Ballistisen läpäisyn simulointi materiaalipistemenetelmällä

Abstract

Ballistinen läpäisy on tärkeä tutkimuksen kohde varsinkin puolustussektorilla, jossa käytetään paljon eri materiaaleja projektiiliuhilta, kuten sirpaleilta ja luodeilta, suojautumiseksi. Suojamateriaalin toimivuus tulee varmentaa testaamalla, mutta suojamateriaalin suunnittelussa on syytä käyttää myös laskentamenetelmiä, sillä testaustoiminta on kallista ja aikaa vievää. Lisäksi testaustoiminta vaatii turvatun laboratorioympäristön ja tarvittavat mittaustyökalut, kun taas simulointiin riittää työkaluksi tietokone. Ballistinen simulointi kuitenkin vaatii osaavan tekijän ja oikeanlaisen laskentatyökalun.

Tässä työssä tutustutaan materiaalipistemenetelmään ja metallien ballistiseen läpäisyyn. Työssä käydään läpi materiaalipistemenetelmän toimintaperiaate ja menetelmässä käytössä olevat algoritmit. Materiaalipistemenetelmän aiemmat sovelluskohteet esitellään ja sen soveltuvuus ballistisen läpäisyn simulointiin selvitetään. Lisäksi työssä esitellään metalleille tyypilliset läpäisymekanismit, sekä käydään läpi dynaamisen analyysin perusteet ja dynaamisessa analyysissä huomioitavat materiaaliominaisuudet. Työn tavoite on selvittää, soveltuuko materiaalipistemenetelmä ballistisen läpäisyn simulointiin.

Materiaalipistemenetelmän soveltuvuutta ballistisen läpäisyn mallinnukseen arvioitiin suorittamalla läpäisysimulaatioita vapaan lähdekoodin Uintah-ohjelmistolla. Simulaatiotuloksia verrattiin julkisissa lähteissä saatavilla oleviin koetuloksiin. Simulaatiotulokset vastasivat pääosin hyvin koetuloksia sekä projektiilien jäännösnopeuksien että läpäisymekanismien osalta. Lisäksi kaikki simulaatiot pysyivät stabiileina, eli yksikään simulaatio ei keskeytynyt ennenaikaisesti. Eroavaisuudet tulosten välillä johtuivat työssä käytetystä Johnson–Cook-vauriomallista, joka ei tulosten perusteella sovellu yleispäteväksi malliksi metallien läpäisyongelmissa. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että materiaalipistemenetelmä on lupaava työkalu ballistisen läpäisyn simulointiin.