Cracking mechanisms in ceramic armor – analytical solutions and finite element simulations

Abstract

The subject of this report is the physics governing ballistic impact on ceramic plates. The report has several goals: • Develop FFI’s basic knowledge of ballistic impact phenomena. • Provide a general literature review for anyone interested in learning more about ballistic impact and its relation to contact mechanics. • Evaluate the usefulness of existing analytical methods that describe the ballistic impact problem. In the long term, the most suitable methods may be used as a first step toward the development of an in-house material model for ceramics. • Report preliminary ballistic impact simulations in IMPETUS Afea to evaluate its current simulation capabilities. The first part consists of a detailed literature study of several important cracking mechanisms that may emerge during ballistic loading. In addition, we review analytical models that may form the backbone of a new material model for ceramics subjected to projectile impact. The analytical models capture all of the different crack types observed experimentally. In the second part, we perform and evaluate concrete ballistic impact simulations in IMPETUS Afea. The simulations are able to capture and describe the specific cracking modes and mechanisms. Yet, in order to calibrate the model, we need to perform several in-house experiments at different scales. The development of an in-house ceramic material model as well as the calibration of the IMPETUS Afea model seem promising but require more work.

Overordnet handler denne rapporten om fysikken bak ballistisk støt mot keramiske plater. Rapporten har flere mål: • utvikle FFIs grunnkunnskap om fysikken som er relevant i ballistiske støt; • være en litteraturstudie som er relevant for dem som er interessert i å lære mer om ballistisk støt og dets relasjon til kontaktmekanikken; • evaluere nytten av eksisterende analytiske metoder som forsøker å beskrive ballistiske støt. På lang sikt vil (forhåpentligvis) de mest generelle modellene fungere som et springbrett mot utviklingen av en ny keramikkmodell; • rapportere om innledende simuleringer av ballistiske støt mot keramikkplater i IMPETUS Afea og analysere programmets styrker og svakheter med tanke på den grunnleggende fysikken. Rapportens første del består av en detaljert litteraturstudie av de dominerende oppsprekkingsmekanismene som finner sted når et prosjektil treffer en keramikkplate. I tillegg ser vi på analytiske modeller som forhåpentligvis (på lengre sikt) kan brukes til å utvikle en ny materialmodell som egner seg for å beskrive keramikk som blir påført en ballistisk last. De analytiske modellene klarer å beskrive de observerbare oppsprekkingsmekanismene. I del to av rapporten utfører og evaluerer vi konkrete simuleringer av ballistisk støt mot en keramikkplate i IMPETUS Afea. Simuleringene klarer å fange opp og beskrive sprekkene som dannes, og de korresponderende mekanismene. Vi må allikevel kalibrere keramikkens materialmodell gjennom tilpasning av eksperimenter som bør utføres på forskjellige skalaer. Både utviklingen av en ny keramikkmodell og kalibreringen av IMPETUS Afea-modellen virker lovende, men krever mer arbeid.