioni militari, come i giubbotti antiproiettile e gli elmetti, ricoprono un ruolo cruciale nella protezione dei soldati, soprattutto di quelli impegnati direttamente nelle zone militari. Nel corso dell'ultimo secolo, infatti, l'evoluzione del design e dei materiali ha subito un miglioramento notevole, partendo dagli elmetti in acciaio saldato fino agli attuali elmetti in Kevlar e Dyneema (marchio registrato dalla compagnia DSM), molto più affidabili, resistenti e leggeri. In questa tesi verrà illustrato e discusso lo stato dell'arte delle protezioni da combattimento, incentrato sull'elmetto, che sarà utilizzato come base per le sezioni successive. Si procederà poi alla valutazione dei materiali, in particolare dei due tipi di schiuma che si interpongono tra la testa e la calotta dell'elmetto: questi rivestimenti (pad) in schiuma sono destinati sia al comfort che all'attenuazione degli impatti. A causa della scarsa presenza di dati relativi al Dyneema, il materiale principale da cui l’elmetto è costituito, sarà testato con una procedura di prova di flessione a tre punti, per verificare la validità dei dati ottenuti dalla letteratura scientifica. Infine, vengono modellati gli impatti contundenti. Questi tipi di impatto simulano impatti a bassa velocità, come una caduta in un incidente stradale. Nonostante essi sembrino di minore importanza rispetto agli impatti balistici, possono causare danni non trascurabili alla testa e al cervello della persona. In particolare, le simulazioni si concentreranno sull'estrapolazione delle accelerazioni lineari e delle velocità di rotazione, poiché questi parametri sono utilizzati per calcolare due diversi valori (HIC e BrIC) che rappresentano i criteri di sicurezza per le prove di impatto contundente. Tutte le prove d'urto sono state condotte sulla base della normativa europea ECE 22.06 e della norma NATO AEP 29.02.