Comportement mécanique des matériaux tissés soumis à un impact balistique : approches expérimentale, numérique et analytique

Mechanical behavior of woven materials subjected to ballistic impact : experimental, numerical and analytical approaches

• Auteur / Autrice : Cuong Ha-Minh
• Direction : Abdellatif Imad, François Boussu, Toufik Kanit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 17/11/2011
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Conception et construction

Gilets pare-balles

Éléments finis, Méthode des

Ondes de contrainte

Impact

Rupture, Mécanique de la

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Modèles mathématiques

Matériaux -- Essais dynamiques

Propriétés mécaniques

Textiles et tissus à usages techniques

Mots clés libres

Tissus à usage balistique

Résumé

Le travail de thèse porte sur l’étude du phénomène d’impact balistique dans le cas d’un tissu 2D et 3D avec 3 approches : numérique, expérimentale et analytique. Un protocole expérimental spécifique a été développé pour réaliser des essais dynamiques sur un fil en utilisant des moyens de suivi avec des systèmes d’acquisition rapide. Les essais balistiques ont été effectués à l’aide d’une instrumentation permettant le suivi de la vitesse du projectile et la déformation du tissu. 2 modèles numériques ont été utilisés : macroscopique et mésoscopique. Le modèle macroscopique du tissu 2D permet une prédiction sommaire des paramètres d’impact. Pour mieux mettre en évidence les interactions entre les fils d’un tissu 2D, un modèle mésoscopique, utilisant des éléments coques, a été développé. La confrontation des résultats numériques obtenus avec les données expérimentales démontre la robustesse du modèle mésoscopique puisque le phénomène des contacts fil/fil et projectiles/fils peut être analysé. Par ailleurs, dans un souci d’optimisation de temps de calcul, une combinaison entre les modèles mésoscopique et macroscopique a permis le développement d’un modèle multi échelle méso-macro. Un outil numérique est développé afin de modéliser géométriquement un tissu 3D. Ce modèle permet d’étudier les effets des frottements et des bords sur un tissu 3D soumis à un impact balistique. Un modèle analytique a été élaboré en prenant en compte les réflexions des ondes de déformation sur les fils pendant l’impact d’un tissu multi-couches. Ce modèle permet de prédire d’une façon continue l’évolution de plusieurs paramètres décrivant l’impact.

This thesis deals with the study of ballistic impact in the case of 2D and 3D fabrics using 3 approaches: numerical, experimental and analytical to improve the body armour protection. A totally new specific experimental protocol was developed for dynamic testing on yarn by using monitoring systems with fast acquisition. Ballistic tests were performed using a gas gun with instrumentation for monitoring projectile velocity and deformation of fabric. Two numerical models were used: macroscopic and mesoscopic models. Indeed, the macroscopic model, which considers 2D fabric as a homogeneous plate, allows a summary prediction of various impact parameters as: residual velocity, impact energies, deformation pyramid. To describe better interactions between yarns in a 2D fabric, a mesoscopic model was developed using shell elements. Comparisons between results obtained by both models and experimental data have demonstrated the modelling robustness at the mesoscopic scale since yarn/yarn and projectile/yarn contacts can be analyzed. Furthermore, in order to optimize computation time, a combination of mesoscopic and macroscopic models has allowed creating a multi-scale model distinguishing between different working areas of fabric during impact. A new numerical tool has been developed to model geometrically 3D fabrics taking into account yarns cross section. This model allows studying the effects of frictions and boundary conditions of a 3D fabric subjected to ballistic impact.In addition, an analytical model was carried out taking into account reflections of strain waves on yarns in the case of impact of a multi-layer fabric. This model predicts continuous evolutions of several parameters describing the impact.