高炉利用定量霍普金森杆

摘要

This protocol details the use of Hopkinson pressure bars to measure reflected blast loading from near-field explosive events. It is capable of interpolating a pressure-time history at any point on a reflective boundary and as such can be used to fully characterize the spatial and temporal variations in loading produced.

摘要

近场爆炸荷载的测量提供了一个问题的许多传感器类型，因为它们必须承受非常侵蚀性环境，并能够向上测量压力数百兆帕。在这方面，霍普金森压力棒的简单有，虽然Hopkinson杆的测定端可承受并暴露于恶劣的条件下，应变仪安装到杆可以一定距离被固定的一大优势。这允许利用防护罩用于保护所述应变计，但不与测量采集干扰。使用压力杆阵列的允许测量在离散已知点的压力 - 时间历史记录。本文还描述了用于在感兴趣的平面未仪表化的位置以得到压力 - 时间历史内插程序。目前，该技术已被用来测量在自由空气高能炸药装在各种土壤埋藏浅。

引言

表征炸药输出有很多好处，军事（抵御当前冲突地区埋简易爆炸装置）和民用（设计结构部件）。近来这个话题已经得到相当的重视。多收集的知识已经针对从电荷输出的量化，以便更有效地保护结构的设计。这里的主要问题在于，如果所取得的测量是高保真的不那么在这些炸药事件负荷转移的机制尚不清楚。这反过来又导致了验证数值模式依赖于这些测量结果进行验证的问题。

近场的术语是用来描述与缩放的距离，Z小于〜1米/公斤^1/3，其中Z = R / W ^1/3，R是从炸药的中心的距离，而W爆炸在电荷质量表示作为TNT的等效质量。在这种状态的负载量为典型特征是非常高的幅度，高空间和时间上的非均匀的负荷。强大的仪器，因此被要求测量与近场加载相关的极端压力。在缩放距离ž<0.4米/ kg的^1/3，爆破参数的直接测量要么不存在或很少¹和此范围内的半经验预测的数据几乎完全基于参数研究。这包括使用由Kingery和Bulmash ^2，这是笔者的预期范围之外给出的半经验预测。虽然基于这些预测^3,4工具允许装载的优秀一阶估计他们并不完全捕捉近场事件，这都是当前研究的重点的机制。

近场爆破的测量有近来集中量化OUTP从葬费UT斯达康。所采用的方法，从评估造成结构目标^5-7全球直接冲击测量^8-13变形而变化。这些方法提供了保护系统设计验证有价值的信息，但不能够完全调查负荷转移的机制。测试可以在两个实验室天平（1/10满刻度）进行，或在附近的满刻度（> 1/4），与实际的理由，例如控制埋藏深度或确保休克前的没有固有形状是由所生成的使用雷管，而不是裸露的费用^14。埋电荷的土壤条件需要进行高度控制，以保证在测试¹⁵的可重复性。

独立的电荷是否被放置在自由空气或埋设，在测量产生爆炸的最根本的问题是确保测量由仪器deplo制成的有效性YED。在设计的测试装置¹⁶固定的'刚性'的目标板是用来屏蔽霍普金森杆^{17（HPBs），}而在同一时间确保杆的末端，只能记录充分体现压力。笔者以前曾表明反射压力的该测量从一个硬指标更准确，比事件重复，或"自由场"三围^18-20。该板的几 ​​何形状是这样的，通过围绕目标边缘²¹清零或流动而产生的任何压力释放可以忽略不计。这个新的测试装置已在1/4比例被构造。在以上的埋藏条件和炸药这种规模紧密控制可以确保，与按比例缩小至78克5公斤满刻度充电的大小，在25毫米的埋藏深度。

研究方案

1.刚反力架

1. 确定经缩放的距离在该测试将采取使用公式1，其中，R是从炸药的中心的距离的地方，并且W是质量表示为TNT的等效质量的电荷。
   Z = R / W ^1/3（1）
2. 计算近似的最大冲击这一安排将通过数值模拟产生（见附录A）或诸如ConWep ³特定的工具。
   注意:使用ConWep ³的仅适用于自由空气鼓风，是否需要从埋电荷产生的压力的估计，需要更先进的数值模拟。
3. 从造型检查估计负载不会产生面内的超过0.5毫米的目标板的位移。
4. 增加了10倍计算出的负载占在建模误差，并为未来的TES增加灵活性婷。
5. 设计一个刚性的反应框架能够抵御¹⁶计算的最大负荷。工程部门，执行内部这些计算;否则寻求结构工程师的服务。
   1. 促使刚性反应框架，承揽专业承包商制造和安装帧结构工程师的设计。
6. 采购目标板，承揽专家钢制造商。
   注意，该板将需要被安装在负载细胞（如果使用的话），并且用于HPBs（第3节中设计的）的孔将需要通过板安装之前钻出。

