الانفجار الكمي عن طريق هوبكنسون البارات الضغط

الهدف العام من هذه التجربة هو قياس التوزيع المكاني والزماني للضغط بدقة في البيئة شديدة العنف المتولدة بالقرب من شحنة متفجرة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال هندسة الحماية من الانفجارات، مثل الشكل الدقيق للحمل المسلط وكيفية تأثير عوامل مثل نوع المتفجرات وشكلها على هذا الحمل. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أنها تتيح لنا تسجيل ضغوط تتجاوز حدود طرق القياس التقليدية.

على الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن توفر رؤى حول انفجارات الهواء الحر، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على أحداث أخرى، مثل الشحنات المدفونة أو الموجودة تحت الماء. لقد جربنا الفكرة الخاصة بهذه الطريقة أولاً باستخدام قضيب ضغط هوبكنسون واحد، وسرعان ما أدركنا أن هناك حاجة إلى مصفوفة كبيرة لالتقاط البيانات بدقة. للبدء، احسب أقصى نبضة تقريبية سيولدها ترتيب إطار الاختبار باستخدام تحليل البرمجيات، كما هو الحال مع ConWep.

بالنسبة للشحنات المدفونة، تكون هذه العملية أقل وضوحاً، لأنها تتطلب تقنيات عددية أكثر تقدماً لنمذجة التفاعل بين التربة والمتفجرات ولوحة الهدف. وتتوفر تفاصيل إنتاج إطار الاختبار وخلايا تحميل الوزن في البروتوكول النصي. حدد الموضع على قضبان ضغط هوبكنسون الذي سيتم فيه وضع مقياس الانفعال، بحيث يكون أقرب ما يمكن إلى الوجه المحمل لتقليل التشتت.

في هذا الإعداد، يؤدي سمك اللوح المستهدف وقدرة المناورة المطلوبة لتركيب القضبان إلى تركيب المقاييس على مسافة 250 millimeters من الوجه المحمّل. ويبلغ نصف قطر القضيب المحسوب المطلوب لرصد الحدث في هذه الحالة خمسة millimeters. استخدم أعلى دقة مكانية ممكنة للقضبان بشرط ألا يؤثر ذلك على السلامة الهيكلية.

في هذه الحالة، تبلغ المسافة 25 مليمتر. تتوفر تفاصيل إضافية في البروتوكول النصي. للبدء، قم بتثبيت مقياس انفعال أشباه الموصلات على قضبان هوبكنسون للضغط باستخدام سيانوأكريليت، ثم ثبته في خلايا التحميل.

قم بتثبيت لوحة الهدف في إطار التفاعل الصلب باستخدام خلايا التحميل إذا لزم الأمر. تأكد من تأريض جميع الكابلات جيداً لتحسين جودة الإشارة. كما يجب أن تكون الأسلاك طويلة بما يكفي لتوصيلها بجهاز راسم الإشارة (oscilloscope) خارج منطقة الانفجار.

يجب أن يحمل أي سلك محمي إشارة كافية. الآن، قم بتعليق قضبان هوبكنسون لقياس الضغط من مستقبل مجموعة القضبان. مرر الطرف المحمل عبر الفتحة الصحيحة في لوحة الهدف، وعلّق قضبان هوبكنسون لقياس الضغط بحرية من الصامولة المثبتة في أطرافها البعيدة.

باستخدام ميزان تسوية، قم بتعديل الصواميل لضبط القضبان رأسيًا ولجعل وجوهها في مستوى لوحة الهدف. الآن، استخدم طريقة التجربة والخطأ لضبط المعايرة في المقاومة المتغيرة في دائرة التكييف للحفاظ على الجهد ضمن حدود جهاز راسم الإشارة. قم بتصفير قراءة عدم التوازن في كل قناة كما هو موضح في صناديق المضخم.

بعد ذلك، قم بتوصيل مخرج المقياس المُضخم براسم إشارة رقمي (oscilloscope) مناسب. قم بضبط راسم الإشارة على تردد أخذ عينات قدره 1.56 megahertz مع مدة تسجيل تبلغ 28.7 millisecond، واضبط مدة ما قبل التشغيل (pre-trigger) على 3.3 milliseconds. يجب توصيل 22 مقياساً في المجمل، منها 17 من قضبان هوبكنسون للضغط (Hopkinson pressure bars)، وأربعة من خلايا التحميل (load cells)، وسلك قطع واحد.

سجل الجهد والوقت من كل مقياس. اضبط التسجيل ليتم تحفيزه عندما يتجاوز الجهد في سلك القطع قيمة خارج النطاق، مثل زائد أو ناقص 100 millivolts. في حالة اختبار شحن الهواء الحر، استخدم شريحة رقيقة من الخشب لتعليق الشحنة أسفل اللوح المستهدف عند المسافة الفاصلة الصحيحة، وهي في هذه الحالة 200 millimeters.

قم بموضعة الشحنة بشكل متحد المحور مع مصفوفة القياس لضمان الحصول على قراءات صالحة. يكمن العنصر الحاسم في اختبار الشحنة المدفونة في تحضير سرير التربة وعملية الدفن. وتتطلب العملية دقة عالية لضمان تحقيق نتائج قابلة للتكرار.

بعد ذلك، أغلق الميدان. قم بنشر الحراس للتأكد من خلو الميدان أثناء عملية الإطلاق. الآن، وقبل إطلاق شحنة الهواء الحر مباشرةً، قم بتوصيل سلك القطع بالصاعق وأدخل صاعقاً كهربائياً حتى منتصف الشحنة من القاعدة.

