Blast Quantificazione Utilizzando Hopkinson Pressure Bar

Riepilogo

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.

Abstract

Vicino-campo di misura del carico esplosione presenta un problema per molti tipi di sensori in quanto devono sopportare ambienti molto aggressivi ed essere in grado di misurare pressioni fino a molte centinaia di megapascal. A questo proposito la semplicità del manometro Hopkinson ha un grande vantaggio dal fatto che, mentre alla fine misura della barra Hopkinson può sopportare ed essere esposto a condizioni estreme, l'estensimetro montato alla barra può essere apposta una certa distanza. Questo permette custodie protettive per essere utilizzati che proteggono l'estensimetro ma non interferiscono con l'acquisizione della misura. L'uso di una matrice di barre di pressione permette storie pressione-tempo in punti noti discreti da misurare. Questo articolo descrive anche la routine di interpolazione utilizzata per ricavare storie pressione ora in altre città non-strumentale sul piano di interesse. Attualmente la tecnica è stata utilizzata per misurare il caricamento da esplosivi ad alto potenziale in aria libera e sepolto superficialmente in vari terreni.

Introduzione

Che caratterizza la produzione di cariche esplosive ha molti vantaggi, sia militari (difesa contro sepolta ordigni esplosivi nelle zone di conflitto in corso) e civili (la progettazione di componenti strutturali). In tempi recenti questo tema ha ricevuto una notevole attenzione. Molte delle conoscenze accumulate è finalizzato alla quantificazione dell'uscita dagli oneri per permettere la progettazione di strutture di protezione più efficaci. Il problema principale è che se le misurazioni effettuate non sono di alta fedeltà, allora i meccanismi di trasferimento di carico in questi eventi esplosivi rimangono poco chiari. Questo a sua volta porta a problemi validare modelli numerici che si basano su queste misure per la convalida.

Il termine campo vicino è utilizzato per descrivere blasti con distanze scalate, Z, meno di ~ 1 m / kg ^1/3, dove Z = R / W ^1/3, R è la distanza dal centro della esplosivo, e W è la carica di massa espressocome una massa equivalente di TNT. In questo regime il carico è tipicamente caratterizzata da altissima intensità, altamente spaziale e temporalmente carichi non uniformi. strumentazione robusta è quindi richiesta per misurare le pressioni estreme associate a near-field di carico. A distanze in scala Z <0,4 m / kg ^1/3, misure dirette dei parametri di esplosione sono o inesistenti o molto pochi ¹ ei dati predittivi semi-empirici per questa gamma si basa quasi interamente su studi parametrici. Questo comporta l'uso le previsioni semi-empirici fornite dal Kingery e Bulmash ^2, che è al di fuori del campo di applicazione previsto dell'autore. Mentre strumenti basati su queste previsioni ^3,4 consentono ottime stime del primo ordine di carico non cogliere appieno la meccanica di eventi in campo vicino, che sono al centro della ricerca attuale.

Misure in campo vicino esplosione hanno negli ultimi tempi concentrata sulla quantificazione del outpUT da oneri sepolti. Le metodologie impiegate variano da valutare la deformazione causata da un obiettivo strutturale ^5-7 per dirigere la misurazione globale impulso ^8-13. Questi metodi forniscono informazioni preziose per la validazione dei progetti di sistemi di protezione, ma non sono in grado di indagare pienamente i meccanismi di trasferimento del carico. Il test può essere fatto a entrambe le bilance da laboratorio (1/10 scala), o in prossimità di fondo scala (> 1/4), con ragioni pratiche come il controllo profondità di seppellimento o garantendo l'assenza di forma intrinseca del fronte d'urto è generato dal utilizzo di detonatori, piuttosto che le spese nude ^14. Con cariche sepolte le condizioni del terreno devono essere altamente controllato per garantire la ripetibilità del test ^15.

