Optimización mediante simulación numérica de protecciones ligeras frente a impacto

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En este documento se presentan los resultados de simulaciones realizadas con Autodyn del impacto balístico sobre un panel de Kevlar. Se realiza una simulación con un proyectil FSP de 1,1 gramos a velocidad de límite balístico según lo publicado por Tham (610 m/s) para un panel de 9,5 mm de espesor. Se compara con los resultados y observaciones de deformación y fallo publicados, con varias similitudes. Se incluye un pequeño análisis del comportamiento del modelo ante velocidades del proyectil alejadas del límite balístico (200 m/s y 1000 m/s). Se comparan también simulaciones con distintos espesores de placa (2,4 mm, 5 mm y 8 mm) con el modelo analítico de Walker, y con los datos experimentales de Silva (en el caso de espesor 2,4 mm), encontrándose algunas discrepancias importantes. Se muestran también las diferencias observadas en simulaciones realizadas con proyectiles de distintas geometrías: cilindro, punta cónica, punta hemisférica. Los distintos proyectiles conservan la misma masa y diámetro del proyectil FSP e impactan el laminado con la misma velocidad (610 m/s) para realizar la comparación. __________________________________________________________________________________________________________________
This paper presents the results from Autodyn simulations on the ballistic impact of a Kevlar panel. A simulation is performed using 1.1 gram FSP at the ballistic limit velocity, according to the paper published by Tham (610 m/s), for a 9.5 mm thick panel. The results obtained are compared to results and observations of deformation and failure published, with many similarities. It is included a brief analysis of model performance at projectile speeds far from the ballistic limit (200 m/s and 1000 m/s). Simulations with different thicknesses of the plate (2.4 mm, 5 mm and 8 mm) are also compared to the analytical model by Walker, and with the experimental results obtained by Silva (for the 2.4 mm thick panel). There are some serious differences between simulations and the data from Walker and Silva. Some simulations with different projectile geometry are presented: cylinder, conical tip and hemispherical tip. The different projectiles have the same mass and diameter of the FSP, and impact the laminate with the same velocity (610 m/s), in order to make possible the comparison of the results.
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Publié le 01 juillet 2011
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Langue Español
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Departamento de Mecánica de Medios Continuos
y Teoría de Estructuras



PROYECTO FIN DE CARRERA





OPTIMIZACIÓN MEDIANTE
SIMULACIÓN NUMÉRICA DE
PROTECCIONES LIGERAS
FRENTE A IMPACTO







Autor: Javier Colorado Rodríguez


Tutor: Marcos Rodríguez Millán




Leganés, julio de 2011


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Título: Optimización mediante simulación numérica de protecciones ligeras
frente a impacto
Autor: Javier Colorado Rodríguez
Director: Marcos Rodríguez Millán





EL TRIBUNAL



Presidente:


Vocal:


Secretario:




Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el día __ de _______
de 20__ en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de
Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIÓN de







VOCAL







SECRETARIO PRESIDENTE



iii



iv
Agradecimientos
Agradezco en primer lugar a mis padres y mi hermano el apoyo durante estos años de
estudio. También agradecer a los amigos y compañeros de estos años en la Universidad
los buenos momentos pasados.
Debo agradecer al tutor de este proyecto, Marcos Rodríguez Millán, los consejos y la
ayuda para completar el trabajo de elaboración del proyecto que aquí se expone.
Por último agradecer a todos los profesores que he encontrado durante mis estudios
en la Universidad Carlos III, que han contribuido en mayor o menor medida a formarme
como ingeniero industrial.




v

vi
Resumen
En este documento se presentan los resultados de simulaciones realizadas con
Autodyn del impacto balístico sobre un panel de Kevlar. Se realiza una simulación con un
proyectil FSP de 1,1 gramos a velocidad de límite balístico según lo publicado por Tham
(610 m/s) para un panel de 9,5 mm de espesor. Se compara con los resultados y
observaciones de deformación y fallo publicados, con varias similitudes. Se incluye un
pequeño análisis del comportamiento del modelo ante velocidades del proyectil alejadas
del límite balístico (200 m/s y 1000 m/s). Se comparan también simulaciones con
distintos espesores de placa (2,4 mm, 5 mm y 8 mm) con el modelo analítico de Walker,
y con los datos experimentales de Silva (en el caso de espesor 2,4 mm), encontrándose
algunas discrepancias importantes. Se muestran también las diferencias observadas en
simulaciones realizadas con proyectiles de distintas geometrías: cilindro, punta cónica,
punta hemisférica. Los distintos proyectiles conservan la misma masa y diámetro del
proyectil FSP e impactan el laminado con la misma velocidad (610 m/s) para realizar la
comparación.


