Explosión Cuantificación Utilizando listones de presión de Hopkinson

Summary

Este protocolo detalla el uso de las barras de presión Hopkinson para medir la carga de explosión reflejada de eventos explosivos de campo cercano. Es capaz de interpolar una historia de presión-tiempo en cualquier punto de un límite reflectante y, como tal, puede utilizarse para caracterizar completamente las variaciones espaciales y temporales de la carga producida.

Abstract

De campo cercano medición de la carga explosiva presenta un problema para muchos tipos de sensores, ya que deben soportar ambientes muy agresivos y ser capaz de medir presiones de hasta varios cientos de megapascales. En este sentido, la simplicidad de la barra de presión de Hopkinson tiene una gran ventaja en que, si bien al final de medición de la barra de Hopkinson puede aguantar y se expone a condiciones duras, el indicador de tensión montado en la barra puede ser colocada a cierta distancia. Esto permite que las carcasas protectoras para ser utilizados que proteger el medidor de deformación, pero no interfiere con la adquisición de medición. El uso de una matriz de barras de presión permite que los historiales de tiempo de presión en puntos conocidos discretos a medir. En este artículo también describe la rutina de interpolación utilizado para derivar las historias de tiempo de presión en los lugares de la ONU-instrumentado en el plano de interés. Actualmente la técnica se ha utilizado para medir la carga de explosivos de gran potencia en el aire libre y enterrados superficialmente en distintos tipos de suelo.

Introduction

La caracterización de la salida de cargas explosivas tiene muchos beneficios, tanto militares (defensa contra enterrado artefactos explosivos improvisados ​​en zonas de conflicto actuales) y civiles (el diseño de componentes estructurales). En los últimos tiempos este tema ha sido objeto de considerable atención. Gran parte del conocimiento adquirido ha dirigido a la cuantificación de la salida de cargos para permitir el diseño de estructuras de protección más eficaces. El principal problema aquí es que si las mediciones realizadas no son de alta fidelidad a continuación, los mecanismos de transferencia de carga en estos eventos explosivos siguen sin estar claros. Esto a su vez conduce a problemas de validación de modelos numéricos que dependen de estas medidas para la validación.

El término de campo cercano se utiliza para describir explosiones con distancias a escala, Z, menos de ~ 1 m / kg ^1/3, donde Z = R / W ^1/3, R es la distancia desde el centro del explosivo, y W se expresa la masa de la cargacomo una masa equivalente de TNT. En este régimen de la carga se caracteriza típicamente por extremadamente alta magnitud, temporal cargas no uniformes altamente espacial y. Instrumentos robustos, por lo tanto se requiere para medir las presiones extremas asociadas con la carga de campo cercano. A distancias en escala Z <0,4 m / kg ^1/3, mediciones directas de los parámetros hornos son inexistentes o muy pocos ¹ y los datos predictivos semi-empíricos para esta gama se basa casi por completo en estudios paramétricos. Esto implica el uso de las predicciones semi-empíricas dadas por Kingery y Bulmash ^2, que está fuera del alcance previsto del autor. Mientras que las herramientas basadas en estas predicciones ^3,4 permiten excelentes estimaciones de primer orden de carga que no captan plenamente la mecánica de los eventos de campo cercano, que son el foco de la investigación actual.

Mediciones de campo próximo hornos tienen en los últimos tiempos se centró en la cuantificación de la output de cargas enterradas. Las metodologías empleadas varían de evaluar la deformación causada a un objetivo estructural ^5-7 para la medición directa de impulso mundial ^8-13. Estos métodos proporcionan información valiosa para la validación de diseños de protectores del sistema, pero no son capaces de investigar a fondo los mecanismos de transferencia de carga. Se pueden realizar pruebas tanto a escala de laboratorio (1/10 escala completa), o por lo cerca de la escala completa (> 1/4), con razones prácticas como el control de profundidad de enterramiento o asegurando que no forma inherente del frente de choque se genera por la uso de detonadores en lugar de cargas desnudos ^14. Con cargas enterradas las condiciones del suelo tienen que ser muy controlado para garantizar la repetibilidad de la prueba ^15.

