Building a predictive soft armor finite element model combining experiments, simulations, and machine learning

盔甲 有限元法 计算机科学 试验数据 贝叶斯优化 替代模型 过程(计算) 机器学习 结构工程 材料科学 工程类 图层(电子) 复合材料 程序设计语言 操作系统
作者
Tanu Pittie,Kartikeya Kartikeya,Naresh Bhatnagar,NM Anoop Krishnan,Thilak Senthil,Subramaniam Rajan
出处
期刊:Journal of Composite Materials [SAGE]
卷期号:57 (9): 1599-1615 被引量:1
标识
DOI:10.1177/00219983231160497
摘要

Despite its relevance for law enforcement applications, the design of soft armor has mainly been based on a trial-and-error approach. In this paper, a combined experimental, machine learning, and finite element analysis framework is used to build a predictive numerical model for the analysis and hence, design of soft armor. The material models for major components of the soft armor certification system—bullet, shoot pack, straps, and clay backing, are first constructed using laboratory tests and publicly available data. Next, three metrics, namely, back face signature (BFS), number of penetrated shoot-pack layers, and mushrooming of the bullet are established to gauge the model’s accuracy with respect to the laboratory ballistic test data. A machine learning (ML) model is used as a surrogate to predict the BFS and the number of eroded elements. Finally, optimized material model parameters are obtained through ML-based surrogate model and Bayesian optimization algorithm. The final validation of the developed framework is carried out using laboratory ballistic test data involving multiple shots on the shoot pack. The results indicate that reliable predictive data can be obtained using the developed process, and likely, can be extended for use in modeling other impact simulations.

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