Experimental and numerical study of the mechanical behavior of metal/polymer multilayer composite for ballistic protection

par Charles Francart

Thèse de doctorat en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Nadia Bahlouli et de Saïd Ahzi.

Le président du jury était Daniel Rittel.

Le jury était composé de Patricia Verleysen, Yaël Demarty.

Les rapporteurs étaient Alexis Rusinek, Franck Lauro.

  • Titre traduit

    Etude expérimental et numérique du comportement mécanique de composites multicouches polymère/métal pour protection balistique


  • Résumé

    L’étude présentée porte sur le développement d’un modèle numérique destiné à évaluer les performances balistiques d’une structure multicouche polymère/métal frittée par procédé SPS. Les matériaux sont un alliage d’aluminium 7020 et un polyimide thermoplastique amorphe qui sont ensuite assemblés avec une résine epoxy. Le comportement mécanique de ces trois matériaux a été étudié sur de larges gammes de vitesses de déformations (de 0.0001 /s à 50.000 /s) et de températures (de -70°C à 500°C) correspondant aux conditions extrêmes rencontrées lors d’impacts à hautes vitesses. Afin d’améliorer la précision des résultats, des approches analytiques ont été développées autant pour la modélisation du métal que pour celle les polymères. Après la calibration des modèles, ces derniers ont été implémenté dans ABAQUS®/Explicit (éléments finis) via des subroutines VUMAT en code FORTRAN. Des essais d’impacts de billes à hautes vitesses ont été réalisés sur des cibles monocouches pour valider les modèles numériques. De nombreuses configurations de composites multicouches ont ensuite été étudiées numériquement et leurs performances balistiques ont été comparées.


  • Résumé

    The present study deals with the development of a numerical model to evaluate the ballistic performance of a polymer/metal multilayer structure sintered by SPS. The materials are an aluminum alloy 7020 and an amorphous thermoplastic polyimide which are then assembled using an epoxy resin. The mechanical behavior of these three materials has been studied over wide ranges of strain rates (from 0.0001 / s to 50,000 / s) and temperatures (from -70 °C to 500 °C) corresponding to the extreme conditions encountered during impacts at high velocities. In order to improve the accuracy of the results, analytical approaches have been developed both for the modeling of the metal and for the polymers. After the calibration of the models, these models were implemented in ABAQUS® / Explicit (finite elements) via VUMAT subroutines in FORTRAN code. Ball impact tests at high velocities were performed on monolayer targets to validate numerical models. Numerous configurations of multilayer composites were then studied numerically and their ballistic performances have been compared.


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