Finite element simulations of drop indentations into oily clay

Abstract

When testing equipment for personnel protection a set of requirements usually has to be followed. One of the most common sets of test requirements is set by the American National Institute of Justice 0101:06 standard. Among the conditions are a list of requirements for the ballistic clay, Roma Plastilina no. 1, used as backing for the test specimens. The clay has to be tested in a ball drop test, both before and after being used for tests on the personnel protection equipment. In ballistic tests at Forsvarets forskningsinstitutt, an oily Roma Plastilina type clay is often used as backing material, which makes a better understanding of the clay behaviour highly relevant. Unfortunately, very little work on the clay is found in literature. In order to study the ballistic clay used at Forsvarets forskningsinstitutt, a set of ball drop tests have been conducted. The impact of the steel ball with the clay was monitored with a high speed camera to allow the penetration dynamics to be studied. These experimental results were used as reference points for a set of numerical studies. The Finite Element Method in the IMPETUS Afea software package, was used to test if it would be possible to simulate the ball drop test reliably. The simulations were initially performed with a simple model for the clay, and step by step the influence of various parameters were studied. In this manner, relevant parameters and additions and changes to the material model could be found. The simulations showed that the initial and simple model with a linear yield stress curve for the clay, was not adequate to model the penetration dynamics. The steel ball and clay showed too heavy oscillations after impact in the simulations with this model. Other and slightly more complex yield stress curves were tested, however, only with minor improvements in the results. In order to lower the oscillatory behaviour after impact, damping terms were introduced to the clay material model. This resulted in less oscillations, but the experimental results could not be reproduced acceptably. However, when the clay was tried modelled by a visco-plastic material model with built in damping, the behaviour of the clay in simulations reproduced the experimental results satisfactorily. With the proper parameters, simulations with the visco-plastic model give reasonable results within the strain rate, temperatures and level of plasticity observed in the experimental tests. The model is expected to be adequate for use in more complex simulations on impact of hard core projectiles on hard ceramic, since the uncertainties in the models for ceramic and the hard projectile core are rather large. However, further work on the clay model would be needed if this model is going to be used in simulations where the clay has a larger influence on the dynamics. Though for now, the present result is sufficient.

Under test av utstyr til personlig beskyttelse er det vanligvis en rekke krav som skal overholdes. En av de mest alminnelige testspesifikasjonene er utarbeidet av Amerikanske National Institute of Justice og finnes i 0101:06 standarden. I denne finnes en rekke krav til blant annet den leiren som benyttes som bakstøtte i ballistiske tester, Roma Plastilina. Leiren må testes i en ball drop test både før og etter det er brukt i testene på beskyttelsesutstyr. Siden det på Forsvarets forskningsinstitutt benyttes leire i mange ballistiske tester, er en bedre forståelse av denne leiren ytterst relevant. Dessverre er litteraturen mangelfull på dette området. For å studere den ballistiske leiren benyttet på Forsvarets forskningsinstitutt er et par eksperimentelle ball drop tester blitt utført. Anslaget av stålkulen mot leiren ble filmet med høyhastighetskamera for å tillate dynamikken i penetrasjonen å bli observert. Disse eksperimentelle resultatene ble benyttet som referansepunkter for en rekke numeriske simuleringer. Elementmetoden i IMPETUS Afea programvaren ble brukt til å undersøke om det var mulig å simulere ball drop testene på pålitelig vis. Simuleringene ble først utført med en enkel modell for leire, hvor innflytelsen av den enkelte parametere ble studert. På denne måte kunne relevante parametere og tilføyelser til materialmodeller finnes. Simuleringene viste at den initielle enkle modellen med lineær tøyningskurve ikke var tilstrekkelig god til å gjengi penetrasjonsdynamikken. I simuleringene viste stålkulen og leiren en for kraftig oscillasjon etter anslag. Andre og mer komplekse tøyningskurver ble testet, men bare med mindre forbedringer til følge. For å minske oscillasjonene i leiren etter anslag ble et dempningsledd innført i materialmodellen. Dette medførte mindre svingninger, men eksperimentene ble ennå ikke gjengitt på akseptabelt vis. Til slutt ble en viskoplastisk modell med innebygget demping testet. Med de rette materialparametere gjengav denne modellen de eksperimentelle resultatene på tilfredsstillende vis. Med de rette parametrene viste simuleringene med den viskoplastiske modellen akseptable resultater innen de grenser for tøyningsrate, temperatur og plastisitet som ble observert i eksperimentene. Modellen er tilfredsstillende til å bli brukt i mer komplekse simuleringer med anslag av et hardkjerneprosjektil mot harde keramikkplater, ettersom usikkerhetene i materialmodellene for keramikk og hardkjernen til prosjektilet er ganske store. Men ytterligere arbeid på modellen for leire er nødvendig, dersom modellen må benyttes i simuleringer hvor leiren har større innflytelse på dynamikken. Modellen er likevel tilstrekkelig god for de simuleringene som planlægges.