Explosion Quantification Utilisation des barres de pression Hopkinson

Résumé

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.

Résumé

Champ proche mesure de la charge de l'explosion présente un problème à de nombreux types de capteurs, car ils doivent supporter des environnements très agressifs et être capable de mesurer des pressions allant jusqu'à plusieurs centaines de mégapascals. A cet égard, la simplicité de la barre de pression de Hopkinson a un avantage majeur en ce que tandis que l'extrémité de mesure de la barre Hopkinson peut supporter et être exposés à des conditions difficiles, la jauge de contrainte montée sur la barre peut être fixée à une certaine distance. Cela permet aux boîtiers de protection qui doivent être utilisés qui protègent la jauge de contrainte, mais ne pas interférer avec l'acquisition de la mesure. L'utilisation d'un réseau de barres de pression permet à la pression-temps historiques à certains points discrets à mesurer. Cet article décrit également la routine d'interpolation utilisée pour obtenir des histoires en temps de pression à des endroits un-instrumenté sur le plan de l'intérêt. Actuellement, la technique a été utilisée pour mesurer le chargement d'explosifs à l'air libre et enterré peu profondément dans divers sols.

Introduction

Caractériser la sortie de charges explosives a de nombreux avantages, à la fois militaire (défense contre enterré des engins explosifs improvisés dans les zones de conflit actuelles) et civile (conception de composants structurels). Ces derniers temps, ce sujet a reçu une attention considérable. Une grande partie des connaissances acquises a destiné à la quantification de la sortie de charges pour permettre la conception de structures de protection plus efficaces. Le principal problème ici est que si les mesures effectuées ne sont pas de la haute fidélité alors les mécanismes de transfert de charge dans ces événements explosifs restent floues. Cela conduit à des problèmes de validation des modèles numériques qui reposent sur ces mesures pour la validation.

Le terme de champ proche est utilisé pour décrire les explosions avec des distances mises à l' échelle, Z, inférieure à environ 1 m / kg ^1/3, dans laquelle Z = R / W ^1/3, R est la distance du centre de l'explosif et W est la charge exprimée en massecomme une masse équivalente de TNT. Dans ce régime, la charge est généralement caractérisée par une très forte magnitude, hautement spatiale et temporelle pour des charges non uniformes. instrumentation robuste est donc nécessaire de mesurer les pressions extrêmes associées à champ proche chargement. A des distances écaillé Z <0,4 m / kg ^1/3, des mesures directes des paramètres de souffle sont soit inexistantes ou très peu ¹ et les données prédictives semi-empiriques pour cette gamme est basée presque exclusivement sur ​​des études paramétriques. Cela implique d' utiliser les prédictions semi-empiriques données par Kingery et Bulmash ^2, qui est en dehors de la portée prévue de l'auteur. Alors que les outils basés sur ces prédictions ^3,4 permettent d' excellentes estimations de premier ordre de chargement , ils ne saisissent pas entièrement la mécanique d'événements en champ proche, qui font l'objet de la recherche actuelle.

Champ proche des mesures de souffle ont récemment mis l'accent sur la quantification de la output de charges enterrées. Les méthodes utilisées varient d'évaluer la déformation provoquée à une cible structurelle ^5-7 pour diriger la mesure de l' impulsion globale ^8-13. Ces méthodes fournissent des informations précieuses pour la validation de la conception des systèmes de protection, mais ne sont pas en mesure d'enquêter pleinement les mécanismes de transfert de charge. Le test peut être effectué à deux échelles de laboratoire (1/10 à pleine échelle), ou à proximité de la pleine échelle (> 1/4), avec des raisons pragmatiques telles que le contrôle profondeur d'enfouissement ou d'assurer aucune forme inhérente du front de choc est générée par le utilisation de détonateurs plutôt que charges nues ^14. Avec des charges enterrées les conditions du sol doivent être hautement contrôlé pour garantir la répétabilité des essais ^15.

