Analytical and numerical modelling of ballistic impacts on composite and ceramic composite targets

The present work focuses on the study of normal ballistic impacts of blunt projectiles, on multilayers composite and ceramic-composite targets, employed in body and military protections. In particular, both analytical and numerical models have been studied, and innovative solutions have been presented. Experimental tests focused on composite targets shootings, while further tests on ceramics will be carried out for deepening their behaviour. The modelling of blunt projectiles against only composite targets, is based on innovative contributions on an energy balance based analytical model, while the numerical model has been developed in LS-DYNA adopting two different approaches. First model, where each fabric layer is modelled as orthotropic equivalent, and a rheological one, based on the definition of all the details of the fabric architecture (in this case yarns and matrix have their own properties). Also the ceramic analytical model presents contributions that allow to represent low velocities impacts, with the aim of obtaining ballistic limits. Most of the ballistic protections are made of a ceramic tile, backed by a plate that can be of metal or composite. Hence, the final aim is to develop analytical and numerical models, able to reproduce impacts on multi-layers ceramic-composite targets, reducing experimental costs. In this work, composite and ceramic analytical models are coupled to obtain a new model that describes the behaviour of multi-layers targets, like also a numerical model. All the models are validated and compared with shooting tests carried out during the thesis, but also with data from literature.

Il presente lavoro verte sullo studio di impatti balistici su bersagli multi-strato in materiale composito e ceramico-composito, per impiego in protezioni personali e militari. In dettaglio sono stati studiati e sviluppati dei modelli analitici e numerici in grado di riprodurre il comportamento di proiettili a punta piatta impattanti perpendicolarmente contro suddette strutture. Prove di sparo sono state effettuate per ottenere dati di confronto, concentrando i test soprattutto sui materiali compositi. Il modello analitico del bersaglio composito si basa sull’apporto di contributi innovativi all’interno di una formulazione basata sul bilancio energetico tra proiettile e lastra; per quanto riguarda il modello numerico, sviluppato tramite il solutore numerico LS-Dyna, sono stati portati avanti due differenti approcci. Il primo riproduce gli strati del tessuto composito con proprietà meccaniche ortotrope, ma quelle fisiche in modo omogeneo; il secondo modello reologico, si basa sulla riproduzione in dettaglio dei singoli filati immersi nella matrice, entrambi caratterizzati da proprietà meccaniche differenti. Riguardo il materiale ceramico, si è migliorato un modello analitico esistente, garantendo la riproduzione di impatti a bassa velocità con lo scopo di individuare il limite balistico. Dal momento che la maggior parte delle protezioni balistiche innovative è formata da una piastra ceramica, sostenuta da una metallica o composita, lo scopo finale è avere dei modelli analitici e numerici in grado di riprodurre il comportamento di queste strutture, riducendo i costi sperimentali. Così è stato fatto per il modello analitico, che è l’unione di quelli citati prima, ma anche per il modello numerico. Tutti i modelli sono validati e comparati con le prove sperimentali ma anche con dati presenti in letteratura.