Explosión Cuantificación Utilizando listones de presión de Hopkinson
5 de julio de 2016
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.
El objetivo general de este experimento consiste en 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 preguntas clave en el campo de la ingeniería de protección contra explosiones, como la forma exacta de la carga transmitida y cómo factores tales como el tipo y la forma del explosivo influyen en la carga transmitida. La principal ventaja de esta técnica es que nos permite registrar presiones que superan los límites de los enfoques tradicionales de medición.
Aunque este método puede proporcionar información sobre explosiones en aire libre, también puede aplicarse a otros eventos, como cargas enterradas o bajo el agua. Primero probamos la idea de este método utilizando una sola barra de presión de Hopkinson y pronto nos dimos cuenta de que se necesita una matriz grande para capturar con precisión los datos. Para comenzar, calcule el impulso máximo aproximado que generará la configuración del marco de prueba mediante análisis por software, como con ConWep.
Para 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. En el protocolo del texto se proporcionan detalles sobre la fabricación del marco de prueba y las celdas de carga. Elija la posición en las barras de presión de Hopkinson donde se colocará el extensómetro, lo más cerca posible de la cara cargada para minimizar la dispersión.
En este montaje, el espesor de la placa objetivo y la maniobrabilidad necesaria para ajustar las barras hace que los medidores se instalen a 250 milímetros de la cara cargada. El radio de barra calculado necesario para capturar el evento es en este caso de cinco milímetros. Utilice la resolución espacial más estrecha posible para las barras sin comprometer la integridad estructural.
En este caso, la distancia es de 25 milímetros. Se proporcionan más detalles en el protocolo del texto. Para comenzar, utilizando cianoacrilato, fije el galgas extensométricas semiconductoras a las barras de presión de Hopkinson y luego a las celdas de carga.
Coloque la placa objetivo en el marco de reacción rígido utilizando las celdas de carga si es necesario. Asegúrese de que todos los cables estén bien conectados a tierra para mejorar la calidad de la señal. Además, el cableado debe ser lo suficientemente largo como para conectarlo a un osciloscopio fuera del área de explosión.
Cualquier cable blindado debería transportar suficiente señal. Ahora, cuelgue las barras de presión de Hopkinson del receptor del ensamblaje de barras. Pase el extremo cargado a través del orificio correcto en la placa objetivo y cuelgue las barras de presión de Hopkinson libremente del tornillo roscado en sus extremos distales.
Utilizando un nivel, ajuste las tuercas para colocar las barras verticalmente y para que sus caras queden alineadas con la placa objetivo. Ahora, mediante prueba y error, ajuste el potenciómetro 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 indicado por las cajas amplificadoras.
A continuación, conecte la salida amplificada del medidor a un osciloscopio digital adecuado. Configure el osciloscopio con una frecuencia de muestreo de 1,56 megahercios y una duración de grabación de 28,7 milisegundos, y establezca la duración previa al disparo en 3,3 milisegundos. Se deben conectar un total de 22 medidores: 17 de barras de presión Hopkinson, cuatro de celdas de carga y uno del cable de ruptura.
Registre el voltaje y el tiempo de cada medidor. Configure el registro para que se active cuando el voltaje en el cable de ruptura supere un valor fuera de la ventana, como más o menos 100 milivoltios. En el caso de una prueba de carga en aire libre, utilice una tira delgada de madera para suspender la carga debajo de la placa objetivo a la distancia correcta, en este caso 200 milímetros.
Coloque la carga coaxialmente con la matriz de medición para garantizar lecturas válidas. El elemento crítico en la prueba de carga enterrada radica en la preparación del lecho de suelo y en el proceso de enterramiento. Se requiere precisión para asegurar que se obtengan resultados repetibles.
A continuación, cierre el área de tiro. Despliegue centinelas para asegurar que el área esté despejada durante el disparo. Ahora, justo antes de disparar una carga al aire libre, conecte el cable de ruptura al detonador e inserte un detonador eléctrico hasta la mitad dentro de la carga, desde la base.
Ahora, diríjase 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 proceder con el disparo.
Luego, inicie los explosivos. Tras la detonación, asegure el área de prueba y descargue y respalde los datos. Mientras se redacta 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 brutos a Matlab haciendo doble clic en el nombre del archivo y luego haga clic en Finalizar en el Asistente para importación. A continuación, abra el script de interpolación de Matlab. En la sección de mallado del código, defina una cuadrícula regular sobre la cual se realizará la interpolación modificando la malla.
