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Título: Análise numérica da blindagem em aço 304L ao receber multi-impacto e projeto de anteparo para ensaio experimental
Autor(es): Santos, Pedro Gabriel Oliveira da Silva dos
Orientador(es): Silva, Rita de Cássia
Coorientador(es): Oliveira, Alessandro Borges de Sousa
Assunto: Impacto balístico
Proteção balística
Aço - estruturas
Data de apresentação: 20-Dez-2023
Data de publicação: 21-Mai-2024
Referência: SANTOS, Pedro Gabriel Oliveira da Silva dos. Análise numérica da blindagem em aço 304L ao receber multi-impacto e projeto de anteparo para ensaio experimental. 2023. 88 f., il. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Aeroespacial) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.
Resumo: Dado o uso crescente da blindagem veicular no Brasil, faz-se necessário desenvolver modelos numéricos confiáveis que consigam reproduzir o fenômeno de impacto. A investigação dessa proteção em operação se justifica devido às graves consequências que uma falha pode causar. No território brasileiro, a blindagem veicular é normatizada pelas NBR 15000 e NEB E-316. A primeira afirma que, no maior nível de proteção permitido aos civis, a blindagem deve resistir a cinco impactos. Embora se encontre na literatura uma razoável quantidade de estudos com o tema de impacto balístico, poucos deles se propõem a analisar a situação de multi-impacto em uma mesma placa balística. Nesse sentido, utilizando o método dos elementos finitos, o presente trabalho busca simular o impacto de cinco projéteis de latão contra uma placa de aço 304L, utilizando metodologia de integração explícita presente no software Ansys. Este estudo se propõe também a dimensionar um anteparo balístico para resistir aos ensaios experimentais análogos à simulação numérica. Em relação ao estudo numérico, é necessário um refinamento adequado da malha para prever corretamente o comportamento dinâmico do impacto. Ademais, a densidade de malha altera a quantidade da energia de hourglass presente na simulação. Esse tipo de energia é adicionada aos cálculos numéricos para evitar que os elementos se deformem de maneira incompatível com o fenômeno real. A presença dessa categoria de energia no sistema pode ser usada como parâmetro para avaliar a qualidade do estudo numérico. Neste trabalho, os projéteis foram caracterizados como corpos rígidos. Quanto à placa, foram simuladas cinco densidades de malha diferentes, variando o tamanho dos elementos entre 5 mm e 0,4 mm. A velocidade inicial de cada projétil foi de 426 m/s e a placa foi engasta em suas quatro faces laterais. Sobre o anteparo experimental, seu dimensionamento considerou a carga de impulso provida pelo projétil e o peso próprio da estrutura. Dessas cargas, foram determinadas as reações de apoio e as tensões atuantes nos elementos do anteparo balístico. Como resultado, a velocidade residual de cada um dos projéteis, o deslocamento máximo da placa e o histórico da energia cinética, interna e de hourglass do sistema em função do número de ciclos de simulação foram obtidos. Ao final das cinco simulações, a razão entre a energia de hourglass e a energia interna foi reduzida de 97,05% para 17,76%. No que concerne ao anteparo, seu projeto foi executado e é apto para a realização de ensaios experimentais de impacto.
Abstract: Given the increasing use of vehicular armor in Brazil, it is necessary to develop reliable numerical models that can reproduce the impact phenomenon. The investigation of this protection in operation is justified due to the serious consequences that a failure can cause. In Brazilian territory, vehicular armoring is regulated by NBR 15000 and NEB E-316. The first states that, at the highest level of protection allowed to civilians, the armoring must resist five impacts. Although there are a fair number of studies on ballistic impact in the literature, few of them analyze the situation of multi-impact on the same ballistic plate. In this context, using the finite element method, this paper seeks to simulate the impact of five brass projectiles against a 304L steel plate, using the explicit integration methodology present in the Ansys software. This study also aims to design a ballistic shield to withstand the experimental tests analogous to the numerical simulation. With regard to the numerical study, it is necessary to refine the mesh in order to correctly predict the dynamic behavior of the impact. Furthermore, the mesh density changes the amount of hourglass energy present in the simulation. This type of energy is added to the numerical calculations to prevent the elements from deforming in a way that is incompatible with the real phenomenon. The presence of this energy category in the system can be used as a parameter to evaluate the quality of the numerical study. In this work, the projectiles were characterized as rigid bodies. As for the plate, five different mesh densities were simulated, varying the size of the elements between 5 mm and 0.4 mm. The initial velocity of each projectile was 426 m/s and the plate was crimped on its four side faces. With regard to the experimental fixture, its design took into account the impulse load provided by the projectile and the structure’s own weight. From these loads, the support reactions and stresses acting on the ballistic fixture elements were determined. As a result, the residual velocity of each of the projectiles, the maximum displacement of the plate, and the history of the kinetic, internal, and hourglass energy of the system as a function of the number of simulation cycles were obtained. At the end of the five simulations, the ratio of hourglass energy to internal energy was reduced from 97,05% to 17,76%. With regard to the fixture, its design has been executed and it is suitable for carrying out experimental impact tests.
Informações adicionais: Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) — Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, 2023.
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