Indépendamment du si la charge est placée à l'air libre ou est enterré, la question la plus fondamentale dans la mesure de l'explosion qui en résulte est d'assurer la validité des mesures effectuées par le deplo d'instrumentationyed. Dans l'appareil d'essai conçu ¹⁶ une plaque cible «rigide» fixe est utilisé pour protéger les barres de pression Hopkinson ¹⁷ (HPBS) , tandis que dans le même temps veiller à ce que les extrémités des barres ne peuvent enregistrer que les pressions pleinement réfléchies. Les auteurs ont déjà montré que la mesure de la pression réfléchie par une cible rigide mesures «champ libre» ^18-20 plus précis et reproductible de l' incident, ou. La géométrie de cette plaque est telle que tout allégement de la pression générée par la compensation ou l' écoulement autour du bord cible ²¹ serait négligeable. Ce nouvel appareil d'essai a été construit à l'échelle 1/4. A cette échelle, un contrôle serré sur les conditions d'inhumation et les explosifs peut être assurée, avec la taille de charge de la pleine échelle de 5 kg réduite afin de 78 g, à une profondeur de 25 mm d'enfouissement.

Protocole

1. Cadre rigide de réaction

1. Déterminer la distance mise à l' échelle à laquelle le test aura lieu en utilisant l' équation 1, où R est la distance du centre de l'explosif, et W est la charge de masse exprimée en une masse équivalente de TNT.
   Z = R / W ^1/3 (1)
2. Calculer impulsion maximale approximative cet arrangement va générer via la modélisation numérique (voir l' annexe A) ou des outils spécifiques tels que ConWep ^3.
   Note: L'utilisation de ConWep ³ est uniquement valable pour libre souffle d'air, si une estimation des pressions générées par les redevances enterrées est nécessaire , la modélisation numérique plus avancée est nécessaire.
3. Vérifiez la charge estimée à partir de la modélisation ne générera pas des déplacements dans le plan de plus de 0,5 mm dans la plaque cible.
4. Augmenter la charge calculée par un facteur de 10 pour tenir compte des inexactitudes dans la modélisation et à ajouter de la flexibilité pour tes futursting.
5. Concevoir un cadre de réaction rigide pour être en mesure de résister à la charge maximale calculée ^16. Dans un département d'ingénierie, effectuer ces calculs dans la maison; chercher ailleurs les services d'un ingénieur en structure.
   1. Procure cadres de réaction rigides, contracter un entrepreneur spécialisé pour fabriquer et installer les cadres sur les plans de l'ingénieur.
6. Procure plaque cible, contracter un fabricant d'acier spécialisé.
   Notez que la plaque devra être monté sur des cellules de charge (le cas échéant) et que des trous pour les HPBS (conçus à la section 3) devra être percé à travers la plaque avant le montage.

Figure 1. Schéma de la trame de test. (A) arrangement global, (B) le plan de la plaque cible, (C) vue rapprochée de la plaque cible. Til Hopkinson barres de pression sont suspendus à partir du récepteur de l'assemblage de la barre de sorte qu'ils sont assis au ras de la face de la plaque cible. Cela permet à la pression entièrement réfléchie agissant sur ​​la plaque cible à enregistrer. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. Charge de conception

1. Procure ou de fabriquer des cellules de charge (le cas échéant). Ceux - ci peuvent être hors-the-shelf universelle (compression / tension) modèles de boîtes de rangement à jauges de contrainte ou construit en interne en utilisant des sections de tubes en acier doux à paroi épaisse soudés à des plaques avec des jauges de contrainte fixées dans une formation de pont de Wheatstone de montage comme indiqué sur la figure 2.
2. Si les cellules de charge ont été fabriquées à l'interne, les envoyer à un contractant externe pour l'étalonnage.

