Modeling of composite helmet subjected to ballistic impacts and comparison with experimental tests

Helmets have been vital elements of personal protective gear throughout human history, adapting and evolving in response to ever-changing threats. The Advanced Combat Helmet (ACH) has become a crucial protective equipment for modern military personnel. This study focuses on the definition of predictive methodologies using an ACH helmet made of composite material reinforced with Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) fibers. The research combines experimental testing and finite element (FE) modeling to assess and improve the helmet’s resistance to ballistic threats. The experimental phase involves subjecting UHMWPE-reinforced composite ACH helmets to various ballistic tests, examining their ability to withstand and mitigate the impact of high-velocity projectiles. These tests provide precious empirical data, enabling an in-depth evaluation of the helmets’ protective capabilities. The ballistic performance evaluation has been assessed by taking into consideration the Back Face Deformation (BFD) and the ballistic limit V50. In parallel, a detailed finite elements model is developed by using LS-DYNA to simulate the helmet’s response to ballistic impacts. This model helps in understanding the structural behavior of the helmet, and it is used to predict and compare results with the experimental observations. The comparative analysis between experimental and numerical data highlights the capability of the model to replicate, with remarkable accuracy, the real-world behavior observed in empirical testing. In particular, the model demonstrated reliable replicating abilities of the key parameters obtained from the tests, namely the value of trauma recorded on the test headform’s clay in penetration tests, the peak acceleration value in attenuation tests, and the V50 value in FSP penetration resistance tests. This concordance between numerical predictions and experimental outcomes serves as a testament to the model’s robustness and fidelity, and highlights the possibility of using the model as a predictive tool.

Gli elmetti hanno svolto un ruolo vitale nella storia come elementi di protezione personale, adattandosi ed evolvendo in risposta a minacce in continua evoluzione. L’Advanced Combat Helmet (ACH) è diventato un componente cruciale dell’equipaggiamento protettivo per il personale militare moderno. Questo studio si concentra sulla definizione di metodi predittivi utilizzando un elmetto ACH realizzato in materiale composito rinforzato con fibre di polietilene ad alto peso molecolare (UHMWPE). La ricerca combina test sperimentali e modellazione a elementi finiti (FE) per valutare e migliorare la resistenza dell’elmo alle minacce balistiche. La fase sperimentale comporta l’esposizione degli elmetti ACH compositi rinforzati con fibre UHMWPE a vari test balistici, esaminandone la capacità di resistere e attenuare l’impatto di proiettili ad alta velocità. Questi test forniscono preziosi dati empirici, consentendo una valutazione approfondita delle capacità protettive degli elmetti. La valutazione delle prestazioni balistiche è stata effettuata prendendo in considerazione la Deformazione della Faccia Posteriore (BFD) e il limite balistico V50. Parallelamente, è stato sviluppato un dettagliato modello a elementi finiti in LS-DYNA per simulare la risposta dell’elmetto agli impatti balistici. Questo modello aiuta a comprendere il comportamento strutturale dell’elmetto ed è utilizzato per prevedere e confrontare i risultati con le osservazioni sperimentali. L’analisi comparativa tra i dati sperimentali e quelli numerici evidenzia la capacità del modello di replicare, con notevole precisione, il comportamento osservato nel mondo reale durante i test empirici. In particolare, il modello ha dimostrato una notevole abilità di replica dei principali parametri ottenuti dai test, ovvero il valore del trauma registrato sulla plastilina della falsa testa durante le prove di penetrazione, il valore di accelerazione di picco nelle prove di attenuazione e il valore V50 nelle prove di resistenza alla penetrazione di FSP. Questa concordanza tra le previsioni numeriche e i risultati sperimentali funge da testimonianza della solidità e della fedeltà del modello, e sottolinea la possibilità di utilizzarlo come strumento predittivo.