Independiente de la si la carga se coloca en el aire libre o está enterrado, el problema más fundamental en la medición de la explosión resultante es asegurar la validez de las mediciones realizadas por el deplo instrumentaciónyed. En el aparato de prueba diseñada ¹⁶ una placa de destino 'rígida' fijo se utiliza para proteger las barras de presión de Hopkinson ¹⁷ (HPBs), mientras que al mismo tiempo asegurar que los extremos de las barras sólo pueden registrar las presiones plenamente reflejadas. Los autores han demostrado previamente que la medición de la presión reflejada desde un objetivo rígido es más preciso y repetible de incidente, o mediciones 'de campo libre' ^18-20. La geometría de esta placa es tal que cualquier alivio de la presión generada en la limpieza o el flujo alrededor del borde ²¹ de destino sería insignificante. Este nuevo aparato de prueba se ha construido a escala 1/4. En este control estricto escala sobre las condiciones de enterramiento y los explosivos se puede asegurar, con el tamaño de la carga a gran escala de 5 kg reducido para 78 g, a una profundidad de enterramiento de 25 mm.

Protocol

1. Marco de Reacción rígido

1. Determinar la distancia en escala a la que se llevará a cabo utilizando la Ecuación 1, donde R es la distancia desde el centro del explosivo pruebas, y W es la carga expresada en masa como una masa equivalente de TNT.
   Z = R / W ^1/3 (1)
2. Calcula impulso máximo aproximado esta disposición generará a través de la modelización numérica (ver Apéndice A) o herramientas específicas, tales como ConWep ^3.
   Nota: El uso de ConWep ³ sólo es válida para el chorro de aire libre, si se requiere una estimación de las presiones generadas a partir de cargas enterradas se requiere la elaboración de modelos numéricos más avanzados.
3. Compruebe la carga estimada a partir de la modelización no generará desplazamientos en el plano de más de 0,5 mm en la placa del objetivo.
4. Aumentar la carga calculada en un factor de 10 para tener en cuenta las inexactitudes en el modelado y para añadir flexibilidad para futuras TESting.
5. Diseñar un marco rígido de reacción para poder resistir la carga máxima calculada ^16. En un departamento de ingeniería, realizar estos cálculos en casa; de lo contrario buscar los servicios de un ingeniero estructural.
   1. Adquirir los marcos rígidos de reacción, contratar a un contratista especializado para fabricar e instalar los marcos de los diseños del ingeniero estructural.
6. Procurar placa objetivo, contratar un especialista en la fabricación en acero.
   Tenga en cuenta que necesitará la placa para ser montado en células de carga (si se utiliza) y que tendrá que ser perforado a través de la placa antes de montar los agujeros para los HPBs (diseñados en la sección 3).

Figura 1. Esquema del marco de ensayo. (A) Disposición general, (B) Plan de placa diana, (C) vista de primer plano de la placa del objetivo. Tbares de presión que se cuelgan de Hopkinson el receptor conjunto de la barra para que se sientan a ras de la cara de la placa de destino. Esto permite que la presión se refleja plenamente actúa sobre la placa de destino que desea grabar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Diseño de la célula 2. Cargar

1. Adquirir o fabricar células de carga (si se utiliza). Estos pueden ser off-the-shelf universales (compresión / tracción) modelos del frasco de galga extensométrica o incorporado en la empresa utilizando secciones de pared gruesa tubería de acero al carbono soldada a las placas con medidores de tensión colocados en una formación de puentes de Wheatstone montaje como se muestra en la figura 2.
2. Si las células de carga se han fabricado en la empresa, enviarlos a un contratista externo para la calibración.

Figura 2. Diagrama de la. (A) en elevación lateral, (B) en alzado de extremo de la casa fabricado células de carga. El cilindro de color gris oscuro es un tubo de acero de pared gruesa qué cepas bajo carga. Esta cepa se registra utilizando un único medidor de tensión que no hay rotación se experimenta durante la carga. A partir de la calibración de la celda de carga la tensión puede estar relacionado de nuevo a la tensión aplicada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Diseño Hopkinson bar Presión

1. Determinar la duración de la grabación, , Requerido para capturar la carga completa de la explosión. La duración mínima requerida es el tiempo empleado en el modelo numérico (sección 1.2) para la presión de volver a cero, después de que el pico de presión inicial. Aquí, el uso de 1,2 mseg.
2. Decide en el material de elección para los HPBs. Esto afecta a la velocidad de la onda elástica, , En la barra que viene dada por dónde es el módulo de Young y es la densidad. Para la medición de una descarga de alta presión, utilizar materiales rígidos como el acero; donde como si se espera que un choque más débil, el uso de materiales menos rígidos, tales como una aleación de magnesio o incluso de nylon.
3. Elegir la posición en la HPB que el medidor de tensión se posicionará, siendo lo más cerca posible a la cara cargada de la HPB para minimizar la dispersión. En la puesta a punto actual el espesor de la placa del objetivo y la maniobrabilidad requerida para adaptarse a las barras en su sitio significa que los indicadores sólo podían ser instalados 250 mm de la cara cargado.
4. Calcular la HPlongitud B requiere el uso de , dónde es la distancia desde la cara cargada de la HPB con el medidor de tensión y (3,25 m).
5. Determinar radio de HPB se requiere un ancho de banda suficiente para capturar el evento mediante: kHz, donde es el radio HPB en mm ^22,23 (5 mm).
6. Decidir sobre la resolución espacial necesaria para capturar la distribución de presión a través de la placa. Esto es generalmente lo más cerca posible mientras se mantiene la integridad estructural de la placa diana. En el presente trabajo, utilizar 25 mm.
7. Haga agujeros en la placa del objetivo para montar los HPBs (esto puede ser parte del proceso de fabricación). Se requiere un ajuste estrecho without HPBs los que están en contacto con la placa. Aquí, utilizar 0,5 tolerancia mm con 17 orificios siendo perforados en forma de cruz (Figura 1b).
8. Adquirir los HPBs (17), asegurándose de que los extremos distales roscados para permitir la suspensión en el receptor conjunto de barra (Figura 3A).

4. Configuración Experimental y Adquisición de Datos

Nota: Con el marco de reacción, la placa de destino, las células de carga y HPBs diseñadas y fabricadas, el montaje puede comenzar como se muestra en la Figura 1, y diseñado en la sección de protocolo 1.

1. Calibres de esfuerzo de semiconductores para HPBs (Figura 3B) y células de carga utilizando cianoacrilato, teniendo cuidado de asegurar la continuidad de tierra a través de todo el cableado. Un ejemplo del puente de Wheatstone utilizado para los HPBs se muestra en la Figura 3C.
   1. Verificar todos los cables de tierra están unidos para garantizar la continuidad de la tierra. aparatos de ensayo bien conectado a tierra mejorarácalidad de la señal particular.
2. Asegúrese de cableado es suficientemente largo para asegurarse de que el osciloscopio se puede situar en una zona libre de explosión (cableado blindado debe ser utilizado que tiene suficiente ancho de banda de la señal).
3. Montar la placa del objetivo a la estructura rígida de reacción, usando las células de carga opcional si está presente (Figura 1C).
4. Cuelgue HBPs del receptor conjunto de la barra, pasando el extremo cargado a través del orificio correcto en la placa del objetivo. Colgar las HPBs libremente de una tuerca roscada sobre el extremo distal roscado de la HPB.
5. Asegurar las barras son verticales utilizando un nivel de burbuja (ajustando el receptor en consecuencia).
6. Comprobar las caras de los HPBs están al nivel de la placa del objetivo, el ajuste de la tuerca en consecuencia.
7. Establecer el recorte de la resistencia variable en el circuito de acondicionamiento (Figura 3C) para mantener la tensión dentro de los límites del osciloscopio durante la prueba. Para ello, a través de ensayo y error, con el objetivo de establecer el fuera de equilibrio para cada canalcomo se ve en la lectura digital en las cajas de amplificador a cero.
8. Conectar la salida de calibre amplificada a un osciloscopio digital adecuado. Configurar para tener una frecuencia de muestreo (1.56 MHz), duración de la grabación (28,7 ms) con una duración de disparo previo de 3,3 ms.
   1. Ajustar la grabación para disparar cuando la tensión en el canal de rotura de hilo (que a su vez está conectado en el osciloscopio) excede un "fuera de la ventana '. voltaje de registro para cada medidor conectado (22 en total, 17 HPBs, 4 células de carga y la rotura de hilo) y el tiempo.

