Explosión Cuantificación Utilizando listones de presión de Hopkinson

El objetivo general de este experimento es medir con precisión la distribución espacial y temporal de la presión en el entorno extremadamente agresivo generado cerca de una carga explosiva. Este método puede ayudar a responder las preguntas clave en el campo de la ingeniería de protección contra explosiones, como la forma exacta de la carga impartida y cómo factores como el tipo y la forma del explosivo influyen en la carga impartida. La principal ventaja de esta técnica es que nos permite registrar presiones que están más allá de los límites de los enfoques de medición tradicionales.

Aunque este método puede proporcionar información sobre las explosiones en el aire libre, también se puede aplicar a otros eventos, como las cargas enterradas o submarinas. Primero probamos la idea de este método utilizando una sola barra de presión Hopkinson, y pronto nos dimos cuenta de que se necesita una gran matriz para capturar los datos con precisión. Para empezar, calcule el impulso máximo aproximado que generará la disposición de los marcos de prueba utilizando el análisis de software, como con ConWep.

En el caso de las cargas enterradas, este proceso es menos sencillo, ya que requiere técnicas numéricas más avanzadas para modelar la interacción entre el suelo, los explosivos y la placa objetivo. Los detalles sobre la producción del marco de prueba y las celdas de carga se proporcionan en el protocolo de texto. Elija la posición en las barras de presión Hopkinson en la que se colocará la galga extensométrica, estando lo más cerca posible de la cara cargada para minimizar la dispersión.

En esta configuración, el grosor de la placa objetivo y la maniobrabilidad requerida para colocar las barras dan como resultado que los medidores se instalen a 250 milímetros de la cara cargada. En este caso, el radio de barra calculado necesario para capturar el evento es de cinco milímetros. Utilice la resolución espacial más ajustada para las barras que no comprometa la integridad estructural.

En este caso, la distancia es de 25 milímetros. Se proporcionan más detalles en el protocolo de texto. Para empezar, utilizando cianocrilato, fije la galga extensométrica semiconductora a las barras de presión Hopkinson y, a continuación, a las células de carga.

Si es necesario, fije la placa objetivo al bastidor de reacción rígido utilizando las células de carga. Asegúrese de que todo el cableado esté bien conectado a tierra para mejorar la calidad de la señal. El cableado también debe ser lo suficientemente largo como para conectarse a un osciloscopio fuera del área de explosión.

Cualquier cable blindado debe transportar suficiente señal. Ahora, cuelgue las barras de presión Hopkinson del receptor del conjunto de barras. Pase el extremo cargado a través del orificio correcto en la placa objetivo y cuelgue las barras de presión Hopkinson libremente de la tuerca atornillada en sus extremos distales.

Usando un nivel, ajuste las tuercas para colocar las barras verticalmente y para que sus caras estén niveladas con la placa objetivo. Ahora, use prueba y error para configurar el ajuste en la resistencia variable en el circuito de acondicionamiento para mantener el voltaje dentro de los límites del osciloscopio. Ponga a cero la lectura de desequilibrio en cada canal según lo informado por las cajas de amplificación.

A continuación, conecte la salida de manómetro amplificada a un osciloscopio digital adecuado. Configure el osciloscopio a una frecuencia de muestreo de 1,56 megahercios con una duración de grabación de 28,7 milisegundos y establezca la duración previa al disparo en 3,3 milisegundos. Se deben conectar 22 manómetros en total, 17 de barras de presión Hopkinson, cuatro de celdas de carga y un cable de ruptura.

Registre el voltaje y el tiempo de cada medidor. Configure la grabación para que se active cuando el voltaje en el cable de corte exceda un valor de ventana de salida, como más o menos 100 milivoltios. En el caso de una prueba de carga de aire libre, use una tira delgada de madera para suspender la carga debajo de la placa objetivo en el punto de separación correcto, en este caso 200 milímetros.

Coloque la carga coaxialmente con el conjunto de mediciones para garantizar lecturas válidas. El elemento crítico en la prueba de carga enterrada está en la preparación del lecho del suelo y el proceso de enterramiento. Se requiere precisión para garantizar que se logren resultados repetibles.

A continuación, cierre el rango. Despliega centinelas para asegurarte de que el campo de tiro esté despejado durante el disparo. Ahora, justo antes de disparar una carga de aire libre, conecte el cable de ruptura al detonador e inserte un detonador eléctrico a mitad de camino en la carga desde la base.

