Name: 高炉利用定量霍普金森杆 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 41 s
Description: 了解如何利用定量霍普金森杆测量近场爆炸反射冲击载荷，该方法可在任意反射边界点插值压力-时间历程，全面表征载荷变化，适用于自由空气、埋置及水下等多种爆炸场景。

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作者感谢国防科学技术实验室对本发表工作的资助。

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

作者采用上述方案已证明，利用一组霍普金森压杆阵列，可对炸药装药产生的剧烈变化载荷进行高保真测量。通过使用所述插值程序，可将离散的压力-时间历程转换为连续的冲击波阵面，该结果可直接用作数值模拟中的载荷函数，或作为此类模型输出结果的验证数据。
使用埋置电荷时，必须检查第5节方案中所述的土壤容器制备方法，以确保提供足够的压实能量以达到目标密度。如果未达到目标密度，则应降低每层填土的厚度，以提高压实效果。根据以往研究发现，均质土壤类型比级配良好的土壤能提供更具重复性的试验数据15。对于完全饱和状态下的土壤试验，其制备方法也略有不同，具体如作者先前的研究所述15。
在以往的研究中16,29,30已表明，对于所有含炸药装药的试验，近场试验中起爆装置的位置对于获得可重复且无信号噪声的试验结果至关重要。因此，应始终将起爆装置置于装药的底部（即距离靶板最远的一端），以确保起爆组件产生的任何碎片不会在主激波前沿到达之前撞击到霍普金森压杆（HPBs）。
<p class="j...

表征炸药装药的输出特性具有诸多益处，无论是在军事领域（例如在当前冲突地区防御地下简易爆炸装置）还是民用领域（例如设计结构部件）。近年来，这一课题受到了广泛关注。所积累的大量知识旨在量化炸药装药的输出，从而为设计更有效的防护结构提供依据。主要问题在于，如果测量结果不够精确，则这些爆炸事件中载荷传递机制仍不明确。这反过来会导致难以验证依赖这些测量数据进行验证的数值模型。
“近场”一词用于描述比例距离 Z 小于约 1 m/kg1/3 的爆炸，其中 Z = R/W1/3，R 为从炸药中心起算的距离，W 为以等效 TNT 质量表示的装药质量。在此范围内，载荷通常具有极高的幅值，并在空间和时间上呈现高度非均匀性。因此，需要坚固的仪器来测量与近场载荷相关的极端压力。在比例距离 Z &#60; 0.4 m/kg1/3 时，对爆炸参数的直接测量要么不存在，要么极为稀少1，而针对该范围的半经验预测数据几乎完全基于参数化研究。这包括采用 Kingery 和 Bulmash2 提出的半经验预测方法，但该方法不在本文作者的研究范围之内。尽管基于这些预测的工具3,4 能够对载荷进行优良的一阶估算，但它们未能充分捕捉近场事件的力学机制，而后者正是本研究的重点。
近年来，近场爆炸测量主要集中在量化埋置炸药的输出。所采用的方法包括评估结构目标产生的变形5-7，以及直接测量整体冲量8-13。这些方法为防护系统设计的验证提供了有价值的信息，但无法全面研究载荷传递的力学机制。测试可在实验室尺度（全尺寸的1/10）或接近全尺寸（&#62; 1/4）下进行，出于实际考虑，例如控制埋深，或通过使用雷管而非裸露炸药以避免产生固有的冲击波前形状14。对于埋置炸药，土壤条件需要高度受控，以确保测试的可重复性15。
无论炸药是在自由空气中引爆还是被掩埋，测量爆炸效应时最根本的问题在于确保所用仪器获取的数据有效。在设计的试验装置16中，采用一块固定的“刚性”靶板来保护霍普金森压杆17（HPBs），同时确保压杆端部仅能记录完全反射的压力。作者此前已证明，相对于入射波或“自由场”测量18-20，通过刚性靶板测量反射压力更为准确且可重复性更高。该靶板的几何结构设计使得靶板边缘因泄压或流体绕流21产生的压力释放可忽略不计。该新型试验装置按1/4比例构建。在此比例下，可精确控制埋设条件和炸药参数，将全尺寸5 kg的炸药按比例缩小至78 g，埋深为25 mm。