Indipendentemente dal fatto che la carica è posto in aria libera o è sepolto, la questione più fondamentale misurare l'esplosione risultante è garantire la validità delle misure da parte del deplo strumentazioneYed. Nell'apparecchiatura test inteso ¹⁶ una piastra 'rigida' bersaglio fisso viene utilizzato per schermare le barre di Hopkinson ¹⁷ (HPbs), mentre allo stesso tempo assicurare che le estremità delle barre possono registrare solo le pressioni pienamente riflesse. Gli autori hanno precedentemente dimostrato che la misurazione della pressione riflessa da un bersaglio rigida è più preciso e ripetibile di incidente, o misurazioni 'campo libero' ^18-20. La geometria di questa piastra è tale che qualsiasi sovrappressione generata eliminando o flusso intorno al bordo di destinazione ²¹ sarebbe trascurabile. Questo nuovo dispositivo di prova è stato costruito in scala 1/4. A questa scala uno stretto controllo sulle condizioni di sepoltura e gli esplosivi può essere garantita, con la dimensione carica completa scala di 5 kg in scala fino a 78 g, ad una profondità di sepoltura di 25 mm.

Protocollo

1. Reazione telaio rigido

1. Determinare distanza scalata alla quale test avverrà con l'equazione 1, in cui R è la distanza dal centro della esplosivo, e W è la carica di massa espressa come massa equivalente di TNT.
   Z = R / W ^1/3 (1)
2. Calcola approssimativo impulso massimo questo accordo genererà tramite modellazione numerica (vedi Appendice A) o strumenti specifici come ConWep ^3.
   Nota: L'uso di ConWep ³ è valida solo per getto di aria libera, se è richiesta una stima delle pressioni derivanti dagli oneri sepolti è richiesta la modellazione numerica più avanzato.
3. Controllare il carico stimato dalla modellazione non genererà spostamenti nel piano di più di 0,5 mm nella piastra porta.
4. Aumentare il carico calcolato per un fattore di 10 per tenere conto di imprecisioni nella modellazione e aggiungere flessibilità tes futuriTing.
5. Progettare un telaio reazione rigida per poter resistere al carico massimo calcolato ^16. In un reparto di progettazione, eseguire questi calcoli in casa; altrimenti cercare i servizi di un ingegnere strutturale.
   1. Procurarsi telai di reazione rigidi, contrarre un imprenditore specializzato per fabbricare ed installare i fotogrammi per i disegni di ingegnere strutturale.
6. Procurarsi piastra segnale, contrarre un produttore di acciaio specialista.
   Si noti che la piastra dovrà essere montato su celle di carico (se utilizzato) e che i fori per le HPbs (disegnati nella sezione 3) dovrà essere perforati attraverso la piastra prima del montaggio.

Figura 1. Schema del telaio di prova. (A) Pacchetti turistici, (B) Piano di piastra segnale, (C) close-up vista della piastra segnale. Tegli Hopkinson barre di pressione sono appese dal ricevitore assemblaggio barra in modo che si siedono a filo con la faccia della piastra segnale. In questo modo la pressione pieno riscontro che agisce sulla piastra segnale da registrare. Fate clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Caricare Disegno delle cellule

1. Procurare o fabbricare celle di carico (se utilizzato). Questi possono essere off-the-shelf universale (compressione / tensione) modelli della scatola metallica strain-gauge e costruito in-house con tratti di parete spessa tubi in acciaio dolce saldati alle piastre con estensimetri apposte in una formazione ponte di Wheatstone montaggio come mostrato nella figura 2.
2. Se le celle di carico sono stati fabbricati in casa, li invia ad un contraente esterno per la calibrazione.

