Numerical and Experimental Analysis of Ballistic Behaviour of Ceramic-Reinforced Al Matrix Composite Plates

Document Type : Original Article

Authors

1 M.Sc., Mechanical Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

2 Professor, University Complex of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

3 Associate Professor, University Complex of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

4 Ph.D. student, Mechanical Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

5 PhD student in Aerospace Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.

Abstract

The purpose of this study was to numerically and experimentally investigate the ballistic behavior of ceramic-reinforced aluminum composite sheets and to present an optimal sample. In this study, thickness, percentage of ceramic reinforcement and type of base alloy were considered as the studied parameters. The base alloys are 6061, 7075 and 5083. The percentage of ceramics used in this study is 15, 30 and 45% by weight. These samples were considered in three thicknesses of 20, 25 and 30 mm. In this study, 27 samples were simulated and numerically analyzed using Abaqus finite element software. Then, based on the existing criteria in the field of ballistic protection, the optimal numerical sample is determined. In order to evaluate the numerical results, a laboratory sample was fabricated by percussion casting and experimentally evaluated by ballistics. Finally, the results of numerical analysis and experimental test were compared and the optimal sample was presented.

Keywords

Main Subjects


Article Title [فارسی]

تحلیل عددی و تجربی رفتار بالستیک صفحات کامپوزیتی زمینه آلومینیومی تقویت شده با سرامیک

Authors [فارسی]

  • علی انصاری 1
  • جعفر اسکندری جم 2
  • علی علیزاده 3
  • محسن حیدری بنی 4
  • مجید اسکندری شهرکی 5
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
2 استاد، مهندسی مکانیک، پژوهشکده مهندسی کامپوزیت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
3 دانشیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
4 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
5 دانشجوی دکتری مهندسی هوافضا، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
Abstract [فارسی]

هدف از انجام این مقاله بررسی عددی و تجربی رفتار بالستیک صفحات کامپوزیتی زمینه آلومینیومی تقویت‌شده با سرامیک و ارائه یک نمونه بهینه می‌‌باشد. درصد تقویت‌کننده سرامیکی و نوع آلیاژ زمینه به ‌عنوان پارامترهای مورد بررسی در نظر گرفته ‌شده است. آلیاژهای زمینه مورد استفاده در این مقاله 6061، 7075 و 5083 می‌باشند . همچنین درصد سرامیک استفاده ‌شده 15 ، 30 و 45 درصد وزنی می‌باشد. نمونه‌ها در سه ضخامت 20 ، 25 و 30 میلی‌متر در نظر گرفته‌ شده اند. در این تحقیق با استفاده از نرم‌افزار اجزاء محدود آباکوس، 27 نمونه شبیه‌سازی ‌شده و مورد بررسی عددی قرارگرفته است. سپس بر اساس معیارهای موجود در زمینه حفاظت بالستیک، نمونه بهینه عددی تعیین می گردد. به‌منظور ارزیابی نتایج عددی، یک نمونه آزمایشگاهی به روش ریخته‌گری کوبشی ساخته و به‌ صورت تجربی مورد ارزیابی بالستیک قرار گرفته است. درنهایت نتایج تحلیل عددی و آزمون تجربی با هم مقایسه و نمونه بهینه ارائه شده است.

Keywords [فارسی]

  • بالستیک
  • کامپوزیت زمینه آلومینیومی
  • سرامیک
  • اجزاء محدود
  • زره
[1] Lashgari, H., Emami, M., “Investigation of the effect of strontium on the microstructure of cast A613-B4C composites,” In Persian, Foundry Quarterly, pp. 9–11, 1697.
[2] Silva, M. V., Stainer, D., Al-Qureshi, H. A., Montedo, O. R. K. and Hotza, D., “Alumina-Based Ceramics for Armor Application: Mechanical Characterization and Ballistic Testing,” J. Ceram., Vol. 9014, pp. 1–3, 2014
[3] Rashed, A., Yazdani, M., Babaluo, A. A., Hajizadeh Parvin, P., “Investigation on high-velocity impact performance of multi-layered alumina ceramic armors with polymeric interlayers,” J. Compos. Mater. Vol. 10, No. 91, pp. 6131–6173, 2011.
[4] Iqbal, M. A.,  Senthil, K., Sharma, P., Gupta, N. K.  “An investigation of the constitutive behavior of Armox 100T steel and armor piercing incendiary projectile material,” Int. J. Impact Eng., vol. 96, pp. 146–164,2016.
[5] Venkatesan, J., Iqbal, M. A., Madhu, V., “Ballistic Performance of Bilayer Alumina/Aluminium and Silicon Carbide/Aluminium Armours,” Procedia Eng., Vol. 176, pp. 371–379, 2017.
[6] Cui, F., Wu, G, Ma, T., Li, W., “Effect of ceramic properties and depth-of penetration test parameters on the ballistic performance of armour ceramics” Def. Sci. J., Vol. 37, No. 6, pp. 930–939, 2017.
[7] Liu, J., Wu, C., Li, J., Fang, J., Su, Y., Shao, R., “Ceramic balls protected ultra-high-performance concrete structure against projectile impact–A numerical study,” Int. J. Impact Eng., Vol. 191, pp. 146–139, 2018.
[8] Seifert, W., Strassburger, E., Dolak, M., Schaare, S., “Experimental study on the dependency of the ballistic performance of tiled ceramic/metal targets on inter tile gap width and projectile impact position,” Int. J. Impact Eng., Vol. 199, pp. 10–18, 2019.
[9] An, X., Tian, C., Sun, Q., Dong, Y., “Effects of material of metallic frame on the penetration resistances of ceramic-metal hybrid structures,” Def. Technol., pp. 1–11, 2018.
[10] Tian, C., Sun, Q., An, X., Ye, P,. Dong, Y., “Influences of ceramic constraint on protection performances of ceramic-metal hybrid structures under impact loads,” Int. J. Mech. Sci., Vol. 118, No. February, pp. 91–80, 2018.
[11] Fras, T., Roth, C. C., Mohr, D., “Dynamic perforation of ultra-hard high-strength armor steel: Impact experiments and modeling,” Int. J. Impact Eng., vol. 131, pp. 256–271, 2019.
[12] Forrestal, M. J., Børvik, T., Warren, T. L., “Perforation of 7071-T311 Aluminum Armor Plates with 7639 mm APM9 Bullets,” Exp. Mech., pp. 1941–1911, 2010.
[13] Wen, H. M., He, Y., Lan, B., “A combined numerical and theoretical study on the penetration of a jacketed rod into semi-infi nite targets,” Int. J. Impact Eng., pp. 884–1010, 2011.
[14] Crouch, I. G., “the Science of Armour Materials,” Duxford, 2013.