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ANÁLISIS DE IMPACTO DE UNA BALA

RESUMEN En este trabajo se presenta el análisis del impacto de una bala contra una plancha de acero que se encuentra empotrada, donde se estudia experimentalmente la respuesta mecánica de la plancha de acero, la cual esta sometido al impacto de una bala a media velocidad (320 m/s). El modelamiento del proceso se esta realizando mediante el método de elementos finitos, con el programa AUTODESK SIMULATION & MULTIPHISICS. Donde al final de la simulación vamos a ver e interpretar los resultados que se han obtenido como el de deformación, esfuerzos y criterios de rotura que se puedan dar en este fenómeno, el cual serviría de base para desarrollar otros análisis con otros materiales y otros perfiles de proyectil.

Palabras claves: impacto, elementos finitos, cargas de impacto, deformaciones por impacto, bala

ABSTRACT

This paper presents the analysis of the impact of a bullet against a steel plate that is recessed, where we study experimentally the mechanical response of the steel plate, which is subjected to the impact of a bullet at medium speed (320 m / s). The modeling process is being carried out by finite element method, the program AUTODESK SIMULATION & MULTIPHISICS. Where at the end of the simulation we see and interpret the results have been obtained as the strain, effort and failure criteria that can be given in this phenomenon, which provide the basis for developing other tests with other materials and other profiles projectile.

Keywords: impact, finite elements, impact loads, impact deformation, bullet

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1. INTRODUCCIÓN Primero debemos saber que es una carga dinámica “una carga dinámica puede adoptar muchas formas, algunas cargas se aplican y remueven repentinamente (cargas de impacto), otras persisten durante periodos largos y varían continuamente de intensidad (cargas fluctuantes); por lo general el impacto se desarrolla en tiempos cortos y con elevadas intensidades, que pueden producir daños importantes sobre la superficie que impacta.

Figura n°1 Carga de impacto sobre una barra prismatica

El estudio del impacto es realizado por la “Teoría de Impulsiones”. En esta teoría se aplica la conservación de cantidad de movimiento y momento cinético, mientras el balance de energía se tiene en cuenta mediante el denominado “coeficiente de restitución”.

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Figura n°2 Impacto de dos cuerpos y el coeficiente de restitucion

Por lo tanto, la teoría de impulsiones permite calcular un estado del movimiento después de la impulsión que deberá ser considerado como unas nuevas condiciones iniciales para la dinámica del sistema a partir de dicho instante. En ciertos casos, los fenómenos de impacto sobre las estructuras pueden estudiarse mediante este tipo de teorías. Esta seria la situación de un impacto de corta duración en el que la perdida de energía fuese pequeña y pudiera considerarse elástico (coeficiente de restitución= 1), o bien en un fenómeno en que, existiendo una cierta pérdida energética, se conozca de manera adecuada dicho coeficiente (0 < e <1) [3].

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Sin embargo, en la mayoría de las situaciones reales es necesario un estudio más detallado, profundizando precisamente en aquello que la teoría de impulsiones no trata: cómo se produce la pérdida de energía, de qué manera se desarrolla la fuerza de impacto a través del contacto entre los cuerpos, así como la posible degradación y rotura de los mismos debido a las elevadas solicitaciones. Generalmente es necesario recurrir a métodos numéricos, mediante elementos finitos, que incluyan una resolución adecuada de las ecuaciones dinámicas en el tiempo, o recurrir a software’s que estén basados en el método de elementos finitos, como es el Autodesk Simulation Multiphisics, Ansys, etc. No deben perderse de vista, sin embargo, los principios básicos de la dinámica que a menudo es necesario aplicar para deducir ciertas condiciones que no son inmediatas en el planteamiento del problema. Un ejemplo de esto es el cálculo de las fuerzas de impacto, a imponer en el modelo estructural, en situaciones en que no sea práctico realizar una modelización detallada del fenómeno local en la zona de impacto. Esta modelización local detallada necesitaría un modelo preciso de los contactos entre los cuerpos que impactan, la consideración de la propagación de ondas en la zona de impacto y de la rotura del material que conduzca a una penetración del proyectil en mayor o menor grado. Estos fenómenos son extraordinariamente complejos para desarrollar, y por lo tanto en este caso que se va a simular el fenómeno descrito, solo vamos a tomar en cuenta unas consideraciones básicas. A continuación vamos a ver un caso típico de impacto.

2. IMPACTO DE UNA BALA SOBRE SUPERFICIES

En este caso no se trata de impactos accidentales sino por lo general deliberados figura 03. Su casuística es por otra parte similar a la de determinados impactos accidentales de proyectiles surgidos de explosiones muy energéticas. Los estudios pueden realizarse desde el punto de vista del ataque, en cuyo caso el objetivo seria conseguir la máxima penetración o daño, o de la defensa, en cuyo caso el objetivo sería conseguir una protección o blindaje adecuado.

Figura n°3 Impacto de una bala sobre una superficie

En cuanto a los tipos de proyectiles pueden citarse: Balas u ogivas clásicas, con o sin punta y generalmente de materiales densos como el plomo o el

wolframio, cuyasvelocidades de impacto suelen estar entre 300–1500 m/s. Proyectiles de fragmentación, procedentes de una detonación, con formas arbitrarias y que pueden

alcanzar velocidades entre 500–2000 m/s. Proyectiles auto forjados, por la acción de explosivos, con velocidades de 1500–3000 m/s.

