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PROYECTO DE GRADO

CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE PANELES DE

KEVLAR REFORZADO CON STF FRENTE A ATAQUES CON ARMAS CORTO

PUNZANTES

DIEGO ANDRÉS SÁNCHEZ SANDOVAL

201225374

Profesor Asesor

Alejandro Marañón. Ph.D

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Bogotá, Colombia.

2

Agradecimientos

A mis padres, hermanos y amigos por apoyarme durante todo este tiempo.

1 Índice de Contenidos 2 Índice de Ilustraciones ................................................................................................................4

3 Índice de Tablas .........................................................................................................................4

4 Índice de Gráficas.......................................................................................................................5

5 Introducción ...............................................................................................................................6

6 Marco Teórico ............................................................................................................................6

7 Objetivo General ........................................................................................................................8

7.1 Objetivos Específicos .........................................................................................................8

8 Metodología ...............................................................................................................................8

8.1 Clase de Protección ............................................................................................................8

8.2 Niveles de Protección .........................................................................................................8

8.3 Material de Respaldo ..........................................................................................................9

8.4 Cuchillo de Ingeniería S1 ...................................................................................................9

8.4.1 Plano Cuchillo de Ingeniería S1. ..............................................................................10

9 Descripción del Ensayo ............................................................................................................10

9.1 Panel de la Armadura .......................................................................................................10

9.2 Condiciones Ambientales .................................................................................................11

9.3 Tubo de Lanzamiento .......................................................................................................11

9.4 Masa de Impacto ..............................................................................................................11

9.5 Equipo de Medición de Velocidad....................................................................................12

9.6 Especificaciones del Proyectil ..........................................................................................12

9.7 Material de Respaldo ........................................................................................................12

9.8 Criterio de Aceptación del Material de Respaldo .............................................................12

9.9 Energía de Impacto ...........................................................................................................12

9.10 Medición de la Penetración ..............................................................................................13

9.11 Numero de Ensayos ..........................................................................................................13

10 Ensayos y Procesos Previos a la Experimentación ...............................................................13

10.1 Producción e Impregnación del STF.................................................................................13

10.2 Verificación del Material de Respaldo .............................................................................15

3

10.3 Masa de Impacto ..............................................................................................................16

10.4 Dureza del Proyectil .........................................................................................................17

10.5 Medición de Velocidad .....................................................................................................19

10.5.1 24J ............................................................................................................................19

10.5.2 36J ............................................................................................................................19

11 Resultados y Análisis de Resultados ....................................................................................21

11.1 Ensayos de Impacto ..........................................................................................................21

11.2 Procesamiento de los Datos ..............................................................................................25

11.2.1 Velocidad .................................................................................................................26

11.2.2 Aceleración ...............................................................................................................27

11.3 Análisis de Velocidad .......................................................................................................28

11.4 Análisis de Aceleración ....................................................................................................29

11.4.1 Cambio de Desaceleración para 24J y 36J ................................................................29

11.5 Análisis de Fuerza ............................................................................................................30

11.5.1 Cambio de Fuerza para 24J y 36J .............................................................................31

11.6 Energía Absorbida ............................................................................................................32

11.7 Pruebas Balísticas .............................................................................................................34

11.7.1 Polígono de Tiro .......................................................................................................34

11.7.2 Paneles de Prueba .....................................................................................................35

11.7.3 Número de Capas Perforadas ....................................................................................35

11.7.4 Medición del Trauma ................................................................................................36

11.7.5 Proyectiles Deformados ............................................................................................37

12 Conclusiones ........................................................................................................................38

13 Trabajos Futuros ...................................................................................................................38

14 Referencias ...........................................................................................................................38

15 Anexos .................................................................................................................................40

15.1 Graficas de Pruebas de Impacto........................................................................................40

15.1.1 Panel 1 Kevlar ..........................................................................................................40

15.1.2 Panel 2 Kevlar ..........................................................................................................48

15.1.3 Panel 3 Kevlar – STF................................................................................................56

15.1.4 Panel 4 Kevlar – STF................................................................................................64

15.1.5 Panel 5 Kevlar – STF................................................................................................71

4

15.1.6 Panel 6 Kevlar – STF................................................................................................79

2 Índice de Ilustraciones

Ilustración 1. Tabla de propiedades mecánicas del Kevlar 29 y el Kevlar 49. ....................... 7

Ilustración 2. Tabla de valores de energía para cada nivel de protección .............................. 9

Ilustración 3. Material de respaldo ......................................................................................... 9

Ilustración 4. Proyectil tipo cuchillo de ingeniería S1.......................................................... 10

Ilustración 5. Masa de impacto ............................................................................................. 11

Ilustración 6. Tablas de dureza a partir de la profundidad de la penetración ....................... 12

Ilustración 7. Proceso de secado del material particulado .................................................... 13

Ilustración 8. Proceso de macerado del material particulado ............................................... 14

Ilustración 9. Proceso de impregnación del STF .................................................................. 14

Ilustración 10. Medición de la altura de rebote .................................................................... 15

Ilustración 11. Masa de impacto ensamblada ....................................................................... 16

Ilustración 12. Propiedades del acero de herramientas ASTM A681................................... 17

Ilustración 13. Cuchillos de Ingeniería S1............................................................................ 17

Ilustración 14. Prueba de penetración en la máquina de ensayos Instron ............................ 18

Ilustración 15. Montaje para la medición de la velocidad .................................................... 20

Ilustración 16. Paneles de prueba ......................................................................................... 21

Ilustración 17. Procesamiento de los datos ........................................................................... 22

Ilustración 18. Fuerza experimental a 0.25 m ...................................................................... 31

Ilustración 19. Polígono de tiro ............................................................................................ 34

Ilustración 20. Paneles de prueba balística ........................................................................... 35

Ilustración 21. Numero de capas perforadas por la munición 9mm ..................................... 35

Ilustración 22. Trauma después del impacto ........................................................................ 36

Ilustración 23. Última capa de los paneles de prueba después del impacto ......................... 36

Ilustración 24. Munición 9mm después del impacto ............................................................ 37

3 Índice de Tablas

Tabla 1. Aumento porcentual de las capas impregnadas con STF. ...................................... 15

Tabla 2. Condiciones del ensayo a 24J. ................................................................................ 21

Tabla 3.Condiciones del ensayo a 36J. ................................................................................. 21

Tabla 4. Capas perforadas y profundidad de penetración para el panel 1. ........................... 22





5


Tabla 10. Aumento porcentual de la desaceleración a 24J y 36J. ........................................ 29

Tabla 11. Aumento porcentual de la fuerza a 24J y 36J. ...................................................... 31

Tabla 12. Energía absorbida para el panel 1. ........................................................................ 32






Tabla 18. Disminución porcentual de la energía absorbida a 24J y 36J. .............................. 34

Tabla 19. Velocidad del proyectil y capas perforadas. ......................................................... 37

Tabla 20. Peso de los paneles. .............................................................................................. 37

4 Índice de Gráficas

Gráfica 1. Altura de rebote para la verificación del material de respaldo.............................16

Gráfica 2. Profundidad de penetración del proyectil............................................................18

Gráfica 3. Velocidad de impacto a 24J.................................................................................19

Gráfica 4. Velocidad de impacto a 36J.................................................................................20

Gráfica 5. Capas perforadas para paneles de Kevlar............................................................24

Gráfica 6. Capas perforadas para paneles de Kevlar – STF.................................................24

Gráfica 7. Filtración de la señal de velocidad.......................................................................26

Gráfica 8. Velocidad filtrada experimental...........................................................................28

Gráfica 9. Desaceleración experimental................................................................................29

Gráfica 10. Fuerza experimental ..........................................................................................30

6

5 Introducción

El INPEC (Instituto Nacional Penitenciario y Carcelario) es la entidad encargada de controlar

los centros penitenciarios en Colombia. El personal de seguridad de esta organización está

equipado con elementos de protección que reducen los riesgos en caso de un ataque por parte

de los reclusos, generalmente se proveen chalecos balísticos hechos en fibras de aramida o

Kevlar como una barrera contra impactos potencialmente mortales. El Kevlar es un material

ligero que, gracias a sus propiedades mecánicas, permite una absorción de energía

considerable minimizando el daño que produce el impacto de un proyectil en zonas

vulnerables del cuerpo humano, sin embargo, estos elementos están diseñados solo para

contrarrestar un ataque con arma de fuego, no obstante su resistencia disminuye

dramáticamente cuando el material se somete a un esfuerzo cortante generado por un ataque

con arma blanca, armas normalmente utilizadas por los reclusos, poniendo en peligro la vida

de los guardias.

Con el fin de blindar los elementos de protección contra ataques de armas blancas se han

desarrollado una serie de fluidos que permiten contrarrestar el efecto de los esfuerzos

cortantes generados por las armas corto punzantes. Estos fluidos denominados STF (Shear

Thickening Fluids) tienen la capacidad de cambiar su viscosidad en función de la tasa de

deformación aplicada por un impacto, esto le brinda a la armadura una resistencia extra sin

comprometer el peso de la misma. (Hanlon, 2006).

Para fines de este proyecto se pretende analizar el comportamiento mecánico del Kevlar

reforzado con STF frente a impactos de armas corto punzantes, haciendo uso del montaje

experimental realizado en la tesis de pregrado de Natalia Concha y utilizando como guía de

experimentación la tesis de pregrado de José David Quiroga, sin embargo el arma utilizada

en este proyecto no será de tipo punzón sino que se hará uso de un proyectil corto punzante

de tipo cuchillo de ingeniería S1, teniendo en cuenta los parámetros establecidos en la norma

NIJ Standard–0115.00, “Stab Resistance of Personal Body Armor” .

6 Marco Teórico

A continuación, se presentarán algunos términos relevantes con el fin de mejorar la

comprensión del tema del trabajo presentado.

Kevlar: El Kevlar o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida orgánica aromática

(fibras de aramida) que se caracteriza por su alta resistencia, su alto módulo de elasticidad y

por ser un material térmicamente estable (Du Pont, 2015). Es un material altamente utilizado

7

en el sector armamentista ya que sus propiedades mecánicas le permiten absorber energía de

los impactos balísticos, además al ser un compuesto de baja densidad con respecto a su

módulo de elasticidad es un material ideal para el blindaje de vehículos y elementos de

protección corporal.

A continuación, se presentarán algunas propiedades relevantes del Kevlar.

Ilustración 1. Tabla de propiedades mecánicas del Kevlar 29 y el Kevlar 49. (Du Pont, 2015).

STF: (Shear Thickening Fluid) son fluidos no Newtonianos que tienen la capacidad de variar

su viscosidad a partir de cambios en la tasa de deformación, esto ocurre debido a que las nano

partículas de sílice que están suspendidas en polietilenglicol, un agente espesante no toxico

e inerte, se comportan como cuerpos rígidos cuando se aplica un esfuerzo cortante en la

superficie, aumentando dramáticamente su viscosidad, sin embargo cuando no existe una

carga aplicada las partículas fluyen libremente dentro del fluido con una viscosidad menor.

(Hanlon, 2006).

Las fibras de Kevlar se sumergen en el STF mejorando considerablemente su resistencia,

compensando las propiedades anisotropías de las fibras de aramida y permitiendo una

8

absorción de energía mayor, esto implica que la profundidad que alcanza el objeto corto

punzante en el impacto se disminuye considerablemente.

7 Objetivo General

Comparar la respuesta de los paneles de Kevlar y Kevlar reforzado con STF frente a

penetraciones causadas por armas corto punzantes.

7.1 Objetivos Específicos

Medir la energía absorbida por los paneles de Kevlar y Kevlar reforzado con

STF teniendo en cuentas las especificaciones de la norma NIJ Standard–

0115.00, “Stab Resistance of Personal Body Armor”.