图1.原理测试框架（ 一 ）统筹安排，（B）目标板的计划，（C）目标板的特写图。 ŧ让他们坐下来与目标板的表面齐平，他霍普金森杆从酒吧组装接收器挂起。这样就可以记录作用于目标板充分体现压力。 请点击此处查看该图的放大版本。

2.负载单元设计

1. 采购或制造称重传感器（如果使用）。这些可以是关闭的，现成的通用（压缩/张力）应变计罐模型或内置在内部使用焊接到安装在惠斯登电桥形成固定应变仪板厚壁软钢管材的截面， 如图2。
2. 如果负载细胞已在内部被制作，并将它们发送到校准外部承包商。

图2.图在内部制造的称重传感器。（A）侧视图，（B）结束高程 。深灰色的钢瓶是厚壁钢管装下这株。该菌株用作装载过程中没有旋转经历一个应变仪记录下来。来自称重传感器应变可以与回施加的应力的校准。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. Hopkinson压杆设计

1. 确定记录的持续时间， ，捕捉从爆炸的满载要求。所需的最低持续时间是在数值模型（1.2节）的压力返回到零，在初始压力​​尖峰之后的时间。在这里，使用1.2毫秒。
2. 德西德上选择用于HPBs的材料。这会影响弹性波的速度， ，其中由下式给出的条哪里是杨氏模量和是密度。用于测量高压电击，用硬材料，如钢;在这里，如果一个较弱冲击的预期，使用较少的硬材料如镁合金或甚至尼龙。
3. 选择在HPB的立场是应变计将被定位，是尽可能接近到HPB的装载面对，以尽量减少分散。在靶板的当前的建立的厚度和以适应杆就位所需的操作性意味着压力表只能安装从装入面250毫米。
4. 计算HP使用要求B长度 ，其中是从HPB的装载面的应变仪的距离和 （3.25米）。
5. 确定所需HPB半径有足够的带宽使用捕获事件: 千赫，其中是在毫米^22,23（5毫米）的HPB半径。
6. 决定捕捉的压力在整个板的分布所需要的空间分辨率。这通常是尽可能接近，同时保持目标板的结构完整性。在目前的工作中，使用25毫米。
7. 在目标板装入HPBs钻孔（这可以是制造过程的一部分）。紧密配合，需要无覆盖旦是HPBs与板接触。这里，使用容差为0.5mm，在十字形状（ 图1b）被钻17的孔。
8. 促使HPBs（17），并确保有螺纹，以允许悬浮液在杆组件接收机（ 图3A）的远端。

4.实验装置及数据采集

注意:对于该反应框架，靶板， ​​测压元件和HPBs设计和制造，组装可以开始， 如图1，而在协议部分1而设计的。

1. 安装半导体应变片HPBs（ 图3B）和称重传感器使用瞬干胶，小心翼翼地确保通过所有的电缆接地的连续性。用于HPBs惠斯登电桥的一个例子示于图3C。
   1. 确认所有接地电缆连接，以确保地球上的连续性。良好接地测试仪将提高信号质量明显。
2. 确保布线是足够长，以确保示波器是在鼓风自由区域（屏蔽布线应当使用具有足够的信号带宽）可定位。
3. 适合目标板到刚性反应帧，使用可选的称重传感器（如果存在）（ 图1C）。
4. 杭HBPS从酒吧组装接收器，通过加载端穿过靶板正确的孔径。从旋到HPB的螺纹远端的螺母自由悬挂的HPBs。
5. 确保酒吧用酒精水准仪（相应地调整接收器）是垂直的。
6. 检查HPBs的面是与目标板水平，相应地调整螺母。
7. 设置在调理电路（ 图3C）的可变电阻器的微调，以保持示波器的测试期间的范围内的电压。通过试验做到这一点，错误旨在设定失去平衡各通道上的数字读出作为看到的放大器框为零。
8. 连接扩增仪输出到合适的数字示波器。配置为具有取样频率（1.56兆赫），记录持续时间（28.7毫秒）为3.3毫秒的预触发时间。
   1. 设置在记录时，在断裂线通道上的电压（其本身有线到示波器）超过一个"超出窗口"来触发。对于每个连接的压力表（总共22，17 HPBs，4个称重传感器和休息线）和时间记录电压。