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2.1. CLASIFICACIÓN DE IMPACTO La velocidad es quizás el parámetro más simple para clasificar los distintos tipos de impactos. Sin embargo, resulta difícil clasificar de forma absoluta los mismos por un sólo parámetro, ya que otras variables de tipo geométrico o relacionadas con las propiedades del proyectil o del blanco tienen una importancia decisiva. A pesar de todo, y con objeto de realizar una primera aproximación, se han propuesto diversas clasificaciones. Sintetizando estas, y citando los efectos sobre el material, se puede proponer la siguiente ordenación:

Baja velocidad (v <50m/s). Efectos elásticos, o deformación plástica localizada. Velocidad media (50m/s< v <500m/s). Deformación plástica generalizada. Velocidad alta (500m/s< v <2000m/s). La resistencia viscosa del material aún tiene importancia. Hipervelocidad (2000m/s< v). El material puede considerarse como un fluido hidrodinámico.

Figura n°4 Propulsion que causa la velocidad de la bala

2.2. FENÓMENOS A CONSIDERAR

Según los resultados que vamos a querer obtener en el desarrollo del fenómeno del impacto vamos a considerar los siguientes:

Comportamiento no lineal del material: plasticidad, rotura, dependencia de la velocidad de deformación, dependencia de la energía interna o temperatura,… Se produce en mayor medida al aumentar la velocidad de impacto, aunque para velocidades muy elevadas el material pasa a comportarse prácticamente como un fluido, su resistencia puede despreciarse.

Grandes deformaciones: Los alargamientos unitarios de los materiales en fases sólidas pueden superar el 100 %. Bajo presiones muy elevadas el material se comporta como un fluido, con deformaciones muy grandes.

Contactos y fenómenos de interfaz en los contornos. El contacto es clave en cualquier modelo de impacto, ya que a través de él se transmiten las cargas.

Penetración y perforación, por la rotura del material del blanco. (Se denomina penetración cuando el proyectil no traspasa, y perforación cuando el proyectil se produce penetración total y el proyectil pasa al otro lado del blanco.)

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3. DESARROLLO DEL ANÁLISIS, MEDIANTE SOFTWARE Para desarrollar el análisis del fenómeno se han desarrollado los siguientes pasos:

3.1. MODELADO DE LAS PARTES Para el modelado de los componentes que conforman el fenómeno hemos utilizado el software Autodesk Inventor Profesional 2012, como se ve en la figura siguiente. Hemos considerado a la bala como una esfera de diámetro 10 mm, y para superficie de contacto, realizamos una plancha de espesor de 3 mm.

Figura n°5 Modelado y ensamble en Iinventor

3.2. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS DEL EVENTO. Para definir los parámetros del fenómeno debemos de diferenciar ambas piezas (bala, plancha), y definir las por separado.

3.2.1. BALA Para la definición de los parámetros, como visto anteriormente, se ha considerado una bala esférica, y esta misma tiene las siguientes características mecánicas Tabla 01.

Figura n°6 Modelo en Elementos Finitos de la Bala

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Tabla 1: Propiedades del acero ASTM A572

3.2.2. PLACA Para definir los parámetros de la placa en la que va a suceder el impacto figura 07, es una plancha de 3mm de espesor y se ha variado con diferentes tipos de materiales como se ve en la Tabla 02.

Figura n°7 Modelo en Elementos Finitos de la plancha

Tabla 2: Propiedades del plástico ASTM A36

Tabla 3: Propiedades del plástico PVC

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Tabla 4: Propiedades del Kovarr Alloy (Glass and Ceramic Sealing Alloy)

3.3. CONDICIONES DE FRONTERA QUE CONSIDERADOS PARA EL ANÁLISIS.

Para asegurar la correspondencia cinematica de los movimientos relativos de la bala se procedio a restringir su movimiento solo en un eje asi mismo su movimiento de rotacion con respecto a la plancha se empotro tal como se muestra en la Figura n° 08.

Figura n°8 Modelo con las Condiciones de Frontera:

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4. RESULTADOS OBTENIDOS 4.1. RESULTADOS DE LA PLANCHA DE ACERO ASTM A-36

Figura n°9 Resultado de la plancha de A-36

Figura n°10 Resultado de los esfuerzos de diferentes nodos

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4.2. RESULTADOS DE LA PLANCHA DE PVC

Figura n°11 Resultado de la plancha de A-36

Figura n°12 Resultado de los esfuerzos de diferentes nodos

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4.3. RESULTADOS DE LA PLANCHA DE VIDRIO CERAMICA

Figura n°11 Resultado de la plancha de A-36

Figura n°12 Resultado de los esfuerzos de diferentes nodos

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1. CONCLUSIONES

El impacto constituye una solicitación dinámica que exige un tratamiento específico, con un

marcado carácter no lineal, lo que difiere de otros casos de dinámica estructural. Este hecho

convierte en prácticamente obligado un calculo numérico con integración directa en el tiempo.

En numerosas situaciones es imprescindible un modelo detallado de los contactos y de la posible

penetración o rotura local.

1. AUTORIZACIÓN Y RENUNCIA Las siguientes palabras aparecerán en la sección Autorización y Renuncia al final del documento: “Los autores autorizan a CIIMMEM para publicar el escrito en los procedimientos de la conferencia. CIIMMEM o los editores no son responsables ni por el contenido ni por las implicaciones de lo que esta expresado en el escrito.”

BIBLIOGRAFÍA

1. James Gere, Barry Goodno – Mecánica de Materiales

2. Jingzhou (James) Yang and Jichang Dai - Simulation-Based Assessment of Rear Effect to Ballistic

Helmet Impact

3. José M. Goicolea - ESTRUCTURAS SOMETIDAS A IMPACTO

Autorización y Renuncia Los autores autorizan a CIIMMEM para publicar el escrito en las memorias de la conferencia. CIIMMEM o los editores no son responsables ni por el contenido ni por las implicaciones de lo que esta expresado en el escrito