Realizar pruebas balísticas para comprobar la bifuncionalidad de los paneles

reforzados con STF.

Para cumplir con los objetivos previamente mencionados se realizarán las siguientes acciones

siguiendo la metodología utilizada en la norma NIJ Standard–0115.00, “Stab Resistance of

Personal Body Armor”.

8 Metodología

Al igual que en los trabajos previos el ensayo que se va realizar se especifica en la norma NIJ

Standard–0115.00, “Stab Resistance of Personal Body Armor”.

8.1 Clase de Protección

Para este proyecto se definió la clase de protección para centros penitenciarios, donde se

presentan armas corto punzantes de baja calidad y armas improvisadas con materiales

presentes en estos ambientes.

8.2 Niveles de Protección

Los niveles de protección hacen referencia a la energía necesaria para alcanzar cierta

profundidad en la penetración del objeto en cuestión. Existen dos niveles de protección, el

primero es el E1 que permite una profundidad de penetración de 7mm (0.28 in), en este punto

no existe daño a los órganos vitales en el cuerpo humano, el segundo nivel de protección

requiere de un aumento del 50% de la energía cinética del objeto y permite una penetración

de 20 mm (0.79 in).

Nivel 1: Amenaza menor.

9

Nivel 2: Amenaza intermedia.

Nivel 3: Amenaza mayor.

A continuación, se presentará una tabla con los valores de energía y fuerza para cada uno de

los niveles de protección mencionados anteriormente.

Ilustración 2. Tabla de valores de energía para cada nivel de protección. (National Institute of Justice, 2000).

Con el fin de mejorar la compresión del lector acerca del ensayo a realizar se van a dar

algunas definiciones relevantes que permitirán entender la metodología a utilizar.

8.3 Material de Respaldo

Es el material donde se ubica la armadura para realizar el ensayo, este consiste de varias

capas de diferentes materiales. Comienza con cuatro capas de esponja de neopreno, después

1 de espuma de polietileno y finalmente dos capas de caucho.

Ilustración 3. Material de respaldo. (National Institute of Justice, 2000).

8.4 Cuchillo de Ingeniería S1

S1: Cuchillos militares o cuchillos de cocina grandes, gruesos con doble filo cortante.

10

8.4.1 Plano Cuchillo de Ingeniería S1.

Ilustración 4. Proyectil tipo cuchillo de ingeniería S1. (National Institute of Justice, 2000).

9 Descripción del Ensayo

A diferencia del proyecto de grado de Pedro Gómez se van a utilizar tan solo dos paneles de

Kevlar y cuatro paneles de Kevlar reforzado con STF como indica la sección 4.2 de la norma

NIJ Standard–0115.00, “Stab Resistance of Personal Body Armor”.

A partir de los parámetros propuestos en la tesis de Natalia Concha se definió que los paneles

van a ser tratados como una armadura con nivel de protección 1, es decir, los impactos se van

a realizar con los valores de energía reportados en la ilustración 2 (E1 = 24J y E2 = 36J).

9.1 Panel de la Armadura

Trabajo Previo: Antes de realizar el ensayo se deben hacer inspecciones físicas de

cada una de las muestras con el fin de identificar cualquier tipo de anomalía en las

mismas, ya sea un defecto en material o algún tipo de fisura en el mismo, todas estas

anomalías deben ser registradas antes de realizar el experimento.

Trabajo Posterior: Una vez finalizado el ensayo se deben hacer inspecciones físicas

de las probetas penetradas y se debe reportar cualquier eventualidad presentada en el

proceso.

11

9.2 Condiciones Ambientales

Para realizar el ensayo adecuadamente se deben cumplir las siguientes condiciones:

La temperatura ambiente de ser de 21° ± 6° antes y después del ensayo.

La humedad relativa debe ser de 50% ± 20%.

Las condiciones ambientales deben medirse cada 4 horas para garantizar una buena

experimentación.

9.3 Tubo de Lanzamiento

Es un sistema diseñado para permitir el desplazamiento de vertical de la masa por influencia

de la gravedad, esta masa contiene el proyectil corto punzante que impacta contra la armadura

en un punto específico definido previamente. Se implementan rieles de guía con el fin de que

la masa no gire en el interior del tubo afectando la orientación del arma antes del impacto.

9.4 Masa de Impacto

Sistema que consiste de una cuchilla manufacturada, un sistema de sujeción de la cuchilla y

una pieza de nylon que garantiza el descenso vertical del objeto corto punzante durante el

ensayo.

Ilustración 5. Masa de impacto. (National Institute of Justice, 2000).

La masa de impacto que se muestra en la ilustración 4 consta de las siguientes partes:

Arma tipo cuchilla (S1).

Un sistema de sujeción de acero y aluminio que sostiene el arma que debe tener una

masa de 650 g ± 7 g.

Una masa de nylon superior que le permite al sistema deslizarse dentro de la cavidad

de nylon exterior. La masa de nylon superior debe tener una masa de 1250 g ± 13 g

con un diámetro exterior de 97 mm y una longitud de 400 mm, la masa superior

garantiza que el proyectil no se mueva dentro de la masa de impacto.

Dos discos de polietileno que funcionaran como sistema de amortiguamiento.

La masa de impactos debe asegurar el proyectil tipo cuchilla de tal forma que quede expuesto

83 mm ± 2 mm.

12

9.5 Equipo de Medición de Velocidad

El equipo de medición de velocidad debe tener una resolución de 0.05 m/s o mejor. Para fines

de este proyecto se utilizará la cama de alta velocidad Olympus i – speed 2, utilizada en los

trabajos previos para grabar el proyectil en el momento del impacto, este equipo puede grabar

a una velocidad de 33000 cuadros por segundo, sin embargo, para fines de este proyecto se

grabará a 1000 cuadros por segundo.