Figure 2. Schéma de la. (A) Vue latérale, (B) en élévation d' extrémité en interne fabriqué des cellules de charge. Le cylindre gris foncé est un tube en acier à paroi épaisse qui souches sous chargement. Cette souche est enregistrée à l'aide d'une seule jauge de contrainte en l'absence de rotation est ressentie pendant le chargement. De l'étalonnage de la cellule de charge de la souche peut être liée revenir à la contrainte appliquée. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

3. Hopkinson Bar de pression de conception

1. Déterminer la durée de l'enregistrement, , Nécessaire pour capturer le chargement complet de l'explosion. La durée minimale requise est le temps pris dans le modèle numérique (section 1.2) pour la pression pour revenir à zéro, après le pic de pression initiale. Ici, utilisez 1.2 msec.
2. Decide sur le matériau de choix pour les HPBS. Cela affecte la vitesse des ondes élastiques, Dans la barre qui est donnée par où est le module de Young et est la densité. Pour mesurer un choc à haute pression, utiliser des matériaux rigides tels que l'acier; alors que si l'on prévoit un choc plus faible, utiliser des matériaux moins rigides comme un alliage de magnésium ou même nylon.
3. Choisir la position sur la HPB que la jauge de contrainte est placée, en étant aussi proche que possible de la face chargée de l'HPB pour minimiser la dispersion. Dans la configuration actuelle de l'épaisseur de la plaque cible et la maniabilité nécessaire pour adapter les barres en place signifie que les jauges ne peuvent être installés 250 mm de la face chargée.
4. Calculer le HPlongueur de B nécessaire à l'aide , où est la distance entre la face chargée de l'HPB à la jauge de contrainte et (3,25 m).
5. Déterminer le rayon de HPB nécessaire d'avoir une bande passante suffisante pour capturer l'événement en utilisant: kHz, où est le rayon de l' HPB en mm ^22,23 (5 mm).
6. Décider de la résolution spatiale nécessaire pour capturer la distribution de pression à travers la plaque. Ceci est généralement aussi proche que possible tout en maintenant l'intégrité structurelle de la plaque cible. Dans les travaux en cours, utiliser 25 mm.
7. Percez des trous dans la plaque cible pour monter les HPBS (ce qui peut faire partie du processus de fabrication). Un ajustement serré est nécessaire without les HPBS étant en contact avec la plaque. Ici, utiliser une tolérance de 0,5 mm avec 17 trous forés en forme de croix (figure 1b).
8. Procure les HPBS (17), en veillant à avoir les extrémités distales filetées pour permettre la suspension dans le récepteur de l' assemblage de la barre (figure 3A).

4. Experimental Configuration et acquisition de données

Remarque: Avec le cadre de la réaction, la plaque cible, les cellules de charge et HPBS conçu et fabriqué, l' assemblage peut commencer comme le montre la figure 1, et conçu dans la section 1 du protocole.

1. Fixer des jauges de contrainte à semi - conducteurs à HPBS (figure 3B) et des cellules de charge à l' aide de cyanoacrylate, en prenant soin d'assurer la continuité de la terre à travers tout le câblage. Un exemple du pont de Wheatstone utilisé pour les HPBS est représentée sur la figure 3C.
   1. Vérifier tous les câbles de terre sont fixés pour assurer la continuité de la terre. appareil d'essai bien relié à la terre permettra d'améliorerla qualité notamment de signal.
2. Veiller à ce câblage est suffisamment longue pour vous assurer que l'oscilloscope est localisable dans une zone de libre-blast (câblage blindé doit être utilisé qui a une bande passante de signal suffisante).
3. Monter la plaque cible sur le châssis de réaction rigide, en utilisant les cellules de charge en option si elle est présente (figure 1C).
4. Accrochez HBPs du récepteur ensemble de barre, passer l'extrémité chargée par le bon trou dans la plaque cible. Suspendez les HPBS librement d'un écrou vissé sur l'extrémité distale filetée de la DGPS.
5. Veiller à barres sont verticales en utilisant un niveau à bulle (le réglage du récepteur en conséquence).
6. Vérifier les visages des HPBS sont de niveau avec la plaque cible, en ajustant l'écrou en conséquence.
7. Fixer la garniture sur la résistance variable dans le circuit de conditionnement (figure 3C) afin de maintenir la tension dans les limites de l' oscilloscope pendant l' essai. Pour ce faire, par essais et erreurs visant à définir le hors d'équilibre pour chaque canalcomme on le voit sur la lecture numérique sur les boîtes d'amplificateur à zéro.
8. Connectez la sortie de calibre amplifié à un oscilloscope numérique approprié. Configurer pour avoir une fréquence d'échantillonnage (1,56 MHz), la durée d'enregistrement (28,7 ms) avec une durée de pré-déclenchement de 3,3 msec.
   1. Réglez l'enregistrement pour déclencher lorsque la tension dans le canal de fil de rupture (qui est lui-même branché sur l'oscilloscope) dépasse un «hors-fenêtre '. tension d'enregistrement pour chaque jauge reliée (22 au total, 17 HPBS, 4 cellules de charge et le fil de rupture) et le temps.

