Optimisation of light-weight armour plates for energy absorption

Abstract

Technology advances continue to revolutionise military equipment. The development of new firepower induces an interest in the enhancement of protection gear, both for transportation vehicles and personnel. There has been a significant amount of research of methods to increase protection capabilities without increases in the weight of a given defence system. This dissertation seeks to develop an optimisation tool that results in light-weight armour plates without compromising protection capabilities. A thorough study on the propagation of elastic and plastic stress waves aims for a better understanding of how an armour system behaves upon ballistic impact. The first part of this dissertation focuses on the development of a Python script that provides an efficient approach to model generation in Abaqus. It enables the user to avoid time consuming actions when designing ballistic test models to later simulate through the software. This script is also used to validate the theory behind elastic and plastic stress wave propagation while also being able to access output databases and interpret obtained results. The importance of the script is relevant for the second part of the dissertation, which takes advantage of the Abaqus Python Application Programming interface (API) to perform optimisation procedures automatically. Focusing particularly on the application of the particle swarm optimisation algorithm, this work continuously improves the efficiency and accuracy of the mentioned algorithm by dividing three different optimisation problems into several experiments. Each one of the experiments is carefully defined to highlight the impact of a specific operating parameter of the algorithm. A validation of the stress wave propagation and how it is affected upon contact with layered media is carefully conducted through a series of different analysis approaches. It is shown that the plastic stress wave propagates slower than the elastic one and that plastic deformation affects the properties of the generated stress wave, such as wavelength. The implemented particle swarm optimisation algorithm proved to be an effective approach to problem solving, however, for complex problems the operational parameters must be carefully chosen.

Os avanços na tecnologia continuam a revolucionar equipamentos militares. O desenvolvimento de novas armas de fogo induz interesse no aprimoramento de equipamento de proteção, para veículos de transporte e pessoal. Tem havido uma quantidade significativa de investigação de métodos para aumentar as capacidades de proteção sem aumento de peso de um dado sistema de proteção. Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta de otimização que resulta em placas de armadura de baixo peso sem comprometer capacidades de proteção. Um estudo cuidadoso acerca da propagação de ondas de tensão elásticas e plásticas procura compreender a forma como um sistema de armadura reage após um impacto balístico. A primeira parte desta dissertação foca-se no desenvolvimento de um código em Python que fornece uma abordagem eficiente à geração de modelos no Abaqus. Isto permite que o utilizador evite ações que consumam tempo ao criar modelos de teste balístico para simular mais tarde através do software. Este código é também usado para validar a teoria por detrás da propagação de ondas de tensão elásticas e plásticas e ao mesmo tempo habilitar o acesso a dados de saída do software e interpretar resultados obtidos. A importância do código é relevante para a segunda parte da dissertação, que tira vantagem da interface de aplicação e programação do Abaqus Python (API) para executar procedimentos de otimização de forma automática. Com foco em particular na aplicação do algoritmo de otimização por enxame de partículas, este trabalho melhora continuamente a eficácia e precisão do algoritmo mencionado através da divisão de três diferentes problemas de otimização em várias experiências. Cada uma das experiências é cuidadosamente definida para destacar o impacto de um parâmetro operacional específico do algoritmo. A validação da propagação da onda de tensão e como é afetada após contacto com um meio material de múltiplas camadas é cuidadosamente estudada através de séries de diferentes análises. É mostrado que a onda de tensão plástica se propaga mais lentamente que a elástica e que deformação plástica afeta as propriedades da onda de tensão gerada, tal como o comprimento de onda. O algoritmo de otimização por enxame de partículas implementado prova ser uma abordagem eficaz para a resolução de problemas, no entanto, para problemas complexos os parâmetros operacionais devem ser escolhidos com cuidado.