9.6 Especificaciones del Proyectil

Para la cuchilla S1 se hará una inspección con el fin de determinar acabados superficiales y

se hará la manufactura correspondiente como lo especifica la ilustración 5.

Después de la inspección se realizarán pruebas de dureza en la punta que deben estar entre

50 – 150 Rockwell C, para esto se realizara una prueba de dureza como se especifica en la

norma, donde relacionan la profundidad de la penetración con la dureza en RC como se

presenta en la siguiente tabla.

Ilustración 6. Tablas de dureza a partir de la profundidad de la penetración. (National Institute of Justice, 2000).

9.7 Material de Respaldo

Como se especificó previamente en las definiciones (ver ilustración 3) el material de

respaldo consta de:

Cuatro capas de neopreno de 5.8 mm.

Una capa de espuma de polietileno de 31 mm.

Dos capas de caucho natural de 6.4 mm.

9.8 Criterio de Aceptación del Material de Respaldo

Después del acondicionamiento previo especificado por la norma se debe realizar una prueba

de altura de rebote que consta de una esfera de acero de 1.042 kg que se debe dejar caer dos

veces desde una altura de 1500 mm ± 15 mm, la altura de rebote no debe exceder los 450

mm ± 102 mm para garantizar el buen funcionamiento del material.

9.9 Energía de Impacto

La energía de impacto es la energía cinética que lleva el proyectil antes de llegar a la

armadura en la parte inferior del montaje, esta se calcula a partir de la siguiente ecuación.

13

𝐸𝑐 =1

2𝑚𝑣2 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1).

9.10 Medición de la Penetración

Si el impacto cumple con los criterios especificados por la norma se deben registrar

desmontando la muestra cuidadosamente y midiendo con un calibrador el valor de la

profundidad. (National Institute of Justice, 2000).

9.11 Numero de Ensayos

Para la realización de los ensayos se van a utilizar los dos niveles de energía para protección

nivel 1 que se especificaron anteriormente (ver ilustración 2), sin embargo, por cuestiones de

costos y de tiempo solo se realizaran dos paneles de Kevlar y cuatro paneles de Kevlar

reforzados con STF.

Las especificaciones de los paneles son:

Paneles con 10 capas de Kevlar reforzadas con STF más 5 capas de Kevlar sin

reforzar.

Paneles con 18 capas de Kevlar. (Gómez, 2014).

10 Ensayos y Procesos Previos a la Experimentación

10.1 Producción e Impregnación del STF

La producción del STF consta básicamente de tres pasos principales:

1) Síntesis del material particulado.

2) Secado y Macerado.

3) Aplicación del PEG y ultrasonido.

Ilustración 7. Proceso de secado del material particulado.

14

Ilustración 8. Proceso de macerado del material particulado.

Por temas de confidencialidad no es posible dar detalles de las cantidades exactas de los

reactivos utilizados en el proceso.

Una vez obtenido el STF se determinó una cantidad optima del fluido que permitiera una

impregnación adecuada, para este caso se utilizaron 24 ml de STF por cada capa de Kevlar.

En el proceso de impregnación se utiliza un rodillo para distribuir uniformemente el fluido

por la capa, una vez impregnado se deja en el horno 30 minutos a 90°C.

Ilustración 9. Proceso de impregnación del STF.

15

Se pesaron 10 capas antes y después de la impregnación para ver el cambio porcentual del

peso debido a la adición del STF y se obtuvieron los siguientes resultados.

Tabla 1. Aumento porcentual de las capas impregnadas con STF.

Capa Masa Inicial [g]

Masa Final [g]

Aumento Porcentual del Peso

1 24.6 32.1 23.4%

2 23.7 30.8 23.1%

3 24.3 30.1 19.3%

4 24.6 31.3 21.4%

5 23.9 31.0 22.9%

6 24.3 31.5 22.9%

7 24.4 33.2 26.5%

8 24.9 30.2 17.5%

9 24.4 30.3 19.5%

10 24.6 31.9 22.9%

Promedio 24.4 31.2 21.9%

10.2 Verificación del Material de Respaldo

Como se mencionó anteriormente en la metodología se realizó una prueba de rebote para

verificar la absorción de energía del material de respaldo. Para obtener datos de la trayectoria

de la esfera se utilizó el software Tracker, este software permite analizar videos de objetos

en movimiento haciendo posible la medición de posición, velocidad y aceleración del mismo

en cualquier instante de tiempo. Después de analizar cuatro videos en cámara lenta (60

imágenes por segundo) se obtuvieron los siguientes resultados.

Ilustración 10. Medición de la altura de rebote.

16

Gráfica 1. Altura de rebote para la verificación del material de respaldo.

La altura después del primer rebote se encuentra cerca de los 62 cm, esto sobrepasa

ligeramente el valor que exige la norma (ver la sección Criterio de Aceptación del Material

de Respaldo), sin embargo, es un margen pequeño por lo que se utilizó este material como

soporte en las pruebas de impacto.

10.3 Masa de Impacto

Ilustración 11. Masa de impacto ensamblada.

La masa de impacto se manufacturo según los parámetros dados en la sección Masa de

Impacto presentada anteriormente, luego del ensamblaje de todos los elementos de la misma

se obtuvo que la masa total del sistema es de 1.97 kg.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Alt

ura

[m

]

Tiempo [s]

17

10.4 Dureza del Proyectil

Como se mencionó en la metodología se realizaron pruebas de penetración en la máquina de

ensayos Instron con el fin de determinar la dureza del proyectil. Los datos obtenidos se

compararon con la tabla que se muestra en la ilustración 6 y se obtuvieron los siguientes

resultados.

El proceso de manufactura realizado para obtener el proyectil fue fresado y material utilizado

para obtener esta dureza es un acero de herramientas ASTM A681 con las siguientes

especificaciones.

Ilustración 12. Propiedades del acero de herramientas ASTM A681 (MatWeb, 2015).

Ilustración 13. Cuchillos de Ingeniería S1.

