On the efficiency of different constitutive models and equations of state when modelling ballistic impact

Abstract

En el mundo actual existen numerosas amenazas que hacen necesaria la constante evolución de los sistemas de protección. La simulación de impacto de proyectiles mediante el Método de los Elementos Finitos es uno de los ensayos más comunes y con más futuro dada su rapidez de cálculo, realismo y, sobre todo, su bajo coste respecto a los ensayos del tipo experimental (de carácter destructivo). En este trabajo se pretende llevar a cabo un estudio del arte y posteriormente aplicarlo a un caso real en el que un proyectil esférico impacta contra el doble casco de un buque acorazado de 500 toneladas. El análisis se realizará sobre el impacto contra el primer casco y, a continuación, contra el doble casco del navío. Además, para dos velocidades de impacto diferentes, evaluando posteriormente si existe perforación parcial o completa del acorazado. El análisis se caracteriza siguiendo el modelo de daño y de plasticidad de Johnson-Cook, siendo escogido como material el acero Weldox 460 E dada su similitud con los aceros utilizados en aplicaciones navales. El software utilizado para este trabajo será el Abaqus/Explicit TM. Se puede observar en los resultados como el modelo de fallo depende totalmente de la velocidad del impacto, al tener en este trabajo un sólo tipo de proyectil (hemisférico). La velocidad residual del proyectil después del impacto, así como su variación de energía cinética variarán dependiendo de la velocidad del impacto así como del espesor del objetivo.

Nowadays many threats require the constant development of protection systems. Ballistic impact simulation using the Finite Element Method is one of the most common and feasible tests due to their velocity of calculation, realism, and especially their low cost compared to experimental testing (destructive character). This project aims to conduct a study of the current state of the art and application of the finite element method to a real case in which a spherical projectile impacts a hull and bulkhead of a 500 tons battleship. Many different cases have been studied using different initial velocities. The analyses have been modelled using the Jonhson-Cook plasticity and failure models. The material chosen for this project was the Weldox 460 E steel because of its similarity to marine applications steels. The software used is Abaqus/Explicit TM. It can be seen on the results how damage and failure highly depend on the impact velocity. The residual velocity after the impact and the kinetic energy loss will vary depending on the impact velocity and the target thickness and configuration.