Figura 2. Schema del. (A) elevazione laterale, (B) elevazione di estremità internamente fabbricato celle di carico. Il cilindro grigio scuro è un tubo in acciaio spessa parete che ceppi sotto carico. Questo ceppo è registrato utilizzando un unico strain gauge come nessuna rotazione è vissuto durante il caricamento. Dalla calibrazione della cella di carico il ceppo può essere correlato di nuovo alla sollecitazione applicata. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

3. Hopkinson Pressure Bar design

1. Determinare la durata della registrazione, , Necessaria per catturare il carico pieno dall'esplosione. La durata minima richiesta è il tempo impiegato nel modello numerico (sezione 1.2) per la pressione di ritorno a zero, dopo il picco pressione iniziale. Qui, usare 1.2 msec.
2. Decide il materiale di scelta per i HPbs. Questo influisce sulla velocità delle onde elastiche, , Nella barra che è dato da dove è il modulo di Young e è la densità. Per misurare una scossa ad alta pressione, utilizzare materiali rigidi quali acciaio; dove, come se si prevede una scossa debole, utilizzare materiali meno rigidi quale una lega di magnesio o nylon.
3. Scegliere la posizione sulla HPB che l'estensimetro sarà posizionato, essendo il più vicino possibile alla superficie caricata della HPB per minimizzare la dispersione. Nell'attuale assetto lo spessore della piastra di mira e la manovrabilità prescritta per adattare le barre in posizione significava che gli indicatori possono essere installati solo 250 mm dalla faccia caricato.
4. Calcolare il HPlunghezza B richiesto utilizzando , dove è la distanza dalla faccia carico del HPB al estensimetro e (3,25 m).
5. Determinare il raggio HPB tenuti ad avere larghezza di banda sufficiente per catturare l'evento utilizzando: kHz, dove è il raggio HPB in mm ^22,23 (5 mm).
6. Stabilita la risoluzione spaziale richiesta per catturare la distribuzione della pressione attraverso la piastra. Questo è generalmente il più vicino possibile, mantenendo l'integrità strutturale della piastra segnale. Nel lavoro corrente, utilizzare 25 mm.
7. Praticare dei fori nella piastra di destinazione per montare i HPbs (questo può essere parte del processo di fabbricazione). Un primo adattamento è richiesto without i HPbs essendo a contatto con la piastra. Qui, utilizzare tolleranza 0,5 millimetri con 17 fori essendo praticati a croce (Figura 1b).
8. Procurarsi i HPbs (17), avendo cura di avere le estremità distali filettate per consentire la sospensione nel ricevitore gruppo barra (Figura 3a).

4. setup sperimentale e acquisizione dati

Nota: Con il telaio di reazione, piastra di puntamento, celle di carico e HPbs progettato e fabbricato, assemblaggio può iniziare come mostrato in Figura 1, e progettata in sezione del protocollo 1.

1. Fissare estensimetri a semiconduttore per HPbs (Figura 3B) e celle di carico con cianoacrilato, avendo cura di garantire la continuità di terra attraverso tutti i cablaggi. Un esempio del ponte di Wheatstone utilizzato per le HPbs è mostrato in Figura 3C.
   1. Verificare che tutti i cavi di terra sono collegati per garantire la continuità di terra. apparecchiatura di prova ben messa a terra miglioreràla qualità del segnale in particolare.
2. Assicurarsi che il cablaggio è sufficientemente lungo per assicurarsi che l'oscilloscopio è localizzabile in una zona di libero scoppio (cablaggio schermato deve essere usato, che ha la larghezza di banda del segnale sia sufficiente).
3. Montare la piastra segnale al telaio reazione rigida, usando le celle di carico opzionali se presente (Figura 1C).
4. Appendere HBPs dal ricevitore gruppo barra, passando alla fine caricata attraverso il foro corretto nella piastra segnale. Appendere le HPbs liberamente da un dado avvitato sulla estremità distale filettata del HPB.
5. Assicurarsi barre sono verticali utilizzando una livella a bolla (regolando il ricevitore di conseguenza).
6. Controllare i volti dei HPbs sono di livello con la piastra bersaglio, regolando il dado di conseguenza.
7. Impostare il rivestimento sul resistore variabile nel circuito di condizionamento (Figura 3C) per mantenere la tensione entro i limiti delle dell'oscilloscopio durante la prova. Fate questo attraverso tentativi ed errori al fine di impostare il fuori equilibrio per ciascun canalecome visto sul display digitale sulle caselle amplificatore a zero.
8. Collegare l'uscita manometro amplificata ad un idoneo oscilloscopio digitale. Configurazione di avere una frequenza di campionamento (1,56 MHz), la durata della registrazione (28,7 msec) con una durata pre-trigger di 3,3 msec.
   1. Impostare la registrazione per attivare quando la tensione nel canale rottura conduttore (che è a sua volta cablato nella oscilloscopio) supera un 'out-finestra'. Tensione record per ogni indicatore collegato (22 in totale, 17 HPbs, 4 celle di carico e la rottura conduttore) e il tempo.