18

Ilustración 14. Prueba de penetración en la máquina de ensayos Instron.

Gráfica 2. Profundidad de penetración del proyectil.

Dado que la profundidad obtenida esta entre 0.3 y 0.4 mm el proyectil se encuentra entre el

rango de dureza que especifica la norma. Al comprar los valores de profundidad obtenidos

con la tabla que se presenta en la ilustración 7 encontró que la dureza esta entre 50 – 70 HRC.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Mas

a [k

g]

Profundidad [mm]

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

Ensayo 5

19

10.5 Medición de Velocidad

Para determinar la velocidad necesaria para lograr la energía requerida se utilizó la siguiente

ecuación.

𝐸 =1

2𝑚𝑣2 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2)

Se halló una velocidad para cada uno de los niveles de energía (24J y 36J), una vez obtenido

estos valores se le sumo un 15% donde se tienen en cuenta los efectos de fricción del tubo de

acrílico del montaje. Con la velocidad corregida se calculó la altura a partir de la ecuación de

caída libre.

𝑣 = √2𝑔ℎ → ℎ =𝑣2

2𝑔 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3)

Esta ecuación es la ecuación de velocidad ideal de caída libre, en este modelo no se tiene en

cuenta el valor de la masa, además el valor de gravedad utilizado fue de 9.65 m/s2 ya que es

el valor de la gravedad a la altura de Bogotá (2600 m.s.n.m).

10.5.1 24J

Velocidad ≈ 5.31 m/s

Altura ≈ 1.46 m

Gráfica 3. Velocidad de impacto a 24J.

10.5.2 36J

Velocidad ≈ 6.48 m/s

Altura ≈ 2.19 m

0

1

2

3

4

5

6

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

Vel

oci

dd

ad [

m/s

]

Tiempo [s]

20

Gráfica 4. Velocidad de impacto a 36J.

Las gráficas se obtuvieron por medio del análisis de video realizado en Tracker, es importante

aclarar que solo se tuvieron en cuenta las velocidades justo antes del impacto. Al comparar

los datos teóricos con las velocidades obtenidas experimentalmente se puede observar que

los datos tienen cierta dispersión, sin embargo, están dentro de un límite aceptable que

permite realizar los ensayos de impacto sin inconvenientes.

Ilustración 15. Montaje para la medición de la velocidad.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

Vel

oci

dad

[m

/s]

Tiempo [s]

21

11 Resultados y Análisis de Resultados

11.1 Ensayos de Impacto

Como se mencionó anteriormente se realizaron ensayos de impacto siguiendo los parámetros

de la norma NIJ Standard–0115.00, “Stab Resistance of Personal Body Armor” para

armaduras balísticas de nivel de protección 1, luego de cada de ensayo se contaron las capas

perforadas y la profundidad de penetración en el material de soporte, es importante tener en

cuenta que para cada panel se realizaron ocho impactos, cuatro de estos a 24J y el resto a 36J.

A continuación, se presentará una tabla con las condiciones utilizadas para cada uno de los

paneles, así como los resultados obtenidos para cada uno de ellos.

Tabla 2. Condiciones del ensayo a 24J.

Panel Material Número del Impacto Velocidad 24 J [m/s]

1 Kevlar

1 al 4

5 – 5.6

2 Kevlar 5 – 5.6

3 Kelvar - STF 5 – 5.6




Tabla 3.Condiciones del ensayo a 36J.

Panel Material Número del Impacto Velocidad 36 J [m/s]

1 Kevlar

5 al 8

6.2 – 6.8

2 Kevlar 6.2 – 6.8

3 Kelvar - STF 6.2 – 6.8

4 Kelvar - STF 6.2 – 6.8

5 Kelvar - STF 6.2 – 6.8

6 Kelvar - STF 6.2 – 6.8

Ilustración 16. Paneles de prueba.

22

Tabla 4. Capas perforadas y profundidad de penetración para el panel 1.

Panel 1 Kevlar

Impacto Capas Perforadas Profundidad de Penetración [mm] Energía [J]

1 17 0.0 24

2 18 4.0 24

3 18 3.8 24

4 18 2.6 24

5 16 0.0 36

6 18 7.6 36

7 18 4.2 36

8 18 9.3 36


Panel 2 Kevlar


1 18 2.1 24

2 18 3.5 24

3 18 1.0 24

4 18 3.1 24

5 18 4.8 36

6 18 5.6 36

7 18 5.2 36

8 18 4.0 36


Panel 3 Kevlar - STF


1 5 0.0 24

2 6 0.0 24

3 5 0.0 24

4 5 0.0 24

5 6 0.0 36

6 7 0.0 36

7 7 0.0 36

8 8 0.0 36

23




1 6 0.0 24

2 6 0.0 24

3 6 0.0 24

4 7 0.0 24

5 7 0.0 36

6 8 0.0 36

7 9 0.0 36

8 9 0.0 36




1 7 0.0 24

2 6 0.0 24

3 5 0.0 24

4 5 0.0 24

5 8 0.0 36

6 7 0.0 36

7 9 0.0 36

8 8 0.0 36 Tabla 9. Capas perforadas y profundidad de penetración para el panel 6.



1 6 0.0 24

2 5 0.0 24

3 6 0.0 24

4 5 0.0 24

5 7 0.0 36

6 9 0.0 36

7 9 0.0 36

8 9 0.0 36

Las tablas 4 – 9 muestran la cantidad de capas perforadas y la profundidad de la penetración

para cada ensayo realizado, se puede observar que para los paneles de Kevlar el proyectil

llega a perforar todas las capas y se presenta una profundidad de penetración, esta no supera

el límite propuesto por la norma, es decir, el impacto no es letal, sin embargo, esta

24

profundidad representa una lesión considerable en el usuario. Por otra parte, los paneles

reforzados con STF son capaces de detener el proyectil y solo algunos de estos paneles

impregnados es perforados.