<table><tbody><tr><td>负荷传感器</td><td>RDP</td><td>RSL0960</td><td>仅作参考，确切的负荷传感器应能够分辨所需的加载量</td></tr><tr><td>钢制靶板 / HPBs</td><td>Garratts&amp;nbsp;</td><td></td><td>按订单定制</td></tr><tr><td>应变片</td><td>Kyowa</td><td>KSP-2-120-E4</td><td>用于钢制HPBs</td></tr><tr><td>氰基丙烯酸酯胶</td><td>Kyowa</td><td>CC-33-A</td><td>需根据所用蒙皮材料向制造商确认</td></tr><tr><td>数字示波器</td><td>TiePie</td><td>HS4 16位Handyscopes&amp;nbsp;</td><td>当前测试中并行使用6台</td></tr><tr><td>莱顿巴扎德砂</td><td>Garside sands</td><td>Garside 14/25</td><td>均质二氧化硅砂&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

使用霍普金森压杆进行爆炸载荷量化

Blast Quantification Using Hopkinson Pressure Bars

近场爆炸载荷测量对多种传感器而言是一个挑战，因为传感器必须能够承受极为恶劣的环境，并能测量高达数百兆帕的压力。在这方面，霍普金森压杆结构简单，具有显著优势：尽管压杆的测量端可直接承受并暴露于严酷条件中，但安装在压杆上的应变片可以固定在距离测量端一定距离的位置。这使得可以使用保护性外壳来保护应变片，同时又不影响测量数据的采集。采用压杆阵列可测量平面上若干离散已知位置处的压力-时间历程。本文还描述了用于推导该关注平面上未布设传感器位置处压力-时间历程的插值方法。目前，该技术已用于测量高能炸药在自由空气中以及在不同土壤中浅层埋设时产生的载荷。

必须提供一个具有足够刚度的反力架。在当前的测试中，需要抵抗数百牛顿·秒的总输入冲量，同时确保反力架的变形极小。图1展示了所使用的刚性反力架示意图。每个反力架的横梁底部均预埋了一块50 mm厚的钢制“接收”板。尽管该设计并非强制要求，但它便于安装测力传感器/靶板，并对混凝土梁端面提供额外保护。目前已实现的最小比例距离为0.15 m/kg1/3。
当前框架已测试至500 Ns，柱截面为500 mm的正方形，横跨柱顶的梁深750 mm、宽500 mm，如图1A所示。设计中的关键构件是靶板，其为100 mm厚的低碳钢，据估算，在75 mm standoff条件下抵抗100 g球形自由空气爆炸时，靶板变形量约为0.3 mm（使用LS-DYNA28程序中的load_blast4功能进行计算）。框架的施工由专业的混凝土承包商完成，承包...

本方案详细介绍了使用霍普金森压杆测量近场爆炸事件在反射边界上产生的反射爆轰载荷的方法。该技术能够在反射边界上的任意位置插值得到压力-时间历程，因此可用于全面表征载荷在空间和时间上的变化特性。

