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This master thesis is aimed at computational modeling of ballistic resistant layered laminate. The introductory sections of the thesis are aimed at understanding the individual topics that are closely related to the interaction of the projectile and target and computational modeling of this process. The main goal of this thesis was to create a computational model that is able to reflect the behavior of aramid fabric during the interaction with the projectile. During the development of the computational model were used more methods of modeling and also more material models were used. For the purposes of the development of the computational model were used the available data of the companies SVS FEM s.r.o. and VVÚ s.p. The outcome of the diploma thesis is a computational model of aramid fabric which is designed for ballistic protection simulations. This model is validated on the basis of available experiments. The validated computational model is then applied to the simulation of ballistic protection.

A resina acrílica encontra-se entre os materiais mais utilizados na odontologia. Apesar de suas qualidades, o polimetilmetacrilato ainda mostra-se um material com resistência comprometida. Para tanto, diversos reforços têm sido propostos na literatura e entre eles encontram-se as fibras de vidro e aramida. Apesar de acrescerem na resistência da matriz acrílica pouco se sabe sobre como os esforços aplicados sobre a resina reforçada por fibras são transmitidos e distribuídos às áreas de sustentação, o que motivou a realização deste estudo. Foram confeccionados dez corpos-de-prova em resina acrílica termopolimerizável divididos em cinco grupos segundo o reforço utilizado: fibras de vidro filamentares tratadas por imersão no monômero acrílico (Grupo F), fibras de vidro em malha submetidas ao mesmo tratamento (Grupo M), fibras de vidro trançadas com aramida e tratadas por imersão na mistura monômero/polímero (Grupo H) e fibras de vidro trançadas com aramida e tratadas por silanização (Grupo HS). Como grupo controle (C) foram utilizadas amostras de resina acrílica termicamente ativada sem a associação de fibras de reforço. Após a adaptação dos corpos-de-prova à matriz fotoelástica os mesmos foram submetidos a ensaio de flexão através da Máquina Universal de Ensaios (EMIC-modelo DL 2000, S. J. dos Pinhais, PR, Brasil) acoplada ao Polariscópio Circular (Desenvolvido na Faculdade de Engenharia Mecânica - UFU, Uberlândia, MG, Brasil). Os resultados mostraram valores para a Energia de Distorção, em Kgf/mm2, de 223,124 para o grupo F; de 218,710 para o grupo H; 217,692 para o grupo M; 215,810 para o grupo HS e de 210,122 para o grupo C. Também foi observado que a energia de distorção apresentou distribuição homogeneamente crescente em todos os grupos estudados. Concluímos que a associação de fibras à resina acrílica gerou aumento da energia acumulada na área de sustentação protética sendo que os maiores valores foram observados para o grupo de fibras de vidro filamentares. Observamos também que a silanização da fibra híbrida contribuiu para uma menor transmissão de tensão à matriz fotoelástica. / Acrylic resin is found among the most used materials in dentistry. Despite its qualities, the polymetilmetacrylate yet shows itself as a material with questionable resistance. Therefore, lots of reinforcements have been proposed in literature and among them we find glass fibers and aramid. Although they add to the resistance of the acrylic matrix, little is known about how the efforts applied upon the resin strengthened by the fibers are transmitted and distributed over the sustaining areas, which motivated the course of this study. Ten specimens made of termcured acrylic resin were created and divided into five groups according to the reinforcement used: roving glass fibers treated by immersion in the acrylic monomer (Group F), mesh glass fibers given the same treatment above (Group M), glass fibers braided with aramid and treated by immersion in the blending momer/polimer (Group H) and glass fibers braided with aramid and treated by signalization (Group HS). As control group (C) were used samples of acrylic resin termically activated without the addition of fibers. After adapting the specimens to the photoelastic matrix, the former were submitted to flexural tests through the Universal Machine of Rehearsal (EMIC-model DL 2000, S. J. Dos Pinhais, PR, Brazil) joint to the Circular Polariscope ( developed in the Mechanical Engineering College ? UFU, Uberlândia, MG, Brazil. The results show values to the Distortion Energy, in Kgf /mm2, of 223,124 for group F; 218,710 for group H; 217,692 for group M; 215,810 for group HS and 210,122 for group C. It was also observed that the distortion energy presented homogeneous growing distribution in al the groups studied. We conclude that the association of fibers to the acrylic resin generated an increase of the energy accumulated in the area of prosthetic support, thus the highest values were observed in the group with roving glass fibers. We noticed that the silanization of the hibrid fiber contributed to a smaller tension transmission to the photoelastic matrix.