Gráfica 5. Capas perforadas para paneles de Kevlar.

Gráfica 6. Capas perforadas para paneles de Kevlar - STF.

15

16

17

18

19

5 5,5 6 6,5 7

Cap

as P

erfo

rad

as

Velocidad [m/s]

Kevlar

24 J

36 J

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

5 5,5 6 6,5 7 7,5

Cap

as P

erfo

rad

as

Velocidad [m/s]

Kevlar - STF

24 J

36 J

25

11.2 Procesamiento de los Datos

El procesamiento de los datos empezó con la medición de la posición del proyectil durante

el ensayo de impacto. Utilizando el software Tracker se adquirieron los datos de posición de

un marcador puesto sobre la masa del proyectil, estos datos fueron la base con la cual se

empezó el proceso de diferencias finitas que se mencionara a continuación.

Ilustración 17. Procesamiento de los datos.

Para obtener los valores de velocidad y aceleración de cada uno de los ensayos realizados se

tuvieron en cuenta las siguientes ecuaciones.

𝑣𝑦 =𝑑𝑝𝑦

𝑑𝑦 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 4)

𝑎𝑦 =𝑑𝑣𝑦

𝑑𝑦 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5)

Posteriormente se utilizó un método de diferencias finitas para poder operar estas ecuaciones

en el software CAS Matlab, para este proceso se utilizaron diferencias hacia adelante para el

primer punto, diferencias hacia atrás para el último punto y diferencias intermedias para el

resto de los puntos. Se obtuvieron las siguientes ecuaciones.

26

11.2.1 Velocidad

(𝑑𝑝𝑦

𝑑𝑦)

𝑖

= 𝑣𝑖 =(𝑝𝑖+1 − 𝑝𝑖)

∆𝑡→ 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6)

(𝑑𝑝𝑦

𝑑𝑦)

𝑖

= 𝑣𝑖 =(𝑝𝑖+1 − 𝑝𝑖−1)

2∆𝑡→ 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜𝑠 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 7)

(𝑑𝑝𝑦

𝑑𝑦)

𝑖

= 𝑣𝑖 =(𝑝𝑖 − 𝑝𝑖−1)

∆𝑡→ 𝑈𝑙𝑡𝑖𝑚𝑜 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 8)

Luego de calcular las velocidades se aplicó un filtro con el fin de eliminar el ruido de la señal

obtenida por medio de Tracker. Primero se encontraron las frecuencias contenían las

magnitudes relevantes de los datos y las frecuencias que correspondían al ruido de la señal

por medio la transformada de Fourier, de esta manera se decidió que el filtro a utilizar era un

butterworth pasa bajas con una frecuencia de corte que corresponde a la frecuencia calculada

anteriormente. Posteriormente se utilizaron estos datos filtrados de velocidad para calcular la

aceleración.

Gráfica 7. Filtración de la señal de velocidad.

27

11.2.2 Aceleración

(𝑑𝑣𝑦

𝑑𝑦)

𝑖

= 𝑎𝑖 =(𝑣𝑖+1 − 𝑣𝑖)

∆𝑡→ 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 9)

(𝑑𝑣𝑦

𝑑𝑦)

𝑖

= 𝑎𝑖 =(𝑣𝑖+1 − 𝑣𝑖−1)

2∆𝑡→ 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜𝑠 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 10)

(𝑑𝑣𝑦

𝑑𝑦)

𝑖

= 𝑎𝑖 =(𝑣𝑖 − 𝑣𝑖−1)

∆𝑡→ 𝑈𝑙𝑡𝑖𝑚𝑜 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 11)

Después de calcular los valores de aceleración en todos los puntos para cada uno de los

ensayos se calculó la fuerza de impacto a partir de la segunda ley de newton.

𝐹 = 𝑚𝑎 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 12)

La fuerza se calculó de esta manera ya que el proyectil no presentaba ningún tipo de

amortiguamiento durante el impacto, se asumió que el proyectil era un cuerpo rígido en todos

los instantes de tiempo, esto con el fin de facilitar el cálculo y probar el materia balístico bajo

condiciones extremas. La norma indica que debe existir amortiguamiento entre la masa y el

soporte de la cuchilla, este amortiguamiento simula el rebote de la mano del atacante, sin

embargo, al obviar esta restricción la fuerza de impacto aumenta y la condición del ensayo

es crítica.

Los resultados que se muestran a continuación son solo una de las pruebas que se realizaron

durante todo el proyecto, el resto de los resultados obtenidos se pueden encontrar en la

sección de Anexos.

28

11.3 Análisis de Velocidad

Gráfica 8. Velocidad filtrada experimental.

La grafica 8 muestra las velocidades utilizadas para cada uno de los ensayos, para los dos

niveles de energía se intentó conservar la velocidad que se mencionó en la sección de

Medición de Velocidad, sin embargo, la velocidad presenta pequeñas variaciones debido a

diferentes factores en la experimentación (fricción, cambios en la altura, resolución de la

cámara, etc…).

29

11.4 Análisis de Aceleración

Gráfica 9. Desaceleración experimental.

11.4.1 Cambio de Desaceleración para 24J y 36J Tabla 10. Aumento porcentual de la desaceleración a 24J y 36J.

E1 = 24J

Material Desaceleración [m/s2] Aumento Porcentual [%]

Kevlar 555.5 16.4

Kevlar - STF 646.7

E2 = 36J

Material Desaceleración [m/s2] Aumento Porcentual [%]

Kevlar 666.7 15.9

Kevlar - STF 772.8

Se puede observar en la gráfica 9 que la aceleración del impacto aumenta con la impregnación

del STF, esto se debe a que las propiedades de dilatación del fluido generan clusters de

partículas que rigidizan la superficie del material de prueba, esto implica que tanto la

penetración como el amortiguamiento del mismo disminuyan. La disminución de la

penetración del proyectil implica una reducción en la energía absorbida por el sistema (ver

resultados de la sección Energía Absorbida), esta reducción se puede evidenciar en el

30

aumento de la desaceleración ya que el material no es capaz de disipar la energía del proyectil

cuando este impacta contra el material de prueba.