Figura 3. (A) Schema di HPB montato nella piastra porta, sezione (B) attraverso HPB nella posizione relativa, (C) circuito a ponte di Wheatstone esempio. Due estensimetri sono utilizzati nel ponte Wheatstone modo che e piegatura della barra di Hopkinson è cancelled fuori. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

5. preparazione esplosivo

1. Stabilire massa carica esplosiva e stand-off da utilizzare nelle prove (100 g PE4 a 75 mm).
2. Decidere se le accuse sono di esplodere in aria libera o all'interno di un altro mezzo (suolo, acqua, ecc). Per aria libera prova una forma sferica di carica viene normalmente utilizzato, mentre con le spese sepolti lo standard è un 3: 1 cilindro tozzo ^24,25.
3. Per le prove di aria libera:
   1. Sospendere la carica al di sotto della piastra segnale alla corretta stand-off (75 mm). Ottenere questo con una striscia in legno sottile o mettendo la carica su un foglio di polietilene.
   2. Posizionare la carica coassialmente con l'array di misura per garantire letture valide.
   3. Per le prove di aria libera utilizzano un detonatore elettrico, con il detonatore di essere immessi a metà strada inla carica dalla base. Fate questo all'ultimo momento prima di sparare e quando il campo è già stato messo in sicurezza.
4. Per i test sepolti:
   1. Realizzare un contenitore adatto per il mezzo. Per i terreni, l'attuale testing utilizza 1/4 contenitori scala ^23.
   2. Decidere il tipo di terreno da utilizzare e le condizioni geotecniche: contenuto di umidità e la densità secca del suolo, vedi rif ¹⁵ per maggiori dettagli..
   3. Decidere la profondità di seppellimento da utilizzare nel test. Questo è di solito di 100 mm in una prova completa, come le prove attuali sono fatte a ¼ scala significa una profondità di seppellimento 25 mm.
   4. Mescolare il terreno completamente utilizzando un mixer costruzione opportunamente dimensionato per ottenere il contenuto di umidità di destinazione. Per sabbie del tempo di miscelazione richiesto è di 10 min.
      1. Controllare il contenuto di umidità della miscela rimuovendo una piccola quantità e si pesa calcolare la massa totale, . Seccoil terreno rimosso e re-pesano per calcolare la massa d'acqua, . il contenuto di umidità geotecniche sono specificati in termini di contenuto di umidità gravimetrico, .
      2. Se il contenuto di umidità è in tolleranza continuare, altrimenti rimescolare il terreno. Una tolleranza di ± 0,05-0,1% è stato raggiunto nei lavori in corso.
   5. Pesare il contenitore vuoto terreno e calcolare il volume per consentire il calcolo della densità del suolo, una volta completo (fase 5.4.7).
   6. Compattare il terreno in strati, abbastanza sottile da garantire la densità di destinazione, in modo che la massa del terreno entrare nel contenitore è noto. Per Leighton Buzzard Sand ¹⁵ questo viene fatto in due strati.
   7. Una volta che il contenitore è pieno, controllare che la densità del terreno all'interno è in tolleranza (± 0,2%). La densità secca bersaglio in tutte le prove con Leighton Buzzard sabbia era 1.6Mg / m ^3. Calcolare la densità a secco, utilizzando , Dove ρ _d è la densità a secco, M è la massa totale del suolo aggiunto al contenitore, V è il volume del contenitore suolo e w è il contenuto di umidità.
   8. Scavare un piccolo foro ≈50 mm per consentire la carica per essere posizionato con la superficie superiore alla profondità di sepoltura corretta (25 mm).
   9. Inserire un detonatore non elettrico nella base della carica, e scavare un canale atto a lato del contenitore per garantire la superficie superiore del contenitore è ininterrotta volta il terreno viene sostituito.
   10. Mettere carica e detonatore nel foro scavato, il controllo della profondità di seppellimento è corretta. Torna riempire il buco con il materiale di scavo.

