Danno balistico su lastre di grosso spessore : analisi sperimentale e validazione dei modelli numerici

The main aim of this work is the continuation and improvement of previous studies, that had the purpose of develop and validate numerical models able to reproduce experimental ballistic impact test, carried out on thick aluminum plates. The damage of materials under this load condition is really complex and needs a detailed analysis of morphological and metallurgical aspects, in order to understand their real behavior. Therefore we are able to combine the advantages of a pure numerical approach with the benefits of a detailed metallurgical study. Consequently, two are the targets of this thesis activity: the first is the development of a numerical model able to simulate the impact of NATO 7.62 mm AP projectiles on Al6061-T6 plates, paying attention to the FE modeling and damage of materials used; the other is the development of experimental tests with the purpose of reach information about residual stresses and changing in microstructure and hardness of materials. The union of these two approaches permits the complete knowledge of what happens during the impact and its consequences. Experimental activities were executed at Politecnico of Milan laboratories using X-Ray diffraction to measure residual stresses, and SEM and microhardness tester for metallurgical analysis. Instead, numerical analysis were conducted using two different commercial software: Abaqus/Explicit for 3D analysis and LS-DYNA for axisymmetric simplification of the problem. The comparison between numerical and experimental approaches shows a perfect correspondence between the results, confirming the possibility of numerical modeling of ballistic impact.

Il presente lavoro di tesi nasce come miglioramento di attività di ricerca precedenti, che hanno avuto come scopo l’evoluzione e la validazione di modelli numerici in grado di simulare prove sperimentali di impatto balistico su lastre di grosso spessore. La complessità del danno che un materiale subisce a seguito di un fenomeno di questo tipo richiede un’analisi morfologica e metallografica dettagliata, per poter comprendere al meglio il reale comportamento del materiale stesso. Il presente lavoro ha quindi due obiettivi principali: da un lato, quello di sviluppare modelli numerici in grado di simulare l’impatto balistico di proiettili di reale applicazione militare contro lastre in Al6061-T6, prestando attenzione ai materiali coinvolti, alla loro modellazione e al loro danneggiamento, sia per i bersagli, che per i diversi proiettili utilizzati; dall’altro, l’esecuzione di prove di laboratorio per l’ottenimento delle tensioni residue, l'analisi delle modifiche microstrutturali e di durezza subìte dai materiali e l'acquisizione di una rappresentazione completa del comportamento degli stessi durante l'impatto. Facendo convergere i due approcci, è stato possibile effettuare un confronto particolareggiato tra le analisi svolte, così da poter avere una validazione univoca dei risultati ottenuti e disporre di una visione completa del fenomeno studiato. L’elaborato si basa sull'analisi di tre lastre di diverso spessore in Al6061-T6, impattate con proiettili NATO 7.62 AP in acciaio e AP in tungsteno. Le attività sperimentali sono state svolte grazie all’utilizzo di strumentazioni per l’identificazione delle tensioni residue (diffrattometro ai raggi X) e per l’indagine metallografica (microdurometri e SEM). Le analisi FEM sono state effettuate con due differenti software: Abaqus/Explicit per i modelli 3D e LS-DYNA per i 2D, in cui sono state adottate semplificazioni assialsimmetriche del fenomeno. I confronti numerico-sperimentali sviluppati hanno mostrato un’ottima corrispondenza dei risultati, confermando la possibilità di modellazione dei fenomeni di impatto balistico tramite l’utilizzo di modelli numerici.