La tabla 10 presenta los valores máximos de aceleración en el ensayo para 24J y 36J, así

mismo se puede observar el aumento porcentual de la aceleración para cada uno de los niveles

de energía. Esta tabla solo ilustra los resultados de una de las pruebas realizadas, sin embargo,

los datos de todas las pruebas tienen la misma tendencia en el cambio porcentual.

11.5 Análisis de Fuerza

Como se presentó en la ecuación 12 la fuerza se calculó a partir de la segunda ley de Newton,

el análisis se hizo de esta manera ya que el sistema no tenía amortiguación interna, esto

implica que la aceleración y la masa es la misma en todos los puntos de la masa de impacto.

Gráfica 10. Fuerza experimental.

31

11.5.1 Cambio de Fuerza para 24J y 36J Tabla 11. Aumento porcentual de la fuerza a 24J y 36J.

E1 = 24J

Material Fuerza [N] Aumento Porcentual [%]

Kevlar 1094.0 16.5

Kevlar - STF 1274.0

E2 = 36J

Material Fuerza [N] Aumento Porcentual [%]

Kevlar 1313.0 15.9

Kevlar - STF 1522.0

La gráfica 10 presenta el aumento de la fuerza para cada nivel de energia, nuevamente, al

impregnar el fluido el impacto del proyectil en el material de prueba ejerce una fuerza mayor

debido al aumento en la rigidez que se presenta cuando forman los clusters del material

particulado.

La tabla 11 ilustra los resultados del cambio porcentual de la fuerza, es importante aclarar

que el cambio porcentual de la fuerza coincide con el cambio de la aceleracion ya que estos

datos son proporcionales debido al metodo utilizado. La fuerza maxima registrada fue de

1522 N, esto es aproximadamente 400 N mayor a los datos reportados en el proyecto de grado

de Jose David Quiroga, este aumento de fuerza se debe a la falta de amortiguamiento que se

menciono anteriormente.

Ilustración 18. Fuerza experimental a 0.25 m. (Delaware, Forrest , Head, Gillespie, & Wagner, 2009).

32

La figura 18 muestra la fuerza de impacto obtenida por R. G. Egres Jr., M. J. Decker, C. J.

Halbach, Y. S. Lee, J. E. Kirkwood, K. M. Kirkwood y N. J. Wagner en sus ensayos de

impacto. Se puede observar que los resultados obtenidos en este documento para cuchillo de

ingenieria S1 son mucho menores a 1500 N, esto se debe a que las pruebas realizadas en este

documento son tan solo a 0,25 m de altura, sin embargo es evidente que tanto las graficas

obtenidas en este proyecto de grado como las obtenidas en el documento tienen la misma

tendencia.

11.6 Energía Absorbida

La energía absorbida por el sistema (material de prueba y material de soporte) se calculó a

partir de un balance de energías donde se tuvo en cuenta el nivel de energía utilizado en cada

uno de los ensayos. El balance se hizo de la siguiente manera.

𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 + 𝐸𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑏𝑜𝑡𝑒 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 13)

La energía total se aproximó a 24J o 36J dependiendo del tipo de ensayo que se estaba

realizando, luego con ayuda del software Tracker se obtuvo el dato de posición más alto de

rebote después del impacto y con la ecuación de energía potencial se calculó el valor de

energía de rebote, finalmente al restar estos dos valores se puede hallar la cantidad absorbida

por el sistema.

𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(24𝐽 𝑜 36𝐽) − 𝑚𝑔ℎ𝑟𝑒𝑏𝑜𝑡𝑒 (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 14)

Utilizando la ecuación mencionada anteriormente se obtuvieron los siguientes resultados.

Tabla 12. Energía absorbida para el panel 1.

Panel 1 Kevlar

24J 36J

Impacto 1 Impacto 2 Impacto 3 Impacto 4 Impacto 5 Impacto 6 Impacto 7 Impacto 8

Energía Total [J] 24.0 24.0 24.0 24.0 36.0 36.0 36.0 36.0

Energía de Rebote [J] 5.7 5.8 5.8 5.7 6.2 6.4 6.7 6.5

Energía Absorbida [J] 18.3 18.2 18.2 18.3 29.8 29.6 29.3 29.5


Panel 2 Kevlar

24J 36J


Energía Total [J] 24.0 24.0 24.0 24.0 36.0 36.0 36.0 36.0



33



24J 36J


Energía Total [J] 24.0 24.0 24.0 24.0 36.0 36.0 36.0 36.0





24J 36J


Energía Total [J] 24.0 24.0 24.0 24.0 36.0 36.0 36.0 36.0





24J 36J


Energía Total [J] 24.0 24.0 24.0 24.0 36.0 36.0 36.0 36.0





24J 36J


Energía Total [J] 24.0 24.0 24.0 24.0 36.0 36.0 36.0 36.0



34

Tabla 18. Disminución porcentual de la energía absorbida a 24J y 36J.

24J

Material Energía Absorbida [J] Disminución Porcentual [%]

Kevlar 18.2 2.3

Kevlar - STF 17.8

36J

Material Energía Absorbida [J] Disminución Porcentual [%]

Kevlar 29.5 1.3

Kevlar - STF 29.1

Como se puede observar en las tablas 12 – 18 la energía absorbida por el sistema disminuye

cuando se impregna el fluido, al igual que en la aceleración y en la fuerza las propiedades no

Newtonianas del fluido permiten una rigidez superior cuando se ejerce un esfuerzo cortante.

Como el material es más rígido el proyectil no es capaz de perforar el mismo número de

capas, además con la disminución del amortiguamiento la capacidad de disipar energía es

menor y el rebote que se presenta es mayor, por ende, la energía debido a esta altura

incrementa con respecto al material sin impregnación.

