Impatto balistico contro bersagli di grosso spessore : modellazione e validazione sperimentale

The main aim of this work is the development of an analytical model for the ballistic impact. This phenomenon deals with a great deal of physics aspect, such as the dynamic hardening, the thermal softening and the material failure. Therefore, a deep study of all these aspects would be really challenging because of all the interactions. An analytical approach would provide, yet, such good predictions like target damage, contact forces and residual tensions. Going on this way, it’d be possible to make a preliminary study of a real mechanic component using this analytical model. This approach would allow, during the next stages, numerical models restricted in the zone highlighted to be weak by the analytical model. In order to develop this model, we note the absence, in the relate literature, of a unified one capable to deal with different kinds of material and, above all, different types of projectiles. Thus the goal is to create an analytical model able to handle different configurations of ballistic impact, to predict velocity and displacement trends, depth of penetration and forces involved. This model will be validated both with numerical simulations, concerning a projectile impact on a plate, and with experimental shooting tests. These tests have been totally designed in this work, from the holding structure to the data acquisition. The match between the three approaches results really good and this gives consistency to the analytical model developed.

Il presente lavoro di tesi si è concentrato sullo sviluppo di un modello analitico predittivo per l’impatto balistico. Questo fenomeno fisico include una molteplicità di aspetti di difficile indagine, come ad esempio l’incrudimento dinamico, l’innalzamento locale di temperatura e la frattura del materiale. Uno studio fisico approfondito di tutti questi fenomeni risulterebbe impossibile a causa di tutte le interazioni presenti. Tuttavia un approccio analitico per il fenomeno dell’impatto balistico è quanto mai versatile, consente, infatti, una stima preliminare di aspetti quali danno sul bersaglio, forze scambiate e tensioni residue. Procedendo in questo modo, è possibile fare un’indagine preliminare con un modello analitico circa le parti più critiche di un componente reale. In fase di ulteriore approfondimento, poi, ci si limiterebbe a uno studio con i modelli numerici di tali zone. Al fine dello sviluppo di tale modello analitico, si nota l’assenza, in letteratura, di uno unificato in grado di essere applicato a diversi tipi di materiale del bersaglio e soprattutto alle più svariate tipologie di proiettile. Lo scopo principale di questo lavoro di tesi è quindi creare un modello capace di trattare qualunque forma di proiettile, da quelli costruiti ad hoc per le prove di laboratorio a quelli utilizzati in campo militare, adatto a descrivere correttamente qualunque materiale metallico del bersaglio e in grado di prevedere andamenti di velocità e spostamento del proiettile, profondità di penetrazione nel bersaglio e forze scambiate durante il fenomeno. Tale modello sarà poi comparato e validato sia con simulazioni numeriche ad elementi finiti, riproducenti l’impatto di un proiettile contro una lastra, che con test di sparo. Queste prove sperimentali sono state interamente ideate e realizzate nel seguente lavoro di tesi, a partire dalla progettazione della struttura di sostegno dei bersagli, passando per la scelta dei corretti sistemi di vincolo, fino al set-up del sistema di acquisizione di dati e immagini. Il riscontro tra i tre approcci all’impatto balistico è piuttosto buono e ciò conferisce consistenza al modello analitico sviluppato.