Explosion Quantifizierung Mit Hopkinson Pressure Bars

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die räumliche und zeitliche Verteilung des Drucks in der extrem aggressiven Umgebung, die in der Nähe einer Sprengladung erzeugt wird, genau zu messen. Diese Methode kann helfen, die zentralen Fragen im Bereich der Sprengschutztechnik zu beantworten, wie z.B. die genaue Form der übertragenen Last und wie Faktoren wie Sprengstoffart und -form die übertragene Last beeinflussen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie es uns ermöglicht, Drücke aufzuzeichnen, die über die Grenzen herkömmlicher Messansätze hinausgehen.

Obwohl diese Methode Einblicke in Explosionen in der freien Luft geben kann, kann sie auch auf andere Ereignisse angewendet werden, wie z. B. vergrabene oder Unterwasserladungen. Wir haben die Idee für diese Methode zunächst mit einem einzigen Hopkinson-Druckbalken getestet und bald festgestellt, dass ein großes Array erforderlich ist, um die Daten genau zu erfassen. Berechnen Sie zunächst den ungefähren maximalen Impuls, den die Testrahmenanordnung mit Hilfe einer Softwareanalyse, z. B. mit ConWep, erzeugen wird.

Bei vergrabenen Ladungen ist dieser Prozess weniger einfach, da er fortschrittlichere numerische Techniken erfordert, um die Wechselwirkung zwischen dem Boden, dem Sprengstoff und der Zielplatte zu modellieren. Details zur Herstellung des Prüfrahmens und der Wägezellen sind jeweils im Textprotokoll enthalten. Wählen Sie die Position auf den Hopkinson-Druckstangen, an der der Dehnungsmessstreifen positioniert werden soll, und zwar so nah wie möglich an der belasteten Fläche, um die Dispersion zu minimieren.

In diesem Setup führen die Dicke der Zielplatte und die Manövrierfähigkeit, die für die Montage der Stangen erforderlich ist, dazu, dass die Messgeräte 250 Millimeter von der belasteten Fläche entfernt installiert werden. Der berechnete Balkenradius, der zum Erfassen des Ereignisses erforderlich ist, beträgt in diesem Fall fünf Millimeter. Verwenden Sie die engste räumliche Auflösung für die Stäbe, die die strukturelle Integrität nicht beeinträchtigt.

In diesem Fall beträgt der Abstand 25 Millimeter. Weitere Einzelheiten finden Sie im Textprotokoll. Befestigen Sie zunächst mit Cyanacrylat einen Halbleiter-Dehnungsmessstreifen an den Hopkinson-Druckstangen und dann an den Wägezellen.

Montieren Sie die Zielplatte bei Bedarf mit den Wägezellen an den starren Reaktionsrahmen. Stellen Sie sicher, dass die gesamte Verkabelung gut geerdet ist, um die Signalqualität zu verbessern. Die Verkabelung muss außerdem lang genug sein, um an ein Oszilloskop außerhalb des Strahlbereichs angeschlossen werden zu können.

Jeder abgeschirmte Draht sollte genügend Signal führen. Hängen Sie nun Hopkinson-Druckstangen an den Empfänger der Stangenbaugruppe. Führen Sie das belastete Ende durch das richtige Loch in der Zielplatte und hängen Sie die Hopkinson-Druckstangen frei an die Mutter, die an ihre distalen Enden geschraubt ist.

Passen Sie die Muttern mit einer Wasserwaage so an, dass die Stangen vertikal positioniert sind und ihre Flächen auf einer Höhe mit der Zielplatte sind. Verwenden Sie nun Versuch und Irrtum, um die Trimmung am variablen Widerstand in der Konditionierungsschaltung einzustellen, um die Spannung innerhalb der Grenzen des Oszilloskops zu halten. Nullen Sie den Unwuchtwert auf jedem Kanal, wie er von den Verstärkerboxen gemeldet wird.

Verbinden Sie als Nächstes den verstärkten Messgeräteausgang mit einem geeigneten digitalen Oszilloskop. Konfigurieren Sie das Oszilloskop auf eine Abtastfrequenz von 1,56 Megahertz mit einer Aufzeichnungsdauer von 28,7 Millisekunden und stellen Sie die Pre-Trigger-Dauer auf 3,3 Millisekunden ein. Insgesamt sollten 22 Messgeräte angeschlossen werden, 17 von Hopkinson-Druckstangen, vier von Wägezellen und der eine Bruchdraht.

Notieren Sie die Spannung und die Zeit von jedem Messgerät. Stellen Sie die Aufzeichnung so ein, dass sie ausgelöst wird, wenn die Spannung im Trenndraht einen Wert außerhalb des Fensters überschreitet, z. B. plus oder minus 100 Millivolt. Bei einem Test der freien Luftladung wird die Ladung mit einem dünnen Holzstreifen unterhalb der Zieltafel im richtigen Abstand, in diesem Fall 200 Millimeter, aufgehängt.

Positionieren Sie die Ladung koaxial mit dem Messarray, um gültige Messwerte zu gewährleisten. Das kritische Element bei der Prüfung der Erdaufladung liegt in der Vorbereitung des Bodenbettes und dem Vergrabungsprozess. Präzision ist erforderlich, um sicherzustellen, dass wiederholbare Ergebnisse erzielt werden.

Schließen Sie als Nächstes den Bereich. Setze Wachposten ein, um sicherzustellen, dass die Reichweite während des Feuers frei ist. Befestigen Sie nun, kurz vor dem Abfeuern einer freien Luftladung, den Trenndraht am Zünder und führen Sie einen elektrischen Zünder auf halbem Weg von der Basis in die Ladung ein.