6. sequenza di cottura

Nota: vi è una piccola quantità di sovrapposizione con sezione Protocollo 5 a causa della notteure del test. La sequenza di accensione dovrebbe mirare a ridurre al minimo il rischio e deve essere condotta solo da personale adeguatamente addestrato.

1. Per le prove di aria libera:
   1. Disporre il supporto di carica al di sotto della piastra segnale alla corretta stand-off (75 mm).
   2. Chiudere la gamma. Distribuire sentinelle per garantire gamma è chiaro durante la cottura.
   3. Posizionare carica sul supporto coassiale alla strumentazione. Collegare il filo di pausa per il detonatore, e posizionare il detonatore nella carica.
2. Per i test sepolti:
   1. Posizionare il contenitore suolo in modo che la carica è disposto coassiale serie HPB.
   2. Chiudere la gamma. Distribuire sentinelle per garantire gamma è chiaro durante la cottura.
   3. Collegare il cavo rottura, assicurando è avvolto intorno alla periferia di carica (questo dà un tempo più ripetibile di detonazione degli oneri sepolti).
3. Spostare il punto di cottura e confermare la strumentazione è in esecuzione.
4. Alimentare il filo di pausa. Controllare con sentinelleè sicuro di procedere con la cottura.
5. Avviare esplosivi. Rendere l'area di test di sicurezza.
6. Scaricare ed eseguire il backup dei dati.
7. Riaprire gamma di test.

7. interpolazione numerica per un array 1D HPB

1. Importare i dati dai file di dati grezzi in Matlab.
2. Time-spostare tutti i dati in direzione radiale in modo che la pressione di picco per ogni barra arriva al tempo stesso la pressione di picco della barra centrale utilizzando Equazione 2 (Figura 4B).
   (2)
3. Interpolare la pressione ad ogni distanza radiale dalla figura 4B.
4. Tracciare i tempi di arrivo ( ) Utilizzata per allineare i picchi di pressione e montare un'equazione cubica attraverso i dati (Figura 4C).
5. Time-shift i dati interpolati per adattare i tempi di arrivo, generiTing un fronte d'urto continuo (Figura 4D).
6. Ripetere l'operazione per ogni singolo set di dati di test.

Figura 4. sequenza di interpolazione per serie 1D HPB. (A) I dati originali, (B) i dati in differita, (C) scioccare tempi di arrivo anteriori, e (D) dati in tempo finale di pressione interpolati ^16. La natura discreta delle serie temporali pressione può chiaramente vedere in (A) con che vi sia continuità tra le pressioni di picco in ciascuno dei cinque posizioni di gauge. Quando allineato di pressione di picco come in (B) l'interpolazione di pressione ad ogni distanza radiale (a parità di tempo di arrivo) è possibile. Registrando il tempo di spostamento necessario per allineare le pressioni di picco il tempo di arrivo del fronte d'urto può essere calcolato come shproprio a (C). Questo permette poi l'orario di arrivo e la storia di tempo la pressione per essere calcolati per qualsiasi distanza radiale essere interpolazione di pressione da parte (B) e il tempo da (C) dando la pressione finale interpolato come si vede nella (D). Clicca qui per visualizzare un più grande versione di questa figura.

