Impact d'une balle sur un mur d'acier

Simulation en dynamique rapide (explicite)

Modélisation numérique impact balle mur acier

Découvrir l'expertise d'EC2 Modélisation en dynamique rapide

Contexte du projet

La résistance mécanique des structures face à l'impact de projectiles peut être l’aspect déterminant dans le dimensionnement, tant pour l’intégrité des installations à risque, que pour la sécurité des opérateurs. Les risques de défaillances sont multiples et leur modélisation souvent complexe : explosions, éclatement de machines tournantes à vitesse élevée, chutes d'objets, impact de balles.

Les progrès des outils de simulations et des puissances de calculs permettent actuellement d’évaluer avec une certaine précision la résistance d’une structure face à ce genre de situation et donc de mieux se protéger des risques.

Objectifs de l'étude

Dans le cadre de cet exemple de dynamique rapide, nous allons simuler par éléments finis l'impact d'une balle sur une tôle en acier. Nous ferons varier deux des paramètres influents de la modélisation : la vitesse initiale de la balle et l'épaisseur du mur.

Nous pourront ainsi déterminer, pour une vitesse de projectile donnée, l'épaisseur minimale de la tôle d'acier nécessaire pour arrêter complètement la balle. De la même manière, pour une épaisseur de tôle donnée, nous chercherons la vitesse maximale que le projectile doit avoir pour ne pas transpercer la structure métallique.

Caractéristiques du modèle numérique

La balle et la tôle sont discrétisées à l'aide d'éléments 3D solides hexaédriques. Le maillage est fortement raffiné dans la zone d'impact de la balle afin de représenter correctement les phénomènes souhaités. Un minimum de 5 éléments sont utilisés dans l'épaisseur de la tôle pour les plus fines épaisseurs ; le nombre d'éléments augmente progressivement avec l'épaisseur de la tôle.

La principale difficulté de cette modélisation numérique est de prendre en compte l'érosion des éléments, pour que le projectile puisse transpercer la tôle. Pour cela, nous utilisons un critère de plasticité de type Johnson Cook, ainsi que des paramètres d'initiation et d'évolution d'endommagement adaptés aux matériaux de la balle de et de tôle.

CAO balle tôle acier Maillage éléments finis balle tôle acier

Résultats de la simulation

Six simulations numériques ont été réalisées en utilisant le solveur de dynamique explicite d'Abaqus:

  • 3 avec une vitesse de balle fixe (975 m/s) et des épaisseurs de 2, 16 et 30 mm
  • 3 avec une épaisseur de tôle fixe (12 mm) et des vitesses de balle de 250, 975 et 2000 m/s

Pour la première série de simulations avec une vitesse de projectile de 975 m/s, l'épaisseur minimale de la tôle pour éviter la perforation est de 30 mm.

Pour la secondesérie de simulations avec épaisseur de tôle de 12 m/s, la vitesse maximale du projectile pour éviter la perforation de la tôle est de 250 m/s.

L'analyse des évolutions de énergie cinétique des balles (voir graphiques ci-dessous) nous permet de connaître la perte d’énergie (ou de vitesse) qu'à subit la balle en traversant la tôle d'acier. Si au terme de la simulation l'énergie cinétique est nulle, le projectile a complètement était stoppé par le mur.

Modélisation numérique impact balle tôle acier

Simulation numérique impact balle tôle acier

Simulation modélisation impact balle déformations contraintes

Énergie cinétique influence épaisseur Energie cinétique influence vitesse

Animation de la simulation