Utilice la misma resolución en cualquier modelado numérico futuro. Este paso crucial transforma los datos discretos en un mapa 2D. El script desplazará en el tiempo todas las trazas de presión de la barra de presión de Hopkinson.
El desplazamiento temporal es necesario para permitir que la rutina de interpolación localice con éxito el frente de choque en cualquier momento dado. A continuación, alinee los datos de cada arreglo radial de modo que todas las presiones máximas estén sincronizadas. Luego, calcule el radio, r, y el ángulo, beta, para un punto de interés determinado en la cuadrícula.
Aplique la interpolación 1D a las dos matrices de barras de presión de Hopkinson más cercanas al punto de interés del radio actual. Por ejemplo, a 45 grados, la interpolación utilizaría las matrices X, X e Y, Y. Ahora, interpole la linealidad entre las dos presiones en función del ángulo.
Por ejemplo, a 45 grados, utilice 50 %X, X y 50 %Y, Y. Luego, desplace en el tiempo el historial de presión en función del tiempo para cada ubicación según la interpolación cúbica del tiempo de llegada del choque. En última instancia, el resultado es un historial de presión en función del tiempo completamente interpolado. Se concibió un marco de reacción efectivamente rígido, capaz de resistir varios cientos de newton-segundos con mínima deflexión, utilizando una placa objetivo de acero suave de 100 milímetros.
Este marco resistió pruebas de hasta 500 newton-segundos. Se realizó una única prueba con 17 barras de presión de Hopkinson configuradas en una matriz 2D, utilizando barras de 3,25 metros de longitud y radios de cinco milímetros. La separación se estableció en 25 milímetros.
Para esta prueba, el extensómetro se colocó a 0,25 metros de la cara cargada. Se detonó una carga enterrada en suelo saturado. Los datos de cada una de las cuatro matrices radiales con una barra de presión de Hopkinson central común a todos los gráficos muestran un frente de choque muy claro, con una presión que decae lentamente con la distancia radial.
Los historiales registrados de presión en función del tiempo se procesaron posteriormente mediante 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 recorrer la distancia entre la carga y la placa objetivo.
La naturaleza asimétrica de la carga es especialmente clara a los 0,22 milisegundos. A los 0,3 milisegundos tras la detonación, el frente de choque era casi simétrico a lo largo de todos los ejes. Una vez que el aparato está puesto en funcionamiento, se pueden realizar hasta seis pruebas en aire libre por día.
Este número se reduce considerablemente con una prueba que utiliza cargas enterradas debido a la complejidad adicional de preparar el suelo. Es la primera vez que son posibles mediciones de tan alta resolución. Como resultado, ahora podemos medir la diferencia en la forma de la carga causada por variaciones en la geometría de la prueba.
La rutina numérica desarrollada ofrece una forma muy eficaz de visualizar la carga y luego aplicar directamente esta carga en modelos numéricos para actuar como un primer paso en la modelización de la respuesta de estructuras a detonaciones explosivas. Los datos obtenidos del ensayo actual han proporcionado datos únicos de validación para mejorar la próxima generación de modelos numéricos, aumentando nuestra comprensión del problema y nuestra capacidad para protegernos contra explosiones.
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Resumen
Este protocolo describe el uso de barras de presión de Hopkinson para medir la carga de onda reflejada procedente de eventos explosivos cercanos. Es capaz de interpolar un historial de presión en función del tiempo en cualquier punto de un límite reflectante, lo que permite una caracterización completa de las variaciones de la carga.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ingeniería de protección contra explosiones
- Técnicas de medición de presión
- Análisis de eventos explosivos
Antecedentes
- El experimento tiene como objetivo medir la distribución de presión en entornos agresivos cercanos a cargas explosivas.
- Este método aborda preguntas clave sobre la naturaleza de las cargas transmitidas por explosiones.
- Mejora los enfoques tradicionales de medición al capturar valores extremos de presión.
- Aplicable a diversos escenarios explosivos, incluyendo cargas en aire libre, enterradas y bajo el agua.
Objetivo del estudio
- Medir con precisión las distribuciones espaciales y temporales de presión generadas por eventos explosivos.
- Comprender cómo el tipo y la forma del explosivo influyen en la carga transmitida.
- Mejorar las técnicas de captura de datos para el análisis de cargas de explosión.
Métodos Utilizados
- Uso de barras de presión de Hopkinson para la medición de presión.
- Análisis mediante software para calcular el impulso máximo generado por configuraciones del marco de prueba.