Palabras clave: Autodyn; Límite balístico; Impacto; Material compuesto; Kevlar;
Laminado; Elementos finitos.

vii
Abstract
This paper presents the results from Autodyn simulations on the ballistic impact
of a Kevlar panel. A simulation is performed using 1.1 gram FSP at the ballistic limit
velocity, according to the paper published by Tham (610 m/s), for a 9.5 mm thick panel.
The results obtained are compared to results and observations of deformation and failure
published, with many similarities. It is included a brief analysis of model performance at
projectile speeds far from the ballistic limit (200 m/s and 1000 m/s). Simulations with
different thicknesses of the plate (2.4 mm, 5 mm and 8 mm) are also compared to the
analytical model by Walker, and with the experimental results obtained by Silva (for the
2.4 mm thick panel). There are some serious differences between simulations and the
data from Walker and Silva. Some simulations with different projectile geometry are
presented: cylinder, conical tip and hemispherical tip. The different projectiles have the
same mass and diameter of the FSP, and impact the laminate with the same velocity (610
m/s), in order to make possible the comparison of the results.



Keywords: Autodyn; Ballistic limit; Impact; Composite materials; Kevlar; Laminate;
Finite elements.

viii
Índice general
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ......................................................................................... 1
1.1 Introducción ................................................................................................... 1
1.2 Objetivos ....................................................................................................... 2
1.3 Estructura ....................................................................................................... 3
2. ANTECEDENTES .............................................................................................................. 4
2.1 Introducción ................................................................................................... 4
2.1.1 Límite balístico ....................................................................................... 5
2.2 Materiales utilizados para protecciones balísticas ligeras ............................. 5
2.2.1 Fibras de altas prestaciones .................................................................... 5
2.2.2 Tejidos .................................................................................................... 8
2.2.3 Resinas .................................................................................................. 10
2.3 Parámetros que influyen en el impacto balístico ......................................... 11
2.3.1 Propiedades del material ...................................................................... 11
2.3.2 Características dimensionales del objetivo ........................................... 13
2.3.3 Características del proyectil ................................................................. 14
ix
2.4 Teorías de fallo para materiales compuestos ............................................... 17
2.4.1 Fallo en el plano de la lámina ............................................................... 17
2.4.2 Fallo tridimensional .............................................................................. 18
2.5 Mecanismos de penetración en laminados compuestos .............................. 19
2.6 Mecanismos de absorción de energía .......................................................... 22
2.6.1 Diferenciación propuesta por Naik, Shrirao y Reddy .......................... 22
2.6.2 Otras diferenciaciones .......................................................................... 25
2.7 Modelos analíticos de predicción del límite balístico ................................. 25
2.7.1 Modelo de Walker para tejido y efecto de la resina ............................. 25
2.7.2 Modelo de Van Gorp ............................................................................ 29
2.7.3 Modelo de Wen .................................................................................... 30
2.7.4 Modelo de Naik y Shrirao .................................................................... 33
2.7.5 Relación entre los parámetros de Cunniff para protecciones de tejido
por Porwal y Phoenix ................................................................................................ 36
3. SIMULACIÓN NUMÉRICA DE IMPACTO .......................................................................... 39
3.1 Introducción ................................................................................................. 39
3.2 Simulación numérica de problemas dinámicos ........................................... 40
3.2.1 Modelado con hidrocódigos ................................................................. 40
3.2.2 Discretización ....................................................................................... 41
3.2.3 Descripciones del mallado .................................................................... 42
3.2.4 Requisitos del esquema utilizado ......................................................... 44
3.3 Modelo de material polimérico reforzado por fibra .................................... 45
3.3.1 Ecuación de estado ............................................................................... 47
3.3.2 Modelo de fallo .................................................................................... 50
3.4 Ensayos para la caracterización de un material ortotrópico ........................ 51
3.4.1 Propiedades direccionales .................................................................... 51
3.4.2 Propiedades de ecuación de estado ...................................................... 52
3.4.3 Delaminación ........................................................................................ 53
4. RESULTADOS ................................................................................................................. 55
4.1 Introducción ................................................................................................. 55
4.2 Modelado en elementos finitos .................................................................... 56
4.2.1 Partes .................................................................................................... 56
4.2.2 Simplificaciones ................................................................................... 57
4.2.3 Propiedades de los materiales ............................................................... 58
4.2.4 Mallado ................................................................................................. 60
4.2.5 Parámetros de la simulación ................................................................. 63
4.3 Validación y análisis de sensibilidad ........................................................... 64
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