Figura 3. (A) Diagrama de un HPB encajado en la placa del objetivo, la sección (B) a través de HPB en la ubicación de calibre, (C) circuito de puente de Wheatstone ejemplo. Dos medidores de tensión se utilizan en el puente de Wheatstone y de manera que la flexión de la barra de Hopkinson es Cancelled a cabo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. Preparación de explosivo

1. Decidir sobre la masa carga explosiva y stand-off para ser usado en las pruebas (100 g de PE4 a 75 mm).
2. Decidir si los cargos son para detonar en el aire libre o dentro de otro medio (suelo, agua, etc.). Para el aire libre a prueba una forma esférica de carga se utiliza normalmente mientras que con los cargos enterrados el estándar es de 3: 1 cilindro en cuclillas ^24,25.
3. Para las pruebas de aire libre:
   1. Suspender la carga por debajo de la placa del objetivo en el callejón sin salida correcta (75 mm). Lograr esto con una tira de madera delgada o mediante la colocación de la carga en una hoja de polietileno.
   2. Coloque la carga coaxialmente con la disposición de medición para garantizar lecturas válidas.
   3. Para las pruebas de aire libre utilizan un detonador eléctrico, con el detonador de ser colocado a mitad de camino enla carga de la base. Para ello, en el último momento antes de disparar y cuando el rango ya se ha hecho segura.
4. Para las pruebas enterradas:
   1. Fabricar un recipiente adecuado para el medio. Para los suelos, la prueba actual utiliza contenedores de 1/4 escala ^23.
   2. Decidir sobre el tipo de suelo para ser utilizado y las condiciones geotécnicas: contenido de humedad y la densidad seca del suelo, véase la referencia ¹⁵ para más detalles..
   3. Decidir sobre la profundidad de enterramiento de utilizar en el ensayo. Se trata por lo general de 100 mm en una prueba a gran escala, ya que las pruebas actuales se realizan a escala ¼ esto significa una profundidad de enterramiento de 25 mm.
   4. Mezclar el suelo a fondo usando un mezclador de construcción de tamaño adecuado para conseguir el contenido de humedad objetivo. Para las arenas del tiempo de mezclado requerida es de 10 min.
      1. Comprobar el contenido de humedad de la mezcla mediante la eliminación de una pequeña cantidad y se pesa para calcular la masa total, . Secola tierra removida y volver a pesar para calcular la masa de agua, . contenidos de humedad geotécnicos se especifican en términos de contenido de humedad gravimétrica, .
      2. Si el contenido de humedad está dentro de la tolerancia continuar, de lo contrario remezclar el suelo. Una tolerancia de ± 0,05-0,1% se ha logrado en el trabajo actual.
   5. Pesar el envase vacío del suelo y calcular el volumen para permitir el cálculo de la densidad del suelo una vez completa (paso 5.4.7).
   6. Compactar el suelo en capas, lo suficientemente delgada como para garantizar la densidad objetivo, asegurando que la masa de suelo entra en el recipiente es conocida. Para Leighton Buzzard Sand ¹⁵ esto se hace en dos capas.
   7. Una vez que el contenedor está lleno, comprobar que la densidad de la tierra en el interior es en la tolerancia (± 0,2%). La densidad seca de destino en todas las pruebas con Leighton Buzzard arena fue de 1,6Mg / ^m3. Calcular la densidad seca, utilizando , Donde ρ _d es la densidad en seco, M es la masa total de suelo añadido al recipiente, V es el volumen del recipiente del suelo y w es el contenido de humedad.
   8. Excavar un pequeño agujero ≈50 mm para permitir la carga que se coloca con la superficie superior a la profundidad de enterramiento correcta (25 mm).
   9. Colocar un detonador no eléctrica en la base de la carga, y excavar un canal adecuado en el lado del recipiente para asegurar la superficie superior del recipiente es ininterrumpida una vez que se sustituye el suelo.
   10. Coloque la carga y el detonador en el agujero excavado, el control de la profundidad de enterramiento es correcta. Volver llenar el agujero con el material excavado.