Figure 3. (A) Schéma d'un DGPS monté dans la plaque cible, (B) section par HPB à l' emplacement de la jauge, (C) un circuit en pont de Wheatstone exemple. Deux jauges de contrainte sont utilisés dans le pont de Wheatstone et de telle sorte que la flexion de la barre de Hopkinson est cancelled out. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

5. Préparation des explosifs

1. Décider de la masse de charge explosive et stand-off pour être utilisé dans les essais (100 g PE4 à 75 mm).
2. Décider si les charges sont pour exploser à l' air libre ou dans un autre milieu (sol, eau , etc.). Pour l' air libre teste une forme de charge sphérique est normalement utilisé alors avec des charges enterrées la norme est de 3: 1 cylindre squat ^24,25.
3. Pour les tests d'air libre:
   1. Suspendre la charge en dessous de la plaque cible sur le stand-off correct (75 mm). Atteindre cet objectif avec une bande de bois mince ou en plaçant la charge sur une feuille de polyéthylène.
   2. Placez la charge co-axialement avec le réseau de mesure pour assurer des lectures valides.
   3. Pour les tests d'air libre utilisent un détonateur électrique, avec le détonateur étant placé à mi-chemin dansla charge de la base. Pour ce faire, au dernier moment avant la cuisson et quand la gamme a déjà été fait en toute sécurité.
4. Pour les tests enterrés:
   1. Fabriquez un récipient approprié pour le milieu. Pour les sols, le test actuel utilise 1/4 des conteneurs à l'échelle ^23.
   2. Décider sur le type de sol pour être utilisé et les conditions géotechniques: teneur en humidité et de la densité du sol sec, voir ref ¹⁵ pour plus de détails..
   3. Décider de la profondeur d'enfouissement à utiliser dans les essais. Cela est généralement de 100 mm dans un test à grande échelle, comme les tests actuels sont effectués à l'échelle ¼ cela signifie une profondeur d'enfouissement de 25 mm.
   4. Mélanger soigneusement le sol en utilisant un mélangeur de construction de taille appropriée pour obtenir la teneur en humidité cible. Pour les sables du temps de mélange requis est de 10 min.
      1. Vérifiez la teneur en humidité du mélange en enlevant une petite quantité et peser pour calculer la masse totale, . Secle sol enlevé et re-peser pour calculer la masse d'eau, . teneur en humidité géotechniques sont spécifiées en termes de teneur en humidité gravimétrique, .
      2. Si la teneur en humidité se situe dans la tolérance continue, sinon remélanger le sol. Une tolérance de ± 0,05-0,1% ont été réalisés dans les travaux en cours.
   5. Peser le récipient vide du sol et calculer le volume pour permettre le calcul de la densité du sol une fois pleine (étape 5.4.7).
   6. Compacter le sol en couches suffisamment minces pour garantir la densité cible, en veillant à ce que la masse de sol entrant dans le récipient est connu. Pour Leighton Buzzard Sable ¹⁵ cela se fait en deux couches.
   7. Une fois que le réservoir est plein, vérifier que la densité du sol est dans la tolérance (± 0,2%). La densité sèche cible dans tous les tests avec Leighton Buzzard Sand 1.6Mg / m ^3. Calculer la densité sèche, en utilisant Où ρ _d est la densité sèche, M est la masse totale du sol ajoutée au récipient, V représente le volume du récipient du sol et w est la teneur en humidité.
   8. Creuser un petit trou ≈ 50 mm pour permettre la charge d'être placé avec la surface supérieure à la profondeur d'enfouissement correct (25 mm).
   9. Placer un détonateur non électrique sur la base de la charge et excaver un canal approprié vers le côté du récipient pour assurer que la surface supérieure du récipient est non interrompu une fois que le sol est remplacé.
   10. Placez la charge et le détonateur dans le trou creusé, la vérification de la profondeur d'enfouissement est correcte. Retour remplir le trou avec le matériau excavé.

