Numerical modelling of the dynamic behaviour of stiff composite armour subject to ballistic impact

Abstract

With the current events concerning terrorist attacks, it is imperative to perform research and development on issues related to ballistic protection. The need to protect soldiers from high impact velocity threats has become increasingly important and challenging. Within the scope of this work the aim is to develop an optimised armour configuration for an advanced ballistic helmet design, which is able to defeat impacts from high velocity rifle bullets. This is done using finite element modelling supported by results from experimental tests. The design presented here is based on four different layers, where: (i) the first layer is designed to break and erode the projectile, (ii) the second layer absorbs the kinetic energy of the projectile, (iii) the third layer minimises the back face deflection and, finally, (iv) a fourth layer absorbs the shock wave of the initial impact and provides the necessary standoff (required by the back face deflection) for the first three layers, so that direct contact between these layers and the head does not occur. The results obtained by simulation with the finite element method (using LS-DynaTM) demonstrate that the models agree with the experimental results. A detailed numerical study of the diferent layers as well as the 7.62x39 M43 projectile was made. A good correlation between numerical and experimental results of the ammunition and armour materials was achieved, as well as between numerical and experimental results in terms of the depth of indentation as a function of impact velocity of the new ballistic helmet design. The last two sets of numerical analysis made for the helmet shell configuration was relative to the shock absorbing layer. The first set of simulations consisted of introducing rigid boundaries to the composite layer of the at panel. A second set of simulations considered the composite layer of the at panel to be attached to a rigid frame, without fixing this frame. From the simulation results, a shock-absorbing layer can be designed in such a way as to significantly reduce the risk on behind-helmet blunt trauma, and with acceptable force transfer to the head. An optimum standoff distance was determined for a ballistic helmet concept able to stop the M43 Kalashnikov projectile.

Face aos sucessivos eventos relativos a ataques terroristas, é imperativo realizar investigação científica e desenvolvimento em questões relacionadas com a proteção balística. O objetivo principal do trabalho que aqui se apresenta _e desenvolver um novo capacete balístico capaz de parar projéteis de alta velocidade, usando modelos de elementos finitos, validados com base em resultados de testes experimentais. O modelo de capacete aqui apresentado _e composto por quatro diferentes camadas, onde: (i) a primeira é capaz de deformar e fraturar o projétil, especialmente o núcleo de aço, ajudando a reduzir a sua velocidade; (ii) a segunda camada absorve energia cinética do projétil, (iii) a terceira limita a deflexão da face anterior e, finalmente, (iv) a quarta camada absorve a onda de choque do impacto inicial e garante a distância necessária para evitar o contato dessas camadas com a cabeça. Foi também realizado um estudo numérico detalhado das diferentes partes do projétil 7.62 x 39 M43. Obteve-se uma boa correlação entre os resultados numéricos (usando o software LS-DynaTM) e experimentais para os modelos do projétil quer do equipamento de proteção pessoal (capacete). Atingiu-se também uma boa correlação em termos de velocidade de impacto em função da profundidade de deformação do novo desenho de capacete balístico. Realizou-se uma análise numérica mais detalhada para a configuração do capacete relativa _a camada de absorção da onda de choque. Um primeiro conjunto de simulações consistiu em introduzir limites rígidos nas extremidades das três primeiras camadas. Um segundo conjunto de simulações considerou as três primeiras camadas anexadas a uma estrutura rígida, fixa no capacete. A partir dos resultados numéricos, conclui-se ser possível projetar uma camada de absorção da onda de choque de maneira a reduzir significativamente o risco de traumatismo craniano causado pelo impacto no capacete. Uma distância mínima entre a cabeça e o capacete pode, portanto, ser determinada para um novo modelo de capacete balístico capaz de parar o projétil M43 Kalashnikov.