8. interpolazione numerica per una matrice 2D HPB

Nota: Il codice utilizzato per eseguire l'interpolazione in Matlab è stato fornito insieme a un file di esempio risultati che si farà riferimento in questa sezione.

1. Importare i dati dai file di dati grezzi in Matlab. Per i dati di esempio di test, fare doppio clic sul file test_data.mat, quindi fare clic su 'Fine' nella Importazione guidata.
2. Aprire lo script Matlab interpolation2d.m.
3. Definire una griglia regolare su cui l'interpolazione saràeseguire cambiando la maglia. Assicurarsi che questa è la stessa risoluzione del maglie di una qualsiasi futura ^26,27 modellazione numerica. Questo è impostato nella sezione del codice dei '% dettagli in mesh.
4. Eseguire lo script Matlab interpolation2d.m. Nota le seguenti operazioni sono implementati nel codice e sono elencate qui per chiarezza.
   1. Time-shift tutte le tracce di pressione HPB da (Equazione 2). I dati originali viene mostrato per mm in Figura 5B, con lo stesso tempo-spostata nella Figura 5C dati.
      Nota: È richiesto il passaggio di tempo per consentire la routine di interpolazione per individuare correttamente il fronte d'urto in un dato momento. Si tratta in sostanza l'allineamento dei dati per ogni matrice radiale in modo da tutte le pressioni massime si allineano.
   2. Calcolare il raggio, E ang le, per un dato punto di interesse sulla griglia, come mostrato in Figura 5A.
   3. Applicare l'interpolazione 1D alle due matrici HPB più vicini al punto di interesse per il raggio corrente (per l'interpolazione utilizzerà la e array).
   4. Interpolazione lineare tra i 2 pressioni basate su (Ancora per un la ponderazione sarà del 50% del e il 50% del 12eq30.jpg "/> array pressioni calcolate).
   5. Calcolare il carico istantaneo moltiplicando la pressione interpolato dalla spaziatura della griglia (area) a dare il carico.
   6. Moltiplicare il carico dal passo temporale del campionamento per ottenere l'impulso istantanea.
   7. Ripetere l'operazione per tutte le sedi e gli orari (che riassumono l'impulso istantaneo per dare l'impulso totale).
   8. Time-shift la storia temporale pressione per ogni posizione sulla base di interpolazione cubica del tempo di arrivo di shock (Figura 5D).

Figura 5. sequenza di interpolazione per array 2D HPB. (A) le convenzioni segno utilizzato, (B) dei dati originali mm, (c) i dati in differita412 / 53412eq36.jpg "/> mm, e (d) tempi di arrivo per ogni direzione radiale ^16. Per una matrice 2D di bar la storia temporale pressione in qualsiasi punto dipende sia distanza radiale e quale quadrante il punto di interesse si trova . Se l'esplosione fosse perfettamente simmetrica quindi le pressioni (B) formerebbero linee verticali come mostrato in (C). in (B) si può notare che il fronte d'urto è raggiunge la posizione di 50 mm primo asse.
Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Risultati

Una cornice reazione efficace rigida deve essere fornita. Nell'attuale testare un impulso impartito totale di diverse centinaia di Newton-secondi deve essere resistito con minima deformazione. Un esempio di telaio reazione rigida usato La Figura 1. In ogni frame una piastra 50 mm Materiale 'accettore' è stata getto nella base delle traverse. Anche se non esplicitamente richiesto, questo permette una facile fissaggio del / piastra segnale celle di carico e fo...

Discussione

Utilizzando il protocollo descritto sopra gli autori hanno dimostrato che è possibile ottenere misurazioni alta fedeltà del carico altamente variabili da una carica esplosiva, utilizzando una matrice di barre di Hopkinson pressione. Utilizzando la routine di interpolazione delineato le storie pressione-tempo discreto può essere trasformato in un fronte d'urto continuo che è utilizzabile direttamente come la funzione di caricamento nella modellazione numerica o come dati di validazione per la produzione di tali m...

Materiali

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