图3.（A）图装到目标板，通过HPB（B）部分在表安装位置，（C）例如惠斯通电桥电路的HPB的。两个应变计在惠斯通电桥，使得使用和Hopkinson杆弯曲为cancelled出来。 请点击此处查看该图的放大版本。

5.准备爆炸

1. 决定的炸药量和对峙在测试中所使用（为75毫米100克PE4）。
2. 决定收费是否在自由空气或其他介质（土壤，水等 ）内被引爆。对于自由的空气测试一个球形形状主管通常利用而埋收费标准是3:1蹲缸^24,25。
3. 对于自由空气测试:
   1. 暂停在正确的对峙（75毫米）的目标板下方的电荷。用细木条或通过将负责对聚乙烯的薄片实现这一目标。
   2. 放置电荷同轴与测量阵列，以确保有效的读数。
   3. 对于自由空气测试使用的电雷管，雷管放置半进入从基座上的电荷。射击时的范围内已经取得安全之前，在最后时刻做到这一点。
4. 对于埋地测试:
   1. 制造为介质的合适的容器中。对于土壤，目前测试使用1/4比例的容器^23。
   2. 作出决定要利用的土壤类型和岩土条件:水分含量和土壤的干密度，见参考文献¹⁵更多细节。
   3. 决定埋藏深度在测试中使用。这通常为100毫米的全尺寸试验，因为目前的测试在四分之一比例完成。这意味着25毫米的埋藏深度。
   4. 混合土壤彻底使用适当大小的建筑混合器达到目标水分含量。为砂所需的混合时间是10分钟。
      1. 通过除去少量检查混合物的水分含量并称重，以计算总质量， 。干除去的土壤，并重新称重来计算的水的质量， 。岩土水分含量在重量的水分含量来规定， 。
      2. 如果含水量内容差继续，否则重新混合的土壤。的±0.05-0.1％的容差已在当前的工作已经实现。
   5. 称量空容器的土壤和计算体积，使土壤密度计算一次全（步骤5.4.7）。
   6. 压缩在层中的土壤，足够薄，以保证在目标密度，确保土壤进入容器的质量是已知的。对于莱顿巴扎德沙¹⁵这是在两层完成。
   7. 一旦容器是满的，检查土壤的密度范围内的公差（±0.2％）。在莱顿巴扎德砂所有测试目标干密度为1.6毫克/米^3。计算干密度，使用 ，其中_ρd是干密度，M是土壤加入到容器中的总质量，V是土壤容器的容积和w是水分含量。
   8. 挖掘一个小孔≈50毫米，以允许电荷在正确的埋藏深度（25毫米）被放置在顶表面。
   9. 放置的非电雷管到电荷的基础上，并且挖掘一个合适的信道，以在容器的侧面，以确保一旦土壤被替换的容器的顶面是不间断的。
   10. 将装药和雷管到挖好的洞，检查埋藏深度是正确的。回填土出土材料的孔中。

6.点火顺序

注意:有一个与协议第5条的重叠少量由于NAT测试的URE。该点火顺序应着眼于最大限度地降低风险，只能由经过适当培训的工作人员进行。

1. 对于自由空气测试:
   1. 安排在正确的对峙（75毫米）目标板下方的免费支持。
   2. 关闭范围。部署哨兵保证范围为烧制过程清晰。
   3. 将负责向支持同轴的仪器。附加断丝到雷管，并将雷管中的电荷。
2. 对于埋地测试:
   1. 放置土壤容器，使得电荷被置于同轴到HPB阵列。
   2. 关闭范围。部署哨兵保证范围为烧制过程清晰。
   3. 连接线突破，以确保它是围绕充电外围（这使引爆埋费更可重复的时间）包裹。
3. 移动到发射点，并确认仪器正在运行。
4. 供电破线。请与哨兵它是安全的烧制进行。
5. 启动炸药。使试验区的安全。
6. 下载并备份数据。
7. 重新打开测试范围。

7.一种用于一维HPB阵列的数值内插

1. 从原始数据文件中的数据导入到Matlab。
2. 使每一杆的峰值压力到达的同时使用等式2（ 图4B）的中心杆的峰值压力在径向方向上的时间偏移的所有数据。
   （2）
3. 插在从图4B任何径向距离上的压力。
4. 画出到达时间（ ）用于对准的峰值压力和适合通过数据（ 图4C）的立方方程式。
5. 内插数据的时间偏移，以适应到达时间，属婷连续冲击前（ 图4D）。
6. 重复每个单独的测试数据。

