Diseño de un casco de combate fabricado con materiales compuestos.

Abstract

[ES] Debido a los conflictos internacionales actuales, los sistemas de protección personal cobran una gran importancia para salvar un mayor número de vidas y disminuir las lesiones en la cabeza. Los laminados compuestos por plásticos reforzados con fibras se vienen utilizando en diseños de cascos de combate dadas sus características mecánicas, que permiten mantener el nivel de protección disminuyendo su peso. Por ello, en el presente Trabajo de Fin de Grado se diseña y modela una calota de casco de combate fabricada con materiales compuestos. En el proceso de diseño, se han tenido en cuenta, inicialmente, probetas de material compuesto tipo placa, sobre las que se simulan impactos balísticos. Se utiliza la teoría de elementos finitos mediante el software comercial de elementos finitos llamado Abaqus. Con la utilización de este programa, se estudia cómo influyen diversos parámetros como el tamaño de elemento o la configuración de laminado utilizada en las simulaciones. El objetivo de este paso es evaluar la configuración que permite absorber una mayor cantidad de energía durante el impacto. Tras la elección de la configuración final elegida, se realizan simulaciones para evaluar en detalle el desempeño del diseño, entre los que destacan el estudio de la influencia de la velocidad inicial de la bala en la energía absorbida por cada configuración de laminado. Los resultados muestran que los materiales con mejores características para un impacto balístico son el UHMWPE y la Fibra de Carbono, superando los dos la normativa sobre la resistencia de impacto a una velocidad inicial del proyectil. Finalmente, tras los estudios en la placa plana, se ha dispuesto a la validación del modelo y materiales sobre la geometría de una calota de combate. Sobre ella, se han realizado impactos balísticos y se ha analizado su respuesta, donde finalmente se ha comprobado la correcta funcionalidad del diseño, cumpliendo con los objetivos marcados durante el desarrollo del proyecto.

[EN] Due to the current international conflicts, personal protection systema have a great importance in saving more lives and reducing head injuries. Laminates composed of fiber-reinforced plastics are being used in combat helmet designs because of their mechanical properties, which maintain protection levels while reducing weight. For this reason, in this Final Degree Project, a combat helmet shell made of composite materials is designed and modeled. In the design process, composite material specimens in the form of plates were initially considered, and ballistic impacts were simulated on them. The finite element method is used with the commercial finite element software Abaqus. With the use of this program, various parameters such as element size and laminate configuration used in the simulations are studied. The goal of this step is to evaluate the configuration that allows the greatest amount of energy to be absorbed during the impact. After selecting the final configuration, simulations are carried out to evaluate the design performance in detail, with a particular focus on the influence of the bullet s initial velocity to estimate the energy absorbed by each laminate configuration. The results show that the materials with the best characteristics for ballistic impact are UHMWPE and Carbon Fiber, both exceeding the standard of the impact resistance at an initial projectile velocity. Finally, after the studies on the flat plate, the model and materials were validated on the geometry of a combat helmet shell. Ballistic impacts were carried out on it, and its response was analyzed, ultimately confirming the proper functionality of the design, meeting the objectives set during the project development.

[CA] A causa dels conflictes internacionals actuals, els sistemes de protecció personal cobren una gran importància per salvar un major nombre de vides i disminuir les lesions al cap. Els laminats compostos per plàstics reforçats amb fibres s’han estat utilitzant en dissenys de cascos de combat per les seues característiques mecàniques, que permeten mantindre el nivell de protecció disminuint el seu pes. Per això, en el present Treball de Fi de Grau es dissenya i modela una calota de casc de combat fabricada amb materials compostos. En el procés de disseny, s’han tingut en compte, inicialment, provetes de material compost tipus placa, sobre les quals es simulen impactes balístics. S’utilitza la teoria d’elements finits mitjançant el programa comercial d’elements finits anomenat Abaqus. Amb la utilització d’aquest programa, s’estudia com influeixen diversos paràmetres com la mida de l’element o la configuració de laminat utilitzada en les simulacions. L’objectiu d’aquest pas és avaluar la configuració que permet absorbir una major quantitat d’energia durant l’impacte. Després de l’elecció de la configuració final triada, es realitzen simulacions per avaluar en detall el rendiment del disseny, entre les quals destaquen l’estudi de la influència de la velocitat inicial de la bala en l’energia absorbida per cada configuració de laminat. Els resultats mostren que els materials amb millors característiques per a un impacte balístic són l’UHMWPE i la Fibra de Carboni, superant tots dos la normativa sobre la resistència d’impacte a una velocitat inicial del projectil. Finalment, després dels estudis en la placa plana, s’ha disposat a la validació del model i materials sobre la geometria d’una calota de combat. Sobre ella, s’han realitzat impactes balístics i s’ha analitzat la seua resposta, on finalment s’ha comprovat la correcta funcionalitat del disseny, complint amb els objectius marcats durant el desenvolupament del projecte