11.7 Pruebas Balísticas

Con el fin de determinar la resistencia de los paneles frente a pruebas balísticas reales se

realizaron dos disparos con arma de fuego de munición 9 mm. M882 NATO. Estos disparos

se realizaron en el polígono de tiro de la empresa de blindaje personal Protección y Dotación

Especializada SAS., los paneles probados constaban de 10 capas de Kevlar – STF y 5 capas

de Kevlar. Luego de las pruebas balísticas se obtuvieron los siguientes resultados.

11.7.1 Polígono de Tiro

Ilustración 19. Polígono de tiro.

35

11.7.2 Paneles de Prueba

Ilustración 20. Paneles de prueba balística, el círculo rojo indica en lugar del impacto del proyectil.

11.7.3 Número de Capas Perforadas

Ilustración 21. Numero de capas perforadas por la munición 9mm.

36

11.7.4 Medición del Trauma

Ilustración 22. Trauma después del impacto.

Ilustración 23. Última capa de los paneles de prueba después del impacto.

37

11.7.5 Proyectiles Deformados

Ilustración 24. Munición 9mm después del impacto.

Tabla 19. Velocidad del proyectil y capas perforadas.

Panel Velocidad del Proyectil [m/s] Capas Perforadas

1 390.27 10

2 387.65 8

Como se puede observar en las ilustraciones el impacto de la bala logro penetrar máximo 10

capas de Kevlar – STF, es decir, el proyectil no logra llegar al usuario, sin embargo, el trauma

generado por el proyectil puede llegar a ser letal. Se debe tener en cuenta que los paneles

utilizados son de 15 capas y en aplicaciones balísticas reales se utilizan por lo menos 20 capas

de este material. Se utilizaron 15 capas en total con el fin de no comprometer el peso del

panel debido a las capas impregnadas, el peso de una armadura balística es fundamental ya

que puede afectar la movilidad del usuario y en este caso es necesario tener un panel ligero

que sea capaz de contrarrestar los dos tipos de amenaza (munición 9mm y arma corto

punzante).

Tabla 20. Peso de los paneles.

Panel Numero de Capas de Kevlar Numero de Capas con STF Peso [g]

Kevlar 18 0 439.2

Kevlar 20 0 488.0

Kevlar - STF 5 10 434.0

38

12 Conclusiones

La impregnación de STF presenta una mejora considerable contra los ataques de

apuñalamiento causados por el cuchillo de ingeniería S1. El número de capas perforado

después de la impregnación y la profundidad de la penetración disminuyen

significativamente ofreciendo una protección total contra ataques de armas corto punzantes.

La absorción de energía disminuye ligeramente después de la impregnación, esto afecta la

aceleración y fuerza del impacto. A pesar de que la diferencia porcentual de la energía no es

considerable, el cambio de la aceleración y de la fuerza es apreciable.

Los paneles de Kevlar impregnados con STF presentan buena resistencia contra ataques

balísticos, sin embargo, es necesario aumentar la cantidad de capas de Kevlar sin impregnar

con el fin de reducir el efecto del trauma causado por el impacto del proyectil. Teniendo en

cuenta lo anterior se puede concluir que los paneles de prueba son bifuncionales.

13 Trabajos Futuros

Hacerle mantenimiento al montaje con el fin de reducir los efectos de fricción y poder

obtener resultados precisos de velocidad y aceleración.

Mejorar el sistema anti rebote, hacerlo más robusto y confiable.

Implementar sensores de posición y velocidad para facilitar el procesamiento de los

datos.

Implementar acelerómetros de impacto o en su defecto un conjunto de acelerómetro

– arduino que sea capaz de medir la aceleración del impacto, de esta forma se pueden

reducir los errores que se presentan con procesamiento por diferencias finitas.

14 Referencias 1. Concha, N. (2014). Comportamiento Mecánico de Paneles Fabricados con STF y

Kevlar Frente al Impacto de Armas Blancas. Bogotá.

2. Delaware, U. o., Forrest , K., Head, E., Gillespie, J., & Wagner, N. (2009).

EFFECT OF PARTICLE SIZE ON HIGH AND LOW RATE RESPONSES OF

SHEAR THICKENING EFFECT OF PARTICLE SIZE ON HIGH AND LOW RATE

RESPONSES OF SHEAR THICKENING. Obtenido de

http://ccmudel.wpengine.com/wp-

content/uploads/2014/09/MS_Forrest_Head_EffectsUG1_2009.pdf

3. DuPont. (2015). Technical Guide Kevlar Aramid Fiber. Obtenido de Kevlar

Properties: http://www.dupont.com/content/dam/dupont/products-and-

services/fabrics-fibers-and-

nonwovens/fibers/documents/Kevlar_Technical_Guide.pdf

39

4. Gómez, P. (2014). Caracterización de la Penetración de un Punzón en Sistemas

Balísticos Reforzados con STF. Bogotá.

5. Gómez, P. (2014). Primera Versión de la Propuesta de Tesis. Bogotá.

6. Hanlon, M. (13 de Agosto de 2006). Gizmag. Obtenido de New Shear Thickening

Fluid (STF) enables flexible, comortable armor.: http://www.gizmag.com/go/5995/

7. Justice, N. I. (2000). Stab Resistance of Personal Body Armor NIJ Standard -

0115.00. Washington DC.

8. MatWeb. (6 de 10 de 2015). MatWeb. Obtenido de

http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=e30d1d1038164808

a85cf7ba6aa87ef7

9. Quiroga, J. D. (2016). Análisis Experimental de la Resistencia a la Penetración por

Cuchillo del KEVLAR Posterior a Tratamiento con STF. Bogotá.

40

15 Anexos

15.1 Graficas de Pruebas de Impacto

15.1.1 Panel 1 Kevlar

48

15.1.2 Panel 2 Kevlar

56

15.1.3 Panel 3 Kevlar – STF

64


71


79


proyecto de grado caracterizaciÓn del …

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