انتقل الآن إلى نقطة الإطلاق وتأكد من أن الأجهزة تعمل بشكل صحيح. بعد ذلك، قم بتزويد سلك القطع بالطاقة. والآن، تأكد من مراجعة الحراس للتأكد من أنه من الآمن المضي قدماً في عملية الإطلاق.

بعد ذلك، قم بتفعيل المتفجرات. وبعد الانفجار، تأكد من سلامة منطقة الاختبار ثم قم بتنزيل البيانات وعمل نسخة احتياطية منها. وبينما يجري حالياً كتابة بروتوكول لوصف الخطوات المطلوبة في هذه المرحلة، يتم أيضاً توفير نص برمجي (script) مطور بلغة Matlab للسماح بمعالجة البيانات بسرعة باستخدام المنهجية ذاتها بدقة.

قم باستيراد البيانات من ملفات البيانات الخام إلى برنامج Matlab عن طريق النقر المزدوج على اسم الملف، ثم النقر على Finish في معالج الاستيراد (Import Wizard). بعد ذلك، افتح نص Matlab البرمجي الخاص بالاستيفاء (interpolation). في قسم التشبيك (meshing) من الكود، حدد شبكة منتظمة يتم إجراء الاستيفاء عليها عن طريق تغيير الشبكة (mesh).

استخدم نفس الدقة في أي نمذجة عددية مستقبلية. تقوم هذه الخطوة الحاسمة بتحويل البيانات المنفصلة إلى خريطة ثنائية الأبعاد. سيقوم السكربت بإزاحة زمنية لجميع آثار الضغط في قضيب هوبكنسون للضغط.

يُعد إزاحة الوقت ضرورية للسماح لروتين الاستكمال بتحديد موقع جبهة الصدمة بنجاح في أي وقت محدد. الآن، قم بمحاذاة البيانات من كل مصفوفة شعاعية بحيث يتم مزامنة جميع الضغوط القصوى. بعد ذلك، احسب نصف القطر، r، والزاوية، beta، لنقطة اهتمام معينة على الشبكة.

قم بتطبيق الاستيفاء أحادي الأبعاد (1D interpolation) على مصفوفتي قضيب هوبكنسون للضغط الأكثر قرباً من نقطة الاهتمام لنصف القطر الحالي. على سبيل المثال، عند زاوية 45 درجة، سيستخدم الاستيفاء المصفوفتين X, X و Y, Y. الآن، قم باستيفاء الخطية بين الضغطين بناءً على الزاوية.

على سبيل المثال، عند زاوية 45 درجة، استخدم 50%X، X و 50%Y، Y. بعد ذلك، قم بإزاحة زمنية لتاريخ الضغط الزمني لكل موقع بناءً على الاستيفاء التكعيبي لوقت وصول الصدمة. وفي النهاية، تكون النتيجة عبارة عن تاريخ ضغط زمني مستوفى بالكامل. وقد تم تصميم إطار تفاعل صلب بفعالية، قادر على مقاومة عدة مئات من Newton-seconds بأقل قدر من الانحراف، باستخدام لوحة هدف من الصلب الطري بسمك 100 millimeter.

تحمل هذا الإطار اختبارات وصلت قوتها إلى 500 Newton-seconds. وقد أجري اختبار واحد باستخدام 17 قضيب ضغط Hopkinson تم توزيعها في مصفوفة ثنائية الأبعاد، باستخدام قضبان بطول 3.25 meter وبنصف قطر قدره خمسة millimeter. وقد تم ضبط المسافات الفاصلة لتكون 25 millimeters.

في هذا الاختبار، تم تثبيت مقياس الانفعال على مسافة 0.25 meters من الوجه المُحمَّل. وقد تم تفجير شحنة مدفونة في تربة مشبعة. وتُظهر البيانات المستمدة من كل مصفوفة من المصفوفات الشعاعية الأربع، والتي تشترك جميعها في قضيب هوبكنسون للضغط مركزي، جبهة صدمة واضحة جداً، مع تناقص الضغط ببطء مع المسافة الشعاعية.

ثم تم تمرير سجلات تاريخ الضغط المسجلة عبر روتين الاستيفاء ثنائي الأبعاد. ويظهر الضغط المستوفى المؤثر على اللوحة المستهدفة تأخيراً قدره 20 millisecond في وصول جبهة الصدمة. جبهة الصدمة هي الوقت الذي تستغرقه موجة الصدمة لقطع المسافة بين الشحنة واللوحة المستهدفة.

تظهر الطبيعة غير المتماثلة للتحميل بوضوح خاص عند 0.22 ميلي ثانية. وبحلول 0.3 ميلي ثانية بعد التفجير، أصبحت جبهة الصدمة متماثلة تقريبًا على طول جميع المحاور. وبمجرد تشغيل الجهاز، يمكن إجراء ما يصل إلى ستة اختبارات في الهواء الطلق يوميًا.

ينخفض هذا العدد بشكل كبير عند استخدام اختبار الشحنات المدفونة نظراً للتعقيد الإضافي في تحضير التربة. وهذه هي المرة الأولى التي تكون فيها مثل هذه القياسات عالية الدقة ممكنة. ونتيجة لذلك، أصبحنا قادرين الآن على قياس الفرق في شكل التحميل الناتج عن التباينات في هندسة الاختبار.

يوفر الروتين العددي الذي تم تطويره وسيلة قوية للغاية لتصور التحميل ومن ثم تطبيق هذا التحميل مباشرة في النماذج العددية ليكون بمثابة خطوة أولى في نمذجة استجابة الهياكل للانفجارات المتفجرة. وقد وفرت البيانات الناتجة عن الاختبار الحالي بيانات تحقق فريدة لتعزيز الجيل القادم من النماذج العددية، مما يحسن فهمنا للمشكلة وقدرتنا على حماية أنفسنا من الانفجارات المتفجرة.