6. séquence de tir

Remarque: il y a une petite quantité de chevauchement avec la section de protocole 5 en raison de la nature des essais. La séquence de tir devrait viser à minimiser les risques et ne doit être effectuée par un personnel convenablement formé.

1. Pour les tests d'air libre:
   1. Arrangez support de charge en dessous de la plaque cible sur le stand-off correct (75 mm).
   2. Fermez la gamme. Déployer factionnaires pour assurer plage est clair pendant la cuisson.
   3. Placer la charge sur la co-axiale de support pour l'instrumentation. Fixez le fil de pause pour le détonateur, et placer le détonateur dans la charge.
2. Pour les tests enterrés:
   1. Placer le contenant du sol de sorte que la charge est placée co-axial au tableau HPB.
   2. Fermez la gamme. Déployer factionnaires pour assurer plage est clair pendant la cuisson.
   3. Connectez le fil de rupture, assurant qu'il est enroulé autour de la périphérie de la charge (ce qui donne un temps plus répétable de la détonation des charges enterrées).
3. Déplacez le point de tir et de confirmer l'instrumentation est en cours d'exécution.
4. Alimenter le fil de rupture. Vérifiez auprès de factionnairesil est sûr de procéder à la mise à feu.
5. Initier des explosifs. Faire de la zone d'essai en toute sécurité.
6. Télécharger et sauvegarder les données.
7. Rouvrir plage de test.

7. interpolation numérique pour un tableau 1D HPB

1. Importer les données à partir des fichiers de données brutes en Matlab.
2. Décalage dans le temps de toutes les données dans la direction radiale de telle sorte que la pression maximale pour chaque barre arrive en même temps que la pression de crête de la barre centrale en utilisant l' équation 2 (figure 4B).
   (2)
3. Interpoler la pression à toute distance radiale de la figure 4B.
4. Tracer les temps d'arrivée ( ) Utilisée pour aligner les pressions de pointe et monter une équation cubique à travers les données (figure 4C).
5. Time-déplacer les données interpolées en fonction des temps d'arrivée, genresting un front de choc continue (Figure 4D).
6. Répétez l'opération pour chaque série de données de test.

Figure 4. Séquence Interpolation pour tableau 1D HPB. (A) de données d' origine, (B) de données décalées dans le temps, (C) choquer les heures d'arrivée avant, et (D) des données de temps de pression interpolée finale ^16. La nature discrète des histoires de temps de pression peut être clairement vu dans (A) avec l' existence d'aucune continuité entre les pressions de pointe dans chacune des cinq emplacements de jauge. Quand il est aligné par la pression de pointe comme dans (B) l'interpolation de la pression à toute distance radiale ( en supposant la même heure d'arrivée) est possible. En enregistrant le décalage de temps nécessaire pour aligner les pressions de pointe l'heure d'arrivée de l'onde de choc peut être calculée comme shpropre à (C). Ceci permet alors l'heure d'arrivée et de l' histoire du temps de pression à calculer pour toute distance radiale soit interpolation de pression de (B) et le temps de (C) donnant la pression finale interpolée comme on le voit en (D). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.