近场爆炸载荷测量对多种传感器类型构成挑战，因为这些传感器必须能够承受极端恶劣的环境，并能测量压力……

本实验的总体目标是精确测量靠近炸药装药附近极端恶劣环境中压力的空间和时间分布。该方法有助于回答爆炸防护工程领域中的关键问题，例如施加载荷的精确形式，以及炸药类型和形状等因素如何影响施加载荷。该技术的主要优势在于，能够记录超出传统测量方法极限的压力值。尽管该方法可为自由空气爆炸提供研究依据，但也适用于其他事件，例如埋地或水下爆炸。我们最初采用单个霍普金森压杆对该方法的构想进行了试验，随后意识到需要一个大型阵列才能准确获取数据。首先，使用软件分析（例如 ConWep）计算测试框架布置将产生的近似最大冲量。对于埋置炸药的情况，该过程较为复杂，因为它需要更先进的数值技术来模拟土壤、炸药与靶板之间的相互作用。试验框架和载荷传感器的制作细节分别在文本方案中提供。选择应变片在霍普金森压杆上的粘贴位置，应尽可能靠近加载面，以最小化波的弥散。在此装置中，由于靶板的厚度以及安装杆件所需的灵活性，导致传感器安装位置距离受载面 250 毫米。为捕捉该事件所需的计算杆件半径在此情况下为 5 毫米。应采用尽可能高的空间分辨率布置杆件，同时确保不损害其结构完整性。在此情况下，距离为 25 毫米。更多细节详见文本方案。首先，使用氰基丙烯酸盐将半导体应变片粘附到霍普金森压杆上，然后再粘附到载荷传感器上。如有需要，使用载荷传感器将目标板安装到刚性反应架上。确保所有电缆均良好接地，以提高信号质量。此外，线缆长度必须足以连接到爆炸区域外的示波器。任何屏蔽线都应能传输足够的信号。现在，将霍普金森压杆悬挂在杆组件接收器上。将加载端穿过靶板上的正确孔位，并将霍普金森压杆通过拧在其远端的螺母自由悬挂。使用水平仪调节螺母，使杆件垂直，并使其表面与目标板齐平。现在通过反复试验调节调理电路中可变电阻器的微调，使电压保持在示波器的量程范围内。将放大器箱报告的每个通道的不平衡读数调零。接下来，将放大后的测量仪输出信号连接至合适的数字示波器。将示波器设置为 1.56 megahertz 的采样频率，记录时长为 28.7 millisecond，并将触发前时长设为 3.3 millisecond。总共应连接 22 个测量仪，其中 17 个来自霍普金森压杆，4 个来自载荷传感器，以及 1 个断丝信号。记录每个传感器的电压和时间。当断路导线中的电压超出设定的窗口值（例如正负100毫伏）时，启动记录。在进行自由空气炸药测试时，使用一根细木条将炸药悬挂在靶板下方，保持正确的 standoff 距离，本例中为200毫米。将炸药与测量阵列同轴放置，以确保获得有效的读数。埋装炸药试验的关键在于土床的制备和埋设过程，需要精确操作以确保结果具有可重复性。接下来，关闭射击区域。部署哨兵以确保射击期间射界安全。现在，在起爆自由空气装药前，将断路导线连接到雷管上，并从装药底部将电雷管插入至一半位置。现在，前往发射点并确认仪器设备正常运行。然后，为断路导线供电。此时，务必与警戒人员确认发射操作环境安全，方可进行发射。然后，启动炸药。爆炸后，确保测试区域安全，并下载和备份数据。目前，一方面正在编写描述该阶段所需步骤的实验方案，另一方面也正在提供一个成熟的 Matlab 脚本，以便使用精确的方法快速进行数据处理。通过双击文件名，然后在导入向导中点击“完成”，将原始数据文件中的数据导入 Matlab。接着，打开插值 Matlab 脚本。在代码的网格化部分，通过修改网格来定义插值运算所使用的规则网格。在未来的任何数值模拟中使用相同的分辨率。这一关键步骤将离散数据转换为二维图谱。该脚本将对所有霍普金森压杆压力曲线进行时间平移。需要进行时间偏移，以便插值程序能够在任意给定时间成功定位激波前沿。接下来，对每个径向阵列的数据进行对齐，使所有最大压力值同步。然后，计算网格上某一感兴趣点的半径 r 和角度 beta。对当前半径感兴趣点最近的两个霍普金森压杆阵列应用一维插值。例如，在45度时，插值将使用X、X和Y、Y阵列。然后，根据角度对两个压力之间的线性关系进行插值。例如，在45度时，使用50%X、X和50%Y、Y。然后，基于冲击到达时间的三次插值，对每个位置的压力时间历程进行时间偏移。最终得到一个完全插值后的压力时间历程。设计了一个能够承受数百牛顿·秒冲击载荷且变形极小的有效刚性反力架，该反力架采用一块100毫米的低碳钢靶板制成。该框架经受住了高达500牛顿·秒的测试。单次测试使用了17个霍普金森压杆，以二维阵列方式布置，压杆长度为3.25米，半径为5毫米，间距设置为25毫米。进行此项测试时，应变计安装在距加载面0.25米处。埋置于饱和土壤中的炸药被引爆。来自四个径向阵列的数据均以居中的霍普金森压杆为共同参考，图中清晰显示了冲击波前，且压力随径向距离增加而缓慢衰减。记录的压力时间历程随后通过二维插值程序进行处理。作用在靶板上的插值压力显示，冲击波波前到达靶板的时间延迟了20毫秒。冲击波波前是指冲击波从炸药传播到靶板所需的时间。在 0.22 毫秒时，加载的非对称性尤为明显。爆炸后 0.3 毫秒时，激波前沿在所有轴向上几乎已呈对称分布。装置调试完成后，每天最多可进行六次自由空气试验。由于制备土壤的复杂性增加，使用埋入式装药进行测试时，该数量大大减少。这是首次实现如此高分辨率的测量。因此，我们现在能够测量因测试几何形状变化而导致的加载形式差异。所开发的数值方法为可视化载荷并将其直接应用于数值模型提供了极为强大的手段，可作为模拟结构对爆炸 detonation 响应的第一步。本次试验产生的数据提供了独特的验证依据，有助于改进下一代数值模型，加深我们对该问题的理解，并提升我们抵御爆炸冲击的能力。

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高炉利用定量霍普金森杆

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使用霍普金森压杆进行爆炸载荷量化

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