A resina acrílica encontra-se entre os materiais mais utilizados na odontologia. Apesar de suas qualidades, o polimetilmetacrilato ainda mostra-se um material com resistência comprometida. Para tanto, diversos reforços têm sido propostos na literatura e entre eles encontram-se as fibras de vidro e aramida. Apesar de acrescerem na resistência da matriz acrílica pouco se sabe sobre como os esforços aplicados sobre a resina reforçada por fibras são transmitidos e distribuídos às áreas de sustentação, o que motivou a realização deste estudo. Foram confeccionados dez corpos-de-prova em resina acrílica termopolimerizável divididos em cinco grupos segundo o reforço utilizado: fibras de vidro filamentares tratadas por imersão no monômero acrílico (Grupo F), fibras de vidro em malha submetidas ao mesmo tratamento (Grupo M), fibras de vidro trançadas com aramida e tratadas por imersão na mistura monômero/polímero (Grupo H) e fibras de vidro trançadas com aramida e tratadas por silanização (Grupo HS). Como grupo controle (C) foram utilizadas amostras de resina acrílica termicamente ativada sem a associação de fibras de reforço. Após a adaptação dos corpos-de-prova à matriz fotoelástica os mesmos foram submetidos a ensaio de flexão através da Máquina Universal de Ensaios (EMIC-modelo DL 2000, S. J. dos Pinhais, PR, Brasil) acoplada ao Polariscópio Circular (Desenvolvido na Faculdade de Engenharia Mecânica - UFU, Uberlândia, MG, Brasil). Os resultados mostraram valores para a Energia de Distorção, em Kgf/mm2, de 223,124 para o grupo F; de 218,710 para o grupo H; 217,692 para o grupo M; 215,810 para o grupo HS e de 210,122 para o grupo C. Também foi observado que a energia de distorção apresentou distribuição homogeneamente crescente em todos os grupos estudados. Concluímos que a associação de fibras à resina acrílica gerou aumento da energia acumulada na área de sustentação protética sendo que os maiores valores foram observados para o grupo de fibras de vidro filamentares. Observamos também que a silanização da fibra híbrida contribuiu para uma menor transmissão de tensão à matriz fotoelástica. / Acrylic resin is found among the most used materials in dentistry. Despite its qualities, the polymetilmetacrylate yet shows itself as a material with questionable resistance. Therefore, lots of reinforcements have been proposed in literature and among them we find glass fibers and aramid. Although they add to the resistance of the acrylic matrix, little is known about how the efforts applied upon the resin strengthened by the fibers are transmitted and distributed over the sustaining areas, which motivated the course of this study. Ten specimens made of termcured acrylic resin were created and divided into five groups according to the reinforcement used: roving glass fibers treated by immersion in the acrylic monomer (Group F), mesh glass fibers given the same treatment above (Group M), glass fibers braided with aramid and treated by immersion in the blending momer/polimer (Group H) and glass fibers braided with aramid and treated by signalization (Group HS). As control group (C) were used samples of acrylic resin termically activated without the addition of fibers. After adapting the specimens to the photoelastic matrix, the former were submitted to flexural tests through the Universal Machine of Rehearsal (EMIC-model DL 2000, S. J. Dos Pinhais, PR, Brazil) joint to the Circular Polariscope ( developed in the Mechanical Engineering College ? UFU, Uberlândia, MG, Brazil. The results show values to the Distortion Energy, in Kgf /mm2, of 223,124 for group F; 218,710 for group H; 217,692 for group M; 215,810 for group HS and 210,122 for group C. It was also observed that the distortion energy presented homogeneous growing distribution in al the groups studied. We conclude that the association of fibers to the acrylic resin generated an increase of the energy accumulated in the area of prosthetic support, thus the highest values were observed in the group with roving glass fibers. We noticed that the silanization of the hibrid fiber contributed to a smaller tension transmission to the photoelastic matrix.

With the introduction of fragment protective fabrics into combat clothing, there was a need to understand the effect of laundering on the performance of these fabrics. This thesis investigated the effect of typical laundering regimes on selected ballistic protective fabrics representative of those suitable for clothing applications. This study presents evidence that knitted silk and felted ultra-high molecular weight polyethylene retained their ballistic protective performance after laundering. The para-aramid fabrics showed significant improvement from laundering. The dimensional stability of the selected fabrics was affected by laundering and the effect was cumulative. The damage imparted to the fibres was determined to be due to mechanical wear. This mechanical wear was significantly increased when the fabrics were wet. This was due to the water increasing the friction between fibres during the laundering process. The fabrics investigated were shown to be suitable for use in fragment protective clothing, and were more robust than was generally considered.

Em aplicações que requerem solicitações de impacto, compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de aramida se destacam, principalmente em relação aos metais, devido a propriedades como alta resistência e rigidez específicas, que dão origem a sistemas mais leves e de alta performance. Quando voltados para aplicações de impacto, principalmente a alta velocidade, tais compósitos são, em sua maioria, moldados por compressão ou autoclave, a partir de pré-impregnados. No entanto, tais combinações de processamentos e matéria-prima acarretam em estruturas de elevado custo, tornando a infusão a vácuo uma opção atrativa, além de permitir a obtenção de peças grandes e complexas, dimensionalmente acuradas e partes integradas. Porém, a obtenção de um compósito espesso reforçado por fibra de aramida com elevado desempenho ao impacto por tal método de fabricação ainda é um desafio. Neste contexto, este trabalho aborda o efeito da espessura no processamento por infusão a vácuo de compósitos aramida/epóxi e seu desempenho em aplicações que requerem solicitações de impacto (baixa e alta velocidade) Para isso, foram produzidos compósitos com 5, 8, 13, 18, 23 e 28 camadas de aramida e caracterizados por ultrassom C-scan, microscopia ótica, densidade, teor de constituintes, testes mecânicos (flexão, short beam e indentação quase-estática) e cargas de impacto de baixa e alta velocidade (drop-weight e balístico). Todos os compósitos apresentaram boa homogeneidade na distribuição da matriz ao longo do reforço, com um teor de fibra de ≈60%, e valores de resistência short beam elevados (17,3 - 23,6 MPa). A performance sob impacto (baixa e alta velocidade) foi comparável à de compósitos fabricados por compressão ou autoclave, tendo os compósitos a partir de 18 camadas resistido ao projétil 9 mm Luger FMJ e o de 28 camadas resistido ao projétil .357 Magnum FMJ, podendo ser classificados como nível FB2 e FB3, respectivamente, de acordo com a norma europeia EN 1522. Portanto, o processamento de infusão a vácuo mostrou ser uma alternativa adequada para produzir compósitos espessos de aramida/epóxi (até 12 mm), substituindo rotas de processamento mais caras. / In applications that require impact solicitations, polymer matrix composites reinforced with aramid fiber stand out, especially in relation to metals, due to properties such as high specific strength and stiffness, which give rise to lighter and high-performance systems. When used for impact applications, especially at high speed, such composites are mostly molded by compression or autoclaved, from prepregs. However, such combinations of processing and raw material lead to high cost structures, making vacuum infusion an attractive option, as well as allowing the production of large, complex, dimensionally accurate and integrated parts. Nonetheless, obtaining a thick composite reinforced by aramid fiber with high impact performance by such manufacturing method is still a challenge. In this context, this work addresses the effect of the thickness in the vacuum infusion processing of aramid/epoxy composites and its performance in applications that require impact solicitations (low and high speed) For this, composites with 5, 8, 13, 18, 23 and 28 layers of aramid were produced and characterized by ultrasonic C-scan, optical microscopy, density, constituent content, mechanical tests (flexion, short beam and quasi-static indentation) and low- and high-speed impact loads (drop-weight and ballistic). All composites presented good homogeneity in the matrix scattering along the reinforcement, with a fiber content of ≈ 60%, and high short beam resistance values (17.3 - 23.6 MPa). The performance under impact (low and high speed) was comparable to that of composites processed by compression or autoclave, the composites with 18 layers resisted to the 9 mm Luger FMJ projectile and the one with 28 layers resisted to the .357 Magnum FMJ projectile, being classified as level FB2 and FB3, respectively, according to the European standard EN 1522. In summary, vacuum infusion processing proved to be a suitable alternative to produce thick aramid/epoxy composites (up to 12 mm), replacing more expensive processing routes.

Em aplicações que requerem solicitações de impacto, compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de aramida se destacam, principalmente em relação aos metais, devido a propriedades como alta resistência e rigidez específicas, que dão origem a sistemas mais leves e de alta performance. Quando voltados para aplicações de impacto, principalmente a alta velocidade, tais compósitos são, em sua maioria, moldados por compressão ou autoclave, a partir de pré-impregnados. No entanto, tais combinações de processamentos e matéria-prima acarretam em estruturas de elevado custo, tornando a infusão a vácuo uma opção atrativa, além de permitir a obtenção de peças grandes e complexas, dimensionalmente acuradas e partes integradas. Porém, a obtenção de um compósito espesso reforçado por fibra de aramida com elevado desempenho ao impacto por tal método de fabricação ainda é um desafio. Neste contexto, este trabalho aborda o efeito da espessura no processamento por infusão a vácuo de compósitos aramida/epóxi e seu desempenho em aplicações que requerem solicitações de impacto (baixa e alta velocidade) Para isso, foram produzidos compósitos com 5, 8, 13, 18, 23 e 28 camadas de aramida e caracterizados por ultrassom C-scan, microscopia ótica, densidade, teor de constituintes, testes mecânicos (flexão, short beam e indentação quase-estática) e cargas de impacto de baixa e alta velocidade (drop-weight e balístico). Todos os compósitos apresentaram boa homogeneidade na distribuição da matriz ao longo do reforço, com um teor de fibra de ≈60%, e valores de resistência short beam elevados (17,3 - 23,6 MPa). A performance sob impacto (baixa e alta velocidade) foi comparável à de compósitos fabricados por compressão ou autoclave, tendo os compósitos a partir de 18 camadas resistido ao projétil 9 mm Luger FMJ e o de 28 camadas resistido ao projétil .357 Magnum FMJ, podendo ser classificados como nível FB2 e FB3, respectivamente, de acordo com a norma europeia EN 1522. Portanto, o processamento de infusão a vácuo mostrou ser uma alternativa adequada para produzir compósitos espessos de aramida/epóxi (até 12 mm), substituindo rotas de processamento mais caras. / In applications that require impact solicitations, polymer matrix composites reinforced with aramid fiber stand out, especially in relation to metals, due to properties such as high specific strength and stiffness, which give rise to lighter and high-performance systems. When used for impact applications, especially at high speed, such composites are mostly molded by compression or autoclaved, from prepregs. However, such combinations of processing and raw material lead to high cost structures, making vacuum infusion an attractive option, as well as allowing the production of large, complex, dimensionally accurate and integrated parts. Nonetheless, obtaining a thick composite reinforced by aramid fiber with high impact performance by such manufacturing method is still a challenge. In this context, this work addresses the effect of the thickness in the vacuum infusion processing of aramid/epoxy composites and its performance in applications that require impact solicitations (low and high speed) For this, composites with 5, 8, 13, 18, 23 and 28 layers of aramid were produced and characterized by ultrasonic C-scan, optical microscopy, density, constituent content, mechanical tests (flexion, short beam and quasi-static indentation) and low- and high-speed impact loads (drop-weight and ballistic). All composites presented good homogeneity in the matrix scattering along the reinforcement, with a fiber content of ≈ 60%, and high short beam resistance values (17.3 - 23.6 MPa). The performance under impact (low and high speed) was comparable to that of composites processed by compression or autoclave, the composites with 18 layers resisted to the 9 mm Luger FMJ projectile and the one with 28 layers resisted to the .357 Magnum FMJ projectile, being classified as level FB2 and FB3, respectively, according to the European standard EN 1522. In summary, vacuum infusion processing proved to be a suitable alternative to produce thick aramid/epoxy composites (up to 12 mm), replacing more expensive processing routes.

Em aplicações que requerem solicitações de impacto, compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de aramida se destacam, principalmente em relação aos metais, devido a propriedades como alta resistência e rigidez específicas, que dão origem a sistemas mais leves e de alta performance. Quando voltados para aplicações de impacto, principalmente a alta velocidade, tais compósitos são, em sua maioria, moldados por compressão ou autoclave, a partir de pré-impregnados. No entanto, tais combinações de processamentos e matéria-prima acarretam em estruturas de elevado custo, tornando a infusão a vácuo uma opção atrativa, além de permitir a obtenção de peças grandes e complexas, dimensionalmente acuradas e partes integradas. Porém, a obtenção de um compósito espesso reforçado por fibra de aramida com elevado desempenho ao impacto por tal método de fabricação ainda é um desafio. Neste contexto, este trabalho aborda o efeito da espessura no processamento por infusão a vácuo de compósitos aramida/epóxi e seu desempenho em aplicações que requerem solicitações de impacto (baixa e alta velocidade) Para isso, foram produzidos compósitos com 5, 8, 13, 18, 23 e 28 camadas de aramida e caracterizados por ultrassom C-scan, microscopia ótica, densidade, teor de constituintes, testes mecânicos (flexão, short beam e indentação quase-estática) e cargas de impacto de baixa e alta velocidade (drop-weight e balístico). Todos os compósitos apresentaram boa homogeneidade na distribuição da matriz ao longo do reforço, com um teor de fibra de ≈60%, e valores de resistência short beam elevados (17,3 - 23,6 MPa). A performance sob impacto (baixa e alta velocidade) foi comparável à de compósitos fabricados por compressão ou autoclave, tendo os compósitos a partir de 18 camadas resistido ao projétil 9 mm Luger FMJ e o de 28 camadas resistido ao projétil .357 Magnum FMJ, podendo ser classificados como nível FB2 e FB3, respectivamente, de acordo com a norma europeia EN 1522. Portanto, o processamento de infusão a vácuo mostrou ser uma alternativa adequada para produzir compósitos espessos de aramida/epóxi (até 12 mm), substituindo rotas de processamento mais caras. / In applications that require impact solicitations, polymer matrix composites reinforced with aramid fiber stand out, especially in relation to metals, due to properties such as high specific strength and stiffness, which give rise to lighter and high-performance systems. When used for impact applications, especially at high speed, such composites are mostly molded by compression or autoclaved, from prepregs. However, such combinations of processing and raw material lead to high cost structures, making vacuum infusion an attractive option, as well as allowing the production of large, complex, dimensionally accurate and integrated parts. Nonetheless, obtaining a thick composite reinforced by aramid fiber with high impact performance by such manufacturing method is still a challenge. In this context, this work addresses the effect of the thickness in the vacuum infusion processing of aramid/epoxy composites and its performance in applications that require impact solicitations (low and high speed) For this, composites with 5, 8, 13, 18, 23 and 28 layers of aramid were produced and characterized by ultrasonic C-scan, optical microscopy, density, constituent content, mechanical tests (flexion, short beam and quasi-static indentation) and low- and high-speed impact loads (drop-weight and ballistic). All composites presented good homogeneity in the matrix scattering along the reinforcement, with a fiber content of ≈ 60%, and high short beam resistance values (17.3 - 23.6 MPa). The performance under impact (low and high speed) was comparable to that of composites processed by compression or autoclave, the composites with 18 layers resisted to the 9 mm Luger FMJ projectile and the one with 28 layers resisted to the .357 Magnum FMJ projectile, being classified as level FB2 and FB3, respectively, according to the European standard EN 1522. In summary, vacuum infusion processing proved to be a suitable alternative to produce thick aramid/epoxy composites (up to 12 mm), replacing more expensive processing routes.

El texto completo de este trabajo no está disponible en el Repositorio Académico UPC por restricciones de la casa editorial donde ha sido publicado. / This article presents the design of an unmanned aerial vehicle manufactured in aramid, through the use of sensors and actuators for flight stabilization, capturing the images through a thermal imager and its wireless transmission for ground processing for application in the social security area used in fire accidents. The work shows that it is feasible to use the aramid material for the construction of the prototype, since it is a high temperature resistant material, also the integration of neural networks for semi-automatic flight control. The results of this research will serve to develop more advanced control devices, with simple components and controls so that people with technological limitations can use it, so that they can save lives in danger, that of their colleagues or themselves. / Revisión por pares