Low-density armour often uses ceramic materials, as their high compressive strength and relatively low weight make the material ideal for moving in the field. The ballistic protection works by redirecting the plastic flow of the projectile radially, which reduces penetration. The main drawback of using ceramics is their brittle behaviour, causing rapid crack propagation. When subjected to ballistic impacts, the ceramic fails catastrophically by spalling and cracking. The fracture behaviour is essential to model correctly to predict the effectiveness of armor systems. In this experiment, a notched specimen was used to investigate mode I fracture. The setup is similar to an open edge on impact experiment where the fracture propagation is initiated by the impact of a projectile fired by an air pressure gun. To avoid spallation, the projectile velocities were kept low to only initiate crack development from bending. For velocities below 15 m/s, a single crack develops across the specimen. For higher velocities between 15-75 m/s, the behaviour is different for short and long projectiles. For short projectiles, a straight crack develops before bifurcating when the projectile and ceramic lose contact. For longer projectiles, the crack bifurcates at the initiation. It forms a pointed ellipse up to the point when the projectile and ceramic lose contact, at which point it behaves the same as for shorter projectiles. Simulations were conducted using LS-Dyna and Impetus AFEA with four different material models. Two different fracture formulations were also used. Erosion was used in LS-Dyna, while erosion and node-splitting were used in Impetus AFEA. Simulations in both LS-Dyna and Impetus AFEA could reproduce experimental results. Simulations show that bifurcation highly depends on the materials' tensile strength. The transition from straight to bifurcating cracks emerges in a small velocity range, allowing for the possibility of calibrating the simulations to experiments. A possibility for comparing the crack development in simulations and the experimental setup besides crack patterns is the crack mouth opening displacement (CMOD). Measurements of CMOD with photon doppler velocimetry (PDV) correlated well with the simulations. / Komplexa skydd använder sig ofta av keramiska material då keramer har stark kompressionsstyrka och relativt låg vikt, vilket gör dem idealiska för att röra sig i fält. Ballistiskt skygg verkar genom att omdirigera projektilens plastiska flöde radiellt, vilket reducerar risk för penetration. Största nackdelen med keramiska material är deras spröda beteende. På grund av materialets tidsberoende beteende är materialegenskaperna svåra att bestämma. När materialet utsätts för ballistisk belastning orsakar det ofta katastrofartad sprickbildning. Sprickbeteendet är därför ett viktigt fenomen att bestämma för att förutsäga effektiviteten hos skyddsmaterialet. I detta experiment används en uppställning med ett skårad provkropp för att studera sprickutvecklingen av mod I sprickor. Uppställningen har likheter med kant anslags experiment där sprickutbredningen initieras med hjälp en cylindrisk projektil. För att begränsa brottbeteendet till mod I använder sig uppställningen av låga projektilhastigheter mellan 15 och 75 m/s för att initiera sprickor genom böjning. För hastigheter under 15 m/s utvecklades endast raka sprickor som propagerade över hela provkroppen. För hastigheter mellan 15 och 75 m/s skiljer sig beteendet mellan långa och korta projektiler. För korta projektiler delar sig sprickan när projektilen studsar mot provkroppen. För långa projektiler delar sig sprickan i två redan vid initiering och bildar en spolform upp till den punkt då projektilen tappar kontakt med provkroppen varefter beteendet mellan kort och lång projektil är likartat. Simuleringar utfördes med LS-Dyna och Impetus AFEA med fyra olika materialmodeller. Två olika brottformuleringar användes. Erosion användes i LS-Dyna, medan erosion och node-splitting användes i Impetus AFEA. Simuleringar i både LS-Dyna och Impetus AFEA kunde återskapa de experimentella resultaten. Simuleringarna visar att delningen av sprickan vid avlastning i hög grad beror på materialens draghållfasthet. Övergången från rak spricka till sprickdelningen uppstår i ett snävt hastighetetsfönster vilket ger möjlighet att kalibrera simuleringar mot experimentella resultat. En möjlighet jämföra sprickutvecklingen i simuleringar och experiment förutom sprickmönster är sprick öppnings förskjutning (CMOD). Mätningar av CMOD med fotondopplerhastighetsmätningar (PDV) överensstämmer väl med simuleringarna.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-321727 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Dahlin, Clas |
| Publisher | KTH, Hållfasthetslära |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2022:210 |
Page generated in 0.0029 seconds