图4.插值序列一维数组HPB（A）原始数据，（B），时移数据，（C）震前到达时间，和（D）最终的插值压时间数据^16。压力时间历程的离散性可以清楚地在（A）和有作为峰值压力之间没有连续性在每五个轨距位置看到。当由峰值压力如在（B）的压力在任何径向距离内插（假定相同的到达时间）对准是可能的。通过记录对齐峰值压力震荡前沿的到达时间所需的时间偏移可被计算为的sh（C）中自己的。这就使得（B）和（C）给予所看到的（D）的最终插值的压力。时间要计算的到达时间和压力时程任何径向距离是从压力插请点击这里查看大图版本这个数字。

8.一种用于二维HPB阵列的数值内插

注意:用于运行在Matlab插值的代码已经与将在本节被称为一个示例结果文件一起提供。

1. 从原始数据文件中的数据导入到Matlab。对于本例的测试数据，对test_data.mat双击文件，然后单击"完成"在导入向导。
2. 打开interpolation2d.m MATLAB脚本。
3. 定义规则的网格超过该插补通过改变网格运行。确保这是相同的分辨率在任何未来的数值模拟^26,27的网格。这是在'网格％细节"代码段设置。
4. 运行interpolation2d.m MATLAB脚本。请注意以下步骤中的代码被实现在这里列出了清晰度。
   1. 通过时移所有HPB压力痕迹 （式2）。原始数据示出了用于毫米图5B，使用相同的数据时移图5C。
      注意:时移被要求允许插值例程成功定位的休克前在任何给定的时间。这主要涉及对齐数据对于每个放射状阵列，这样所有的最大压力对齐。
   2. 计算半径， 和昂乐， 用于对电网的兴趣的给定点， 如图5A所示。
   3. 应用一维内插最靠近所述兴趣点两个HPB阵列为当前半径 （对于内插将使用和数组）。
   4. 基于该2压力之间线性插入 （同样的加权将是50％ 和的50％的 12eq30.jpg"/>阵列计算的压力）。
   5. 由网格间距（区）内插的压力，得到负载乘以计算瞬时负载。
   6. 由采样的时间步长乘以负载获得的瞬时脉冲。
   7. 重复所有地点和时间（求和瞬间冲动给总冲）。
   8. 时间偏移中的压力的时间记录为基于三次插值的冲击到达时间（ 图5D）的每个位置。

图5.插值序列二维数组HPB。用（A）登录约定，（B）的原始数据毫米，（C）的时移数据412 / 53412eq36.jpg"/>毫米，并为每个径向方向^16（D）的到达时间，对于酒吧2D阵列在任何点处的压力的时间历史取决于径向距离和哪个象限的兴趣点位于如果鼓风是完全对称的，然后在（B）中的压力将形成的垂直线，如图（C）中，在（B）中可以看出，冲击前是在达到50 mm的位置轴第一。
请点击此处查看该图的放大版本。

结果

一个有效的刚性反应框架需要被提供。在目前的测试几百牛顿秒的总赋予的冲动需要以最小的变形予以抵制。用的硬质反应框架的图示于图1中给出。在每帧50毫米钢"受体"板已被铸入横梁的底部。虽然没有明确要求，这允许该负载细胞/靶板的容易固定，并提供额外的保护，以在混凝土梁的面。目前进行的接近的缩放距离已经0.15米/ kg的^1/3。

讨论

使用提交上面概述的协议已经表明，有可能从炸药得到高度变负载的高保真测量，使用的霍普金森压力棒的阵列。使用插值例程概述的离散压力 - 时间历史记录可以转化成一个连续的冲击前它是直接使用如在数值模拟或作为这种模型的输出验证数据的加载功能。

当使用掩埋费用于制备在协议部分5中概述的土壤容器中的方法必须进行检查，以确保有足够的压实能量被提供以达?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Load Cell	RDP	RSL0960	This is only indicative, the exact load cell should be able to resolve the required loading
Steel target plate / HPBs	Garratts		Fabricated to order
Strain gauge	Kyowa	KSP-2-120-E4	To use with steel HPBs
Cyanoacrylate	Kyowa	CC-33-A	Check with manufacturer depending on mar material to be used
Digital Oscilloscope	TiePie	HS4 16-bit Handyscopes	6 used in parallel in current testing
Leighton Buzzard sand	Garside sands	Garside 14/25	Uniform silica sand