Ballistic Properties of Projectile Material
Authors
Othman, Ahmad ; Barrett, Søren ; Christiansen, Rasmus Viking Lømand Ravgård
Term
3. term
Education
Publication year
2016
Submitted on
2016-12-20
Pages
99
Abstract
Dette speciale undersøger terminal ballistik – hvad der sker, når et projektil rammer en pansret plade – for at finde de vigtigste forhold, der får projektilet til at deformere eller svigte. Målet er at give viden, der kan gøre Composhields pansreløsninger mere effektive i operationer. Arbejdet kombinerer tre spor: analytiske beregninger, numeriske simuleringer og praktiske forsøg. Der anvendes et standardiseret stump cylindrisk FSP (fragment-simulerende projektil) på 15 mm længde og 10 mm diameter, fremstillet i stål, aluminium eller messing. En FSP repræsenterer de små fragmenter, der ofte opstår ved improviserede sprængladninger (IED). I det analytiske spor udvikles formler, der uden empiriske konstanter kan estimere panserpladens bremsende tryk på projektilet, samt en metode til at bestemme projektilets dynamiske flydespænding ved stød under materialets plastiske bølgehastighed (den hastighed, hvormed permanent deformation udbreder sig). På dette grundlag opstilles en model, som forudsiger projektilets længde- og tværdeformation, spændingsfordeling og gennemtrængningsdybde. Denne model stemmer godt overens med forsøg og simulationer. Ved højere hastigheder, over den plastiske bølgehastighed, tilpasses en eksisterende model fra projektil–keramik-stød til projektil–stål-stød for at beskrive erosion (masse-tab) af projektilet. Tilpasningen er utilstrækkelig, og overensstemmelsen med forsøg og simulering er dårlig. I det numeriske spor anvendes hydrokoder i ANSYS Autodyne og Explicit Dynamics (specialiseret software til højhastighedspåvirkninger). Antagelsen om aksialsymmetri for cylindriske projektiler verificeres, og et konvergensstudie fastlægger en passende maskestørrelse. Simulationer, der efterligner forsøgsopstillingen, gennemføres, og den resterende projektilængde efter stød beregnes for stål og aluminium. Numerisk elementerosion og -svigt udelades i de endelige simuleringer. Resultaterne passer godt med forsøgene. I forsøgene testes en bred hastighedsvariation, 220–530 m/s, med i alt 28 stød fordelt på de tre materialer. Der observeres både seje brud (plastisk "svampeformning") og sprøde brud. Modellerne kan ikke beskrive de sprøde brud, som derfor udelades i sammenligningerne. Inspektion af projektiler efter stød giver desuden observationer, som modeller og simulationer ikke fanger. Samlet peger arbejdet på de styrende mekanismer for deformation og gennemtrængning for de undersøgte projektiler og hastigheder, og viser hvor modellerne fungerer godt, samt hvor der er begrænsninger.
This thesis studies terminal ballistics, meaning what happens when a projectile strikes an armor plate, to identify the main factors that make the projectile deform or fail. The aim is to inform more efficient armor solutions for Composhield's clients in the field. The work combines three approaches: analytical calculations, numerical simulations, and experiments. A standardized blunt cylindrical fragment-simulating projectile (FSP), 15 mm long and 10 mm in diameter, made from steel, aluminum, or brass, is used. An FSP represents the small fragments commonly produced by improvised explosive devices (IEDs). Analytically, the thesis derives expressions to estimate the plate's retarding pressure on the projectile without empirical constants and to determine the projectile material's dynamic yield strength for impacts below the plastic wave velocity (the speed at which permanent deformation propagates in a material). Building on this, a model is set up that predicts lengthwise and radial deformation, stress distribution, and penetration depth. This model correlates well with both experiments and simulations. For higher speeds, above the plastic wave velocity, a model originally developed for projectile–ceramic impacts is adapted to projectile–steel impacts to account for projectile erosion (loss of mass). The adaptation is insufficient, and agreement with experiments and simulations is poor. Numerically, hydrocodes in ANSYS Autodyne and Explicit Dynamics (specialized software for high-speed impact) are used. The assumption of axisymmetry for cylindrical projectiles is verified, and a mesh convergence study identifies a suitable mesh size. Simulations that mimic the experimental setup are run to obtain post-impact projectile lengths for steel and aluminum. Numerical element erosion and failure are omitted in the final simulations. The simulations show good agreement with the experiments. Experimentally, a wide velocity range of 220–530 m/s is covered in a campaign totaling 28 impacts across the three materials. Both ductile failures (plastic "mushrooming") and brittle fractures are observed. Since the models cannot capture brittle failure, those cases are excluded from comparisons. Post-impact inspections also reveal details not seen in models and simulations. Overall, the combined approach clarifies the mechanisms controlling deformation and penetration for the tested projectiles and speeds, highlighting where the models perform well and where limitations remain.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents
Other projects by the authors
Othman, Ahmad:
Barrett, Søren:
Christiansen, Rasmus Viking Lømand Ravgård: