Modelling of impact response and perforation of polycarbonate windshields

Polycarbonate is a polymeric material used for windscreens, especially in the automotive and aeronautical sectors. It has an impact resistance higher than laminate glass and is very light. Polycarbonate does not shatter when hit by a high-speed object, unlike a normal glass windshield commonly used for road vehicles. Thanks to these characteristics the use of polycarbonate is becoming more and more widespread in car racing. The FIA (Federation Internationale de l’Automobile) has investigated the use of this material for windshields to increase the safety of drivers after a collision. The fact that a violent collision generates a ductile rupture makes polycarbonate an excellent safety material. Tests carried out in the laboratory made it possible to verify the impact resistance of the windscreens in polycarbonate for rally-cross cars. From testing, it was possible to determine the speed at which the projectile perforate the windshield for different thickness. This research objective is to create a FE model able to replicate the experimental results obtained on curved windshields. The material model used in the analysis has been developed by using data available in the literature, in addition, sensitivity analysis has been carried out to refine the available data. The numerical investigation has been carried out using Abaqus explicit and OpenRadioss. Utilizing these two software programs enabled us to explore distinct approaches to material damage computation. An elastic-viscoplastic material model was used. This model includes temperature-dependent and rate-dependent Von Mises plasticity for deviatoric response coupled with ductile damage, The Mie-Grüneisen equation of state coupled with tensile failure criterion was also included in the material model to represent the hydrostatic response. The model developed will then allow to predict with high accuracy the results of an impact of a foreign object against the polycarbonate windshield, including a precise forecast of possible perforation upon impact. By refining our understanding of polycarbonate's behaviour and impact dynamics, we can potentially improve safety measures, benefitting not only drivers but also pedestrians who share the roads.

Il policarbonato è un materiale polimerico utilizzato per i parabrezza, specialmente nei settori automobilistico e aerospaziale. Ha una resistenza agli impatti superiore al vetro laminato ed è molto leggero. Il policarbonato non si frantuma quando colpito da un oggetto, a differenza di un parabrezza in vetro comunemente utilizzato per i veicoli stradali. Grazie a queste caratteristiche, l'uso del policarbonato sta diventando sempre più diffuso nelle competizioni automobilistiche. La FIA ha indagato sull'uso di questo materiale per i parabrezza al fine di aumentare la sicurezza dei conducenti dopo una collisione con un oggetto esterno. Il fatto che una violenta collisione generi una rottura duttile rende il policarbonato un eccellente materiale di sicurezza. I test effettuati in laboratorio hanno permesso di verificare la resistenza agli impatti dei parabrezza in policarbonato per le vetture da rally. Dalle prove è stato possibile determinare la velocità alla quale il proiettile perfora il parabrezza per diversi spessori. L'obiettivo di questa ricerca è creare un modello agli elementi finiti in grado di replicare i risultati sperimentali ottenuti su parabrezza curvi. Il modello del materiale utilizzato nell'analisi è stato sviluppato utilizzando dati disponibili in letteratura; inoltre, è stata condotta un'analisi di sensibilità per perfezionare i dati disponibili. L'indagine numerica è stata effettuata utilizzando Abaqus Explicit e OpenRadioss. L’utilizzo di questi due programmi ci ha permesso di esplorare due approcci differenti al calcolo del danno sul materiale. È stato utilizzato un modello di materiale elastico-viscoplastico che include plasticità di Von Mises dipendente dalla temperatura e dalla velocità per la risposta deviatorica accoppiata con danni duttili. Inoltre, l'equazione di stato di Mie-Grüneisen accoppiata con il criterio di rottura a trazione è stata inclusa nel modello del materiale per rappresentare la risposta idrostatica. Il modello sviluppato consentirà quindi di prevedere con elevata precisione i risultati di un impatto di un oggetto esterno contro il parabrezza in policarbonato, comprese previsioni precise sulla perforazione al momento dell'impatto. Affinando la nostra comprensione del comportamento e della dinamica degli impatti del policarbonato, possiamo potenzialmente migliorare le misure di sicurezza, beneficiando non solo i conducenti ma anche i pedoni che condividono le strade.