6. secuencia de cocción

Nota: hay una pequeña cantidad de superposición con la sección 5 del protocolo debido a la nature de la prueba. La secuencia de disparo deberán reducirse al mínimo los riesgos y sólo debe ser realizada por personal adecuadamente entrenado.

1. Para las pruebas de aire libre:
   1. Organizar el apoyo de carga por debajo de la placa del objetivo en el callejón sin salida correcta (75 mm).
   2. Cierre la gama. Implementar centinelas para garantizar campo está libre durante la cocción.
   3. Coloque la carga sobre el soporte coaxial a la instrumentación. Unir el cable de descanso para el detonador, y colocar el detonador en el cargo.
2. Para las pruebas enterradas:
   1. Coloque contenedor suelo de modo que la carga se coloca co-axial a la matriz HPB.
   2. Cierre la gama. Implementar centinelas para garantizar campo está libre durante la cocción.
   3. Conectar el cable de ruptura, lo que garantiza que se envuelve alrededor de la periferia de la carga (esto le da un tiempo más repetible de la detonación de las cargas enterradas).
3. Mover a punto de disparar y confirmar la instrumentación está en marcha.
4. Suministrar energía a la rotura de hilo. Consulte con centinelases seguro para proceder a la cocción.
5. Iniciar explosivos. Hacer que el área de estudio seguro.
6. Descarga y copia de seguridad de datos.
7. Vuelva a abrir rango de prueba.

7. interpolación numérica para una matriz 1D HPB

1. Importar los datos de los archivos de datos en bruto en Matlab.
2. Tiempo de desplazamiento de todos los datos en la dirección radial de modo que la presión de pico para cada barra llega al mismo tiempo que la presión pico de la barra central utilizando la Ecuación 2 (Figura 4B).
   (2)
3. Interpolar la presión a cualquier distancia radial de la Figura 4B.
4. Representar gráficamente los tiempos de llegada ( ) Que se utiliza para alinear los picos de presión y ajustar una ecuación cúbica a través de los datos (Figura 4C).
5. Tiempo de desplazamiento de los datos interpolados para adaptarse a los tiempos de llegada, génerosting un frente de choque continuo (Figura 4D).
6. Repita este procedimiento para cada conjunto individual de datos de prueba.

Figura 4. La secuencia de interpolación para la matriz 1D HPB. (A) Los datos originales, (B) de datos en diferido, (C) los tiempos de llegada de choque frontal, y (D) los datos de tiempo de presión interpolado final de ^16. La naturaleza discreta de los tiempos registrados presión se puede ver claramente en (A) con la existencia de continuidad entre los picos de presión en cada uno de los cinco lugares de calibre. Cuando se alinean por la presión pico como en (B) la interpolación de presión a cualquier distancia radial (suponiendo la misma hora de llegada) es posible. Guardando el desplazamiento en el tiempo requerido para alinear los picos de presión de la hora de llegada del frente de choque se puede calcular como shpropia en (C). Esto permite a la hora de llegada y el historial de tiempo de presión para calcular para cualquier distancia radial sea interpolación de la presión de (B) y el tiempo de (C) dando la presión interpolado final como se ve en (D). Haga clic aquí para ver una más grande versión de esta figura.

8. interpolación numérica para una matriz 2D HPB

Nota: El código se utiliza para ejecutar la interpolación en Matlab se ha proporcionado junto con un archivo de resultados de ejemplo que se hace referencia en esta sección.

