Characterization and modeling of the dynamic behavior of materials constituting a ceramic-composite protective structure
Caractérisation et modélisation du comportement dynamique des matériaux constituant une structure de protection céramique-composite
Résumé
This thesis aimed to develop a numerical model able to predict the mechanisms involved in the impact of a 7.62x51 AP P80 ammunition on a ceramic / composite assembly. This armor is composed of an alumina layer supported by a plate of UWMWPE long fiber laminate composite. A mechanical characterization was carried out on the studied materials, in order to investigate their behavior under static and dynamic loadings and to determine the properties and parameters of the selected constitutive models. Specific tests have been carried out such as plate impact tests on ceramic or laboratory projectile impact on the composite alone. A diffuse damage model was selected for the composite to describe the failure mechanisms observed during tests, up to perforation. The identification of the properties and parameters required experimental data from the literature and the thesis, and is based on inverse optimization analysis (LS-OPT®). Regarding ceramics, a probabilistic behavior model and an equation of state capable of representing anisotropic damage in dynamic tension, and an elastoplastic-like behavior in compression for fragmented ceramics has been proposed. This model has been implemented in Abaqus® Explicit in the form of a user material model. Ballistic impact tests were carried out on the bilayer structures to study the influence of the thickness of the two materials. The damage mechanisms brought into play during the impact were analyzed from post-mortem observations and video captures. In order to model the behavior of the fragmented ceramic, and to represent the clouds of very small fragments in the form of real discontinuities, a transformation of finite elements into SPH particles has been added. Numerical simulations of perforating and non-perforating cases have been achieved and compared with the experimental results. The developed model allows to describe ceramic damage and the formation of a fragmentation cone under the projectile, as well as the residual velocity in the perforating case and the maximum deflection behind the composite in both cases.
Cette thèse avait pour objectif de développer un modèle numérique capable de décrire de manière prédictive les mécanismes mis en jeu lors de l’impact d’une munition 7.62x51 AP P80 sur un assemblage céramique/composite. Ce blindage est composé d’une plaque d’alumine soutenue par une plaque de composite stratifié à fibres UWMWPE longues. Une caractérisation mécanique a été effectuée sur les matériaux de l’étude, afin d’étudier leurs comportements sous sollicitations statiques et dynamiques et de déterminer les propriétés et paramètres des lois de comportement choisies. Des essais spécifiques ont été mis en œuvre comme des essais d’impacts de plaques sur céramique ou d’impact de projectiles de laboratoire sur composite seul. Un modèle d’endommagement diffus a été retenu pour le composite afin de décrire les mécanismes de ruine observés lors des essais jusqu’à perforation. L’identification des propriétés et paramètres a fait appel à des données expérimentales issues de la littérature et de la thèse et s’appuie sur une analyse inverse d’optimisation (LS-OPT®). En ce qui concerne la céramique, un modèle de comportement probabiliste et une équation d’état capables de représenter un endommagement anisotrope en tension dynamique, et un comportement de type élastoplastique en compression pour la céramique fragmentée a été proposé. Ce modèle a été implémenté dans Abaqus® Explicit sous la forme d’une loi de comportement utilisateur. Des essais d’impacts balistiques ont été réalisés sur les structures bicouches afin d’étudier l’influence de l’épaisseur des deux matériaux. Les mécanismes d’endommagement mis en jeu lors de l’impact ont été analysés à partir d’observations post-mortem et de captures vidéo. Afin de modéliser le comportement de la céramique fragmentée, et de représenter les amas de très petits fragments sous la forme de réelles discontinuités, une transformation des éléments finis en particules SPH a été intégrée ajoutée. Des simulations numériques de cas perforants et non-perforants ont pu être menées et comparées aux résultats expérimentaux. Le modèle obtenu permet de représenter l’endommagement de la céramique et la formation d’un cône de fragmentation sous le projectile, ainsi que la vitesse résiduelle dans le cas perforant et la déflection maximale à l’arrière du composite dans les deux cas.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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