Gehen Sie nun zum Zündpunkt und vergewissern Sie sich, dass die Instrumentierung funktionsfähig ist. Versorgen Sie dann den Trenndraht mit Strom. Vergewissert euch nun bei den Wachposten, dass es sicher ist, mit dem Schießen fortzufahren.

Zünde dann den Sprengstoff an. Machen Sie nach der Detonation das Testgelände sicher und laden Sie die Daten herunter und sichern Sie sie. Während ein Protokoll geschrieben wird, das die in dieser Phase erforderlichen Schritte beschreibt, wird auch ein entwickeltes Matlab-Skript zur Verfügung gestellt, um die Datenverarbeitung schnell und mit der genauen Methodik durchführen zu können.

Importieren Sie die Daten aus den Rohdatendateien in Matlab, indem Sie auf den Dateinamen doppelklicken und dann im Import-Assistenten auf Fertig stellen klicken. Öffnen Sie als Nächstes das Interpolations-Matlab-Skript. Definieren Sie im Vernetzungsabschnitt des Codes ein reguläres Raster, über das die Interpolation ausgeführt wird, indem Sie das Netz ändern.

Verwenden Sie die gleiche Auflösung in jeder zukünftigen numerischen Modellierung. Dieser entscheidende Schritt wandelt die diskreten Daten in eine 2D-Karte um. Das Skript verschiebt alle Druckspuren des Hopkinson-Druckbalkens zeitversetzt.

Die Zeitverschiebung ist erforderlich, damit die Interpolationsroutine die Stoßfront zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgreich lokalisieren kann. Richten Sie nun die Daten aus jedem radialen Array so aus, dass alle maximalen Drücke synchronisiert werden. Berechnen Sie als Nächstes den Radius r und den Winkel beta für einen bestimmten Point of Interest im Raster.

Wenden Sie die 1D-Interpolation auf die beiden Hopkinson-Druckbalken-Arrays an, die dem Point of Interest des aktuellen Radius am nächsten liegen. Bei einem Winkel von 45 Grad werden für die Interpolation beispielsweise die Arrays X, X und Y, Y verwendet. Interpolieren Sie nun die Linearität zwischen den beiden Drücken basierend auf dem Winkel.

Verwenden Sie z. B. bei 45 Grad 50 % X, X und 50 % Y, Y. Dann verschieben Sie den Druckzeitverlauf für jede Position basierend auf der kubischen Interpolation der Ankunftszeit des Schocks. Letztendlich ist das Ergebnis eine vollständig interpolierte Druck-Zeit-Historie. Ein effektiv steifer Reaktionsrahmen, der mehreren hundert Newtonsekunden bei minimaler Durchbiegung standhalten kann, wurde unter Verwendung einer 100 Millimeter großen Zielplatte aus Baustahl konzipiert.

Dieser Rahmen hielt Tests bis zu 500 Newtonsekunden stand. Ein einzelner Test wurde mit 17 Hopkinson-Druckstäben durchgeführt, die in einem 2D-Array mit 3,25 Meter langen Stäben mit einem Radius von fünf Millimetern konfiguriert waren. Der Abstand wurde auf 25 Millimeter eingestellt.

Für diesen Test wurde der Dehnungsmessstreifen 0,25 Meter von der belasteten Fläche entfernt angebracht. Eine Ladung, die in gesättigter Erde vergraben war, wurde gezündet. Die Daten von jedem der vier radialen Arrays mit einem zentralen Hopkinson-Druckbalken, der allen Diagrammen gemeinsam ist, zeigen eine sehr klare Schockfront, bei der der Druck mit dem radialen Abstand langsam abnimmt.

Die aufgezeichneten Druckzeitverläufe wurden dann durch die 2D-Interpolationsroutine geführt. Der interpolierte Druck, der auf die Zielplatte wirkt, zeigt eine Verzögerung von 20 Millisekunden beim Eintreffen der Stoßfront. Die Stoßfront ist die Zeit, die die Stoßwelle benötigt, um die Strecke zwischen der Ladung und der Zielplatte zurückzulegen.

Besonders deutlich wird die asymmetrische Natur der Belastung bei 0,22 Millisekunden. 0,3 Millisekunden nach der Detonation war die Schockfront in allen Achsen nahezu symmetrisch. Nach Inbetriebnahme des Gerätes können bis zu sechs Freilufttests pro Tag durchgeführt werden.

Diese Zahl wird bei einem Test mit vergrabenen Ladungen aufgrund der zusätzlichen Komplexität der Bodenvorbereitung stark reduziert. Dies ist das erste Mal, dass solch hochauflösende Messungen möglich sind. Dadurch sind wir nun in der Lage, den Unterschied in der Form der Belastung zu messen, der durch Variationen in der Testgeometrie verursacht wird.

Die entwickelte numerische Routine bietet eine sehr leistungsfähige Möglichkeit, die Belastung zu visualisieren und diese Belastung dann direkt in numerischen Modellen anzuwenden, um als erster Schritt bei der Modellierung der Reaktion von Strukturen auf explosive Detonationen zu dienen. Die aus dem aktuellen Test gewonnenen Daten haben einzigartige Validierungsdaten geliefert, um die nächste Generation numerischer Modelle zu verbessern und unser Verständnis des Problems und unsere Fähigkeit, uns vor Sprengungen zu schützen, zu verbessern.