1. Importar los datos de los archivos de datos en bruto en Matlab. Por ejemplo, los datos de prueba, haga doble clic en el archivo test_data.mat y, a continuación, haga clic en "Finalizar" en el Asistente de importación.
2. Abra la secuencia de comandos de Matlab interpolation2d.m.
3. Definir una cuadrícula regular sobre las que la interpolacióndirigido por el cambio de la malla. Asegurarse de que esta es la misma resolución que la malla de cualquier futura ^26,27 modelización numérica. Esto se establece en la sección del código de los datos '% de malla.
4. Ejecutar el script de Matlab interpolation2d.m. Tenga en cuenta los siguientes pasos se implementan en el código y se enumeran aquí para mayor claridad.
   1. Time-Shift todos los rastros de presión HPB por (Ecuación 2). Los datos originales se muestra para mm en la Figura 5B, con el mismo desplazado en el tiempo en la Figura 5C de datos.
      Nota: Se requiere que el desplazamiento en el tiempo para permitir que la rutina de interpolación para localizar con éxito el frente de choque en un momento dado. Esto implica esencialmente la alineación de los datos para cada matriz radial por lo que todas las presiones máximas se alinean.
   2. Calcular el radio, Y ang le, para un punto de interés determinado en la parrilla, como se muestra en la Figura 5A.
   3. Aplicar la interpolación 1D para los dos conjuntos de HPB más próximos al punto de interés para el radio actual (para la interpolación usaría el y arrays).
   4. Interpolar linealmente entre las 2 presiones sobre la base de (De nuevo para una la ponderación sería 50% de la y 50% de la 12eq30.jpg "/> array presiones calculadas).
   5. Calcular la carga instantánea multiplicando la presión interpolada por el espaciado de la malla (área) para dar la carga.
   6. Multiplicar la carga por el paso de tiempo de la toma de muestras para obtener el impulso instantánea.
   7. Repita este procedimiento para todos los lugares y tiempos (sumando los impulsos instantánea para dar el impulso total).
   8. Time-Shift la evolución temporal de presión para cada localización basado en la interpolación cúbica de la hora de llegada de choque (Figura 5D).

Figura 5. secuencia de interpolación para la matriz 2D HPB. Convenciones de signo (A) de segunda mano, (B) de datos original mm, (C) de datos en diferido412 / 53412eq36.jpg "/> mm, y los tiempos de llegada (D) para cada dirección radial ^16. Para una matriz 2D de barras de la evolución temporal de presión en cualquier punto depende tanto de la distancia radial y qué cuadrante el lugar de interés se encuentra . Si la explosión fuera perfectamente simétrica entonces las presiones en (B) se forman líneas verticales como se muestra en (C). en (B) se puede ver que el frente de choque es llega a la ubicación 50 mm en eje primero.
Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Results

Un marco de reacción efectiva rígida debe ser proporcionada. En la prueba de la corriente de un impulso impartido total de varios cientos de Newton-segundos necesita ser resistido con una desviación mínima. Una ilustración de la trama de reacción rígida utilizada se da en la Figura 1. En cada cuadro de una placa de acero de 50 mm aceptora se ha echado en la base de las vigas transversales. Mientras que no se requiere de forma explícita, esto permite una fácil fijación de...

Discussion

Utilizando el protocolo descrito anteriormente, los autores han demostrado que es posible obtener mediciones de alta fidelidad de la carga altamente variando de una carga explosiva, utilizando una matriz de barras de presión de Hopkinson. El uso de la rutina de interpolación esbozó las historias de tiempo de presión discretos se puede transformar en un frente de choque continua que se puede utilizar directamente como la función de carga en el modelado numérico o como datos de validación para la salida de tales modelos. ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Célula de carga	RDP	RSL0960	Esto es solo indicativo, la célula de carga exacta debe ser capaz de resolver la carga requerida
Placa objetivo de acero / HPB	Garratts		Fabricado bajo pedido
Galga extensométrica	Kyowa	KSP-2-120-E4	Para usar con HPB de acero
Cianoacrilato	Kyowa	CC-33-A	Consultar con el fabricante en función del material a utilizar
Osciloscopio digital	TiePie	HS4 Visores de mano de 16 bits	6 utilizados en paralelo en las pruebas de corriente
Leighton Arena de buitre Arenas	de Garside Garside	14/25	Arena de sílice uniforme