Ahora, muévase al punto de disparo y confirme que la instrumentación está operativa. Luego, suministre energía al cable de ruptura. Ahora, asegúrese de verificar con los centinelas que es seguro continuar con el disparo.

Luego, inicia los explosivos. Después de la detonación, haga que el área de prueba sea segura y descargue y haga una copia de seguridad de los datos. Mientras se escribe un protocolo para describir los pasos necesarios en esta etapa, también se está poniendo a disposición un script de Matlab desarrollado para permitir que el procesamiento de datos se realice rápidamente utilizando la metodología exacta.

Importe los datos de los archivos de datos sin procesar a Matlab haciendo doble clic en el nombre del archivo y luego haciendo clic en Finalizar en el Asistente de importación. A continuación, abra el script Matlab de interpolación. En la sección de malla del código, defina una cuadrícula regular sobre la que se ejecutará la interpolación cambiando la malla.

Utilice la misma resolución en cualquier modelado numérico futuro. Este paso crucial transforma los datos discretos en un mapa 2D. El script cambiará en el tiempo todas las trazas de presión de la barra de presión de Hopkinson.

El desplazamiento de tiempo es necesario para permitir que la rutina de interpolación localice con éxito el frente de choque en un momento dado. Ahora, alinee los datos de cada matriz radial para que se sincronicen todas las presiones máximas. A continuación, calcule el radio, r, y el ángulo, beta, para un punto de interés determinado en la cuadrícula.

Aplique la interpolación 1D a los dos conjuntos de barras de presión de Hopkinson más cercanos al punto de interés del radio actual. Por ejemplo, a 45 grados, la interpolación utilizaría las matrices X, X e Y, Y. Ahora, interpola la linealidad entre las dos presiones en función del ángulo.

Por ejemplo, a 45 grados, use 50%X, X y 50%Y, Y.Luego, cambie el tiempo del historial de tiempo de presión para cada ubicación en función de la interpolación cúbica del tiempo de llegada del choque. En última instancia, el resultado es un historial de tiempo de presión totalmente interpolado. Se concibió un marco de reacción efectivamente rígido capaz de resistir varios cientos de Newton-segundos con una deflexión mínima utilizando una placa objetivo de acero dulce de 100 milímetros.

Este marco resistió pruebas de hasta 500 Newton-segundos. Se realizó una sola prueba con 17 barras de presión Hopkinson configuradas en una matriz 2D utilizando barras de 3,25 metros de largo con radios de cinco milímetros. El espaciado se estableció en 25 milímetros.

Para esta prueba, la galga extensométrica se colocó a 0,25 metros de la cara cargada. Una carga enterrada en el suelo saturado fue detonada. Los datos de cada uno de los cuatro conjuntos radiales con una barra de presión central de Hopkinson común a todos los gráficos muestran un frente de choque muy claro, con la presión disminuyendo lentamente con la distancia radial.

Los historiales de tiempo de presión registrados se ejecutaron a través de la rutina de interpolación 2D. La presión interpolada que actúa sobre la placa objetivo muestra un retraso de 20 milisegundos en la llegada del frente de choque. El frente de choque es el tiempo que tarda la onda de choque en cubrir la distancia entre la carga y la placa objetivo.

La naturaleza asimétrica de la carga es especialmente clara a 0,22 milisegundos. A los 0,3 milisegundos de la detonación, el frente de choque era casi simétrico a lo largo de todos los ejes. Una vez que se pone en marcha el aparato, se pueden realizar hasta seis pruebas de aire libre por día.

Este número se reduce en gran medida con una prueba que utiliza cargas enterradas debido a la complejidad añadida de la preparación del suelo. Esta es la primera vez que han sido posibles mediciones de tan alta resolución. Como resultado, ahora podemos medir la diferencia en la forma de la carga causada por las variaciones en la geometría de la prueba.

La rutina numérica desarrollada ofrece una forma muy poderosa de visualizar la carga y luego aplicar esta carga directamente en modelos numéricos para actuar como un primer paso en el modelado de la respuesta de las estructuras a las detonaciones explosivas. Los datos producidos a partir de la prueba actual han proporcionado datos de validación únicos para mejorar la próxima generación de modelos numéricos, mejorando nuestra comprensión del problema y nuestra capacidad para protegernos contra las explosiones explosivas.