Bioinspired composite segmented armour: Numerical simulations

Abstract

La naturaleza ha desarrollado ingeniosos diseños de armaduras, como los caparazones flexibles del armadillo y el pez cofre, formados por segmentos hexagonales conectados por fibras de colágeno, que sirven de bioinspiración para las armaduras balísticas modernas. En este trabajo se utiliza la modelización por elementos finitos (FEM) para analizar el efecto de la geometría de las escamas y otros parámetros de impacto sobre la protección balística proporcionada por un blindaje cerámico segmentado bioinspirado. Para ello, se simuló el impacto de proyectiles cilíndricos simuladores de fragmentos (FSPs) sobre placas de escala no superpuestas de alúmina-epoxi. Se varían los parámetros geométricos de la escala (tamaño, espesor y forma) y las condiciones de impacto (diámetro, velocidad y ubicación del FSP) y se evalúa la cantidad de daño producido en las placas cerámicas y la velocidad residual final del FSP tras el impacto. Se comprueba que la segmentación reduce drásticamente el tamaño de la zona dañada sin reducir significativamente la protección balística en impacto centrado, siempre que el tamaño de la baldosa se mantenga por encima de un valor crítico. Dicho tamaño crítico de baldosa (∼20 mm, diámetro inscrito, para impactos a 650 m/s) es independiente del espesor de la escama, pero disminuye con la velocidad del proyectil, aunque nunca por debajo del diámetro del proyectil. Los impactos descentrados reducen la protección balística y aumentan el área dañada, pero esto puede minimizarse con una forma de baldosa adecuada. En este sentido, y de acuerdo con las baldosas hexagonales naturales del pez cofre y el armadillo, las baldosas hexagonales resultan óptimas, ya que presentan una variación de la protección balística -medida como reducción de la velocidad del proyectil- inferior al 12%. medida como reducción de la velocidad del proyectil- con un lugar de impacto inferior al 12%. Las directrices de diseño para la fabricación de sistemas de protección segmentados. numéricos.

Nature has evolved ingenious armour designs, like the flexible carapaces of armadillo and boxfish consisting of hexagonal segments connected by collagen fibres, that serve as bioinspiration for modern ballistic armours. Here, Finite element modelling (FEM) used to analyze the effect of scale geometry and other impact parameters on the ballistic protection provided by a bioinspired segmented ceramic armour. For this purpose, the impact of cylindrical fragment simulating projectiles (FSPs) onto alumina-epoxy non-overlapping scaled plates was simulated. Scale geometrical parameters (size, thickness and shape) and impact conditions (FSP diameter, speed, location) are varied and the amount of damage produced in the ceramic tiles and the final residual velocity of the FSP after the impact are evaluated. It is found that segmentation drastically reduces the size of the damaged area without significantly reducing the ballistic protection in centred impact, provided the tile size is kept over a critical value. Such critical tile size (∼20 mm, inscribed diameter, for impacts at 650 m/s) is independent of the scale thickness, but decreases with projectile speed, although never below the diameter of the projectile. Off-centred impacts reduce the ballistic protection and increase the damaged area, but this can be minimized with an appropriate tile shape. In this sense and in agreement with the natural hexagonal tiles of the boxfish and armadillo, hexagonal scales are found to be optimal, exhibiting a variation of ballistic protection—measured as reduction of projectile speed—with impact location under 12%. Design guidelines for the fabrication of segmented protection systems are proposed in the light of these numerical results.