Étude du comportement mécanique à l'impact d'une munition à noyau ductile (petits à moyens calibres)

Study of the mechanical behavior at the impact of a ductile core ammunition (small to medium caliber)

• Auteur / Autrice : Yann Coget
• Direction : Christophe Czarnota, Yaël Demarty, Alexis Rusinek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 25/02/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Markiewicz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Czarnota, Yaël Demarty, Alexis Rusinek, Patricia Verleysen, Daniel Rittel, Raphaël Pesci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Markiewicz, Patricia Verleysen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ductilité

Métaux

Munitions

Impact

Balistique

Propriétés mécaniques

Matériaux

Mots clés libres

Mécanique

Munition

Noyau ductile

Petits à moyens calibres

Ammunition

Impact

Ballistic

Résumé

Le dimensionnement et l'évaluation des gilets pare-balles nécessitent l'utilisation d'essais balistiques expérimentaux. Ces tests permettent de visualiser en situation réelle, les performances balistiques de la protection à savoir une éventuelle perforation et une déflexion de la face arrière pouvant entraîner des traumatismes lésionnels importants. Cette méthode expérimentale est souvent associée à des modèles éléments finis permettant l'étude de configurations nombreuses et complexes (types de matériaux, épaisseurs, types de munitions, etc.) et d'obtenir non seulement des structures optimisées mais également des informations complémentaires sur la réponse mécanique de la protection et des munitions à l'impact (déformations, états de contraintes, etc.).L'utilisation de simulations numériques nécessite une modélisation fidèle des mécanismes intervenant lors de l'impact tels que les modèles de comportement et de rupture des différents matériaux. Afin d'obtenir des modèles précis, il est important de mener des études de caractérisation prenant en compte l'histoire thermomécanique du matériau, pour des gammes de sollicitations rencontrées lors des essais balistiques (grandes déformations, vitesses de déformation élevées, température, etc.). De nombreuses études ont été menées sur les matériaux constituant les protections mais sont moins nombreuses sur les menaces et plus particulièrement sur les munitions à noyau ductile.Les travaux de thèse portent sur la caractérisation et la modélisation numérique de l'impact de munitions à noyau en alliage de plomb et chemise en acier de diamètres 9 mm et 7,62 mm. Des essais balistiques sur un composite laminé unidirectionnel à fibres polyéthylène à haute masse moléculaire (UHMWPE) en Dyneema® HB26 ont été réalisés. L'objectif est de développer un outil numérique capable de reproduire les phénomènes se produisant lors de l'impact et plus particulièrement l'interaction entre la munition à cœur mou et le matériau composite par rapport aux armures métalliques classiques.La première étape de cette étude a été de réaliser la caractérisation mécanique du noyau en alliage de plomb et de la chemise en acier dans des régimes quasi-statiques et dynamiques. Pour cela, des essais mécaniques spécialement dédiés ont été développés. Une adaptation de barres d'Hopkinson (SHPB) a été réalisée pour caractériser l'alliage de plomb à des vitesses de déformation élevées. Des essais quasi-statiques originaux ont été mis en place pour étudier le comportement et la rupture d'échantillons directement extraits de la chemise. Les données expérimentales obtenues ont été utilisées pour identifier différents modèles de comportement et de rupture pour chaque matériau. Pour le cas de la chemise en acier, une méthode inverse couplée à un algorithme d'optimisation a été utilisée pour identifier les paramètres du modèle. Les modèles ont été validés par comparaison entre les essais expérimentaux et les simulations numériques, pour des configurations variées d'impact direct sur barres des ensembles noyau-chemise constituant la munition. Enfin, une campagne balistique a été réalisée pour l'impact de munitions de 9 mm et de 7,62 mm sur des cibles composites Dyneema® HB26. Les résultats obtenus ont été comparés à des simulations numériques réalisées sous Abaqus® Explicit. Une attention particulière a été portée à la description précise des mécanismes d'endommagement au sein de la balle à savoir : le champignonnage de la munition de 9 mm et la fragmentation de la munition de 7,62 mm. Ce phénomène de fragmentation a été décrit numériquement par l'utilisation d'une modélisation par éléments finis avec conversion en éléments SPH (Smooth Particle Hydrodynamics).Finalement, une étude paramétrique a révélé la sensibilité de la vitesse résiduelle, de la déformation de la munition, ainsi que de la déflexion de la face arrière de la cible vis-à-vis des paramètres du modèle matériau et du maillage.

Design and evaluation of bulletproof vests require the use of experimental ballistic tests. These tests allow to visualize, in a real-life situation, ballistic performances of a body armor namely potential perforation of the protection and deflection of the rear face which could lead to trauma injuries. Experimental investigations are usually complemented by numerical simulation studies which allow the examination of numerous and complex configurations (material types, thicknesses, ordering, ammunition types, etc.) and offer a salient tool for optimization of protective structures. Furthermore, local information on the dynamic mechanical response of the protection and ammunition at impact can be analyzed. The use of numerical simulations requires a faithful modeling of failure mechanisms and constitutive laws of materials of interest. In order to get precise models, it is important to conduct characterization studies taking into account i/ the thermomechanical history induced by the manufacturing process of materials and ii/ the loading conditions encountered during ballistic tests (large deformations, high strain rates, high temperature). Many studies have been conducted on protective materials but fewer on the threats and more specifically on soft core ammunitions.The work focuses on the experimental characterization and numerical modeling of the impact of two full metal jacket ammunitions (9mm and 7.62mm) consisting of a soft lead core encased in an outer shell made of steel alloy. Ballistic tests on a laminated, unidirectional high molecular weight polyethylene (UHMWPE) composite made of Dyneema® HB26 were carried out. In the thesis work, original experimental tests have been developed as well as a numerical tool which can reproduce phenomena occurring during the impact.As a first step of this study, mechanical characterizations of the lead alloy core and steel jacket were conducted in quasi-static and dynamic regimes using mechanical tests developed in the thesis work. A split Hopkinson bar setup was adapted to characterize the lead alloy at high strain rates. Original quasi-static tests were set up to study the deformation and failure behavior of samples directly extracted from the jacket in its original shape, to account for the thermomechanical history of the materials composing the bullet.The obtained experimental data were used to identify different constitutive and failure models. In the case of the steel alloy jacket, an inverse method coupled to numerical simulations and an optimization algorithm was used to identify material and damage model parameters. These models were validated based on comparisons between experimental and numerical simulations of the impact on bars of core-jacket assemblies. Finally, ballistic tests were carried out for the impact of 9 mm and 7.62 mm ammunitions on Dyneema® HB26 composite targets. The obtained results were compared to numerical simulations conducted using Abaqus® Explicit. A specific attention was paid on the accurate description of the mushrooming of the 9 mm bullet and the fragmentation of the 7.62 mm. This fragmentation phenomenon was numerically described through the use of a finite element to smooth particle hydrodynamics conversion. The work is complemented by a parametric study revealing the sensitivity of the residual velocity, the damage of the bullet, and the deflection of the target to material model parameters and mesh.