8. interpolation numérique pour un tableau 2D HPB

Note: Le code utilisé pour exécuter l'interpolation en Matlab a été fourni avec un exemple de fichier de résultats qui seront visés dans le présent article.

1. Importer les données à partir des fichiers de données brutes en Matlab. Pour les données d'exemple de test, double-cliquez sur le fichier test_data.mat, puis cliquez sur "Terminer" dans l'Assistant Importation.
2. Ouvrez le script de interpolation2d.m Matlab.
3. Définir une grille régulière sur laquelle l'interpolationcourir en changeant le maillage. Assurez -vous que c'est la même résolution que le maillage dans toute future modélisation numérique ^26,27. Il est défini dans la section du code des '% Détails du maillage de.
4. Exécutez le script de interpolation2d.m Matlab. Notez que les étapes suivantes sont mises en œuvre dans le code et sont listés ici pour plus de clarté.
   1. Time-Shift toutes les traces de pression HPB par (Équation 2). les données d'origine est indiqué pour mm sur la figure 5B, en même temps décalé sur la figure 5C données.
      Remarque: Le décalage de temps est nécessaire pour permettre la routine d'interpolation pour réussir à localiser le front de choc à un moment donné. Cela consiste essentiellement à aligner les données pour chaque réseau radial donc toutes les pressions maximales aligner.
   2. Calculer le rayon, Et ang le, pour un point d'intérêt sur ​​la grille donnée, comme le montre la figure 5A.
   3. Appliquer l'interpolation 1D pour les deux tableaux HPB les plus proches du point d'intérêt pour le rayon courant (pour l'interpolation utiliserait la et tableaux).
   4. Interpolation linéaire entre les 2 pressions sur la base (Encore une fois pour une la pondération serait de 50% du et 50% de la 12eq30.jpg "/> array pressions calculées).
   5. Calculer la charge instantanée en multipliant la pression interpolées par l'espacement de la grille (surface) pour donner la charge.
   6. Multiplier la charge par le pas de temps de l'échantillonnage afin d'obtenir l'impulsion instantanée.
   7. Répétez l'opération pour tous les endroits et les heures (sommateurs l'impulsion instantanée pour donner l'impulsion totale).
   8. Time-Shift l'histoire du temps de pression pour chaque emplacement en fonction interpolation cubique de l'heure d'arrivée de choc (Figure 5D).

Figure 5. séquence d'interpolation pour tableau 2D HPB. (A) des conventions de signe utilisé, (B) les données d' origine mm, (C) les données décalées dans le temps412 / 53412eq36.jpg "/> mm, et (D) des temps d'arrivée pour chaque direction radiale ^16. Pour un tableau 2D de barres de l'histoire du temps de pression à tout moment dépend à la fois la distance radiale et quel quadrant le point d'intérêt est située . Si l'explosion était parfaitement symétrique , alors les pressions (B) se forment des lignes verticales , comme indiqué en (C). dans (B) , on peut voir que le front de choc est atteint l'emplacement de 50 mm sur premier axe.
S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Résultats

Un cadre rigide de réaction efficace doit être fournie. En testant le courant une impulsion impartie total de plusieurs centaines de Newton-secondes doit être combattue avec une déviation minimale. Une illustration de la trame de réaction rigide utilisé est donnée à la figure 1. Dans chaque trame un acier 'accepteur' plaque de 50 mm a été jeté dans la base des poutres transversales. Bien que non explicitement requis, ce qui permet une fixation aisée d...

Discussion

En utilisant le protocole décrit ci-dessus, les auteurs ont montré qu'il est possible d'obtenir des mesures de haute fidélité de la charge très variable d'une charge explosive, en utilisant un tableau de Hopkinson barres de pression. Utilisation de la routine d'interpolation décrit les discrètes histoires en temps de pression peuvent être transformé en un front de choc continue qui est utilisable directement comme la fonction de chargement dans la modélisation numérique ou comme données de va...

matériels

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