- Implementación de una gran matriz de barras de presión para una recopilación de datos exhaustiva.
- Aplicación del método a diversos escenarios explosivos.
Resultados principales
- Grabación exitosa de presiones más allá de los límites tradicionales de medición.
- Conocimientos obtenidos sobre la naturaleza de las cargas impuestas por diferentes tipos de explosivos.
- Efectividad demostrada del método en diversos contextos explosivos.
- Validación de la necesidad de una gran matriz de barras de presión para una captura precisa de datos.
Conclusiones
- El método proporciona un medio confiable para medir las características de carga de la onda expansiva.
- Mejora la comprensión de las interacciones explosivas y sus efectos.
- Las aplicaciones futuras podrían extenderse a otras áreas de la ingeniería de protección contra explosiones.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método permite la medición de alta resolución de las distribuciones de presión de explosión en entornos extremos, lo que apoya la modelización predictiva de las respuestas estructurales a cargas explosivas. Al registrar datos espaciales y temporales de presión más allá de los límites tradicionales de los sensores, proporciona datos esenciales de validación para simulaciones numéricas utilizadas en ingeniería de defensa y seguridad. La técnica mejora la comprensión mecanicista de las interacciones entre ondas de choque y materiales, aportando información para la evaluación de riesgos y la validación de diseños en escenarios de alta consecuencia.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar las vías de estrés mecánico bajo condiciones de carga extrema relevantes para estudios de mecanobiología.
- Valor operativo: Proporciona una plataforma robusta para aplicar estímulos mecánicos controlados y de gran magnitud a sistemas biológicos.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera perfiles cuantitativos de presión resueltos temporalmente que pueden correlacionarse con umbrales de respuesta celular en ensayos mecanosensibles.
- Valor operativo: Facilita la estandarización de los parámetros de entrada mecánica en experimentos replicados para mejorar la reproducibilidad.
Investigación Translacional y Preclínica
- Valor científico: Facilita la evaluación preclínica de modelos de lesiones por explosión al generar perfiles de sobrepresión reproducibles y definidos espacialmente.
- Valor operativo: Permite pruebas escalables de contramedidas o intervenciones protectoras bajo condiciones controladas de explosión.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se integra en el continuo de descubrimiento al proporcionar entradas biomecánicas que informan sobre la interacción con el blanco bajo estrés, apoyan el desarrollo de ensayos para las vías de mecanotransducción y permiten la validación preclínica de los mecanismos de lesión.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre cómo las fuerzas mecánicas extremas influyen en las vías de señalización y en las decisiones celulares sobre el destino celular.
- Selección: Proporciona estímulos mecánicos reproducibles y cuantificables para la selección de compuestos que modulan las respuestas celulares a la presión o al estiramiento.
- Análisis: Genera historiales de presión-tiempo de alta fidelidad y mapas espaciales que sirven como entradas objetivas para la modelización computacional de las respuestas biológicas.
- Investigación Traducional: Conecta hallazgos in vitro con modelos preclínicos al proporcionar perfiles estandarizados de carga por explosión relevantes para estudios de lesión cerebral traumática o lesión pulmonar.
- Reutilización Empresarial: Establece una capacidad reutilizable para generar entornos mecánicos extremos en múltiples proyectos de investigación en neurotrauma, pulmonar o músculo-esquelética.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva en los modelos de vías mecanosensibles al proporcionar condiciones de carga validadas empíricamente.
- Valor operativo: Asegura la reproducibilidad y la fidelidad espacial de las entradas mecánicas entre laboratorios y campañas de pruebas.
- Valor estratégico: Reduce el riesgo biológico en programas traslacionales al permitir la validación temprana de candidatos terapéuticos bajo condiciones de estrés relevantes.
- Impacto en la cartera: Orienta las decisiones de continuar o descartar al aclarar los vínculos mecanicistas entre la exposición a explosiones y los resultados patológicos.
Consideraciones de Implementación
- Se requiere experiencia en mecánica experimental, instrumentación con galgas extensométricas y adquisición de datos de alta velocidad.
- Es necesario tener acceso a instalaciones de mecanizado, osciloscopios con tasas de muestreo en MHz y circuitos de acondicionamiento de señales.
- La estandarización del alineamiento de barras, la colocación de las galgas y los protocolos de disparo entre los equipos garantiza la comparabilidad de los datos.
- La adaptación a sistemas biológicos requiere interfaces biocompatibles y el aislamiento de las muestras frente a los restos de la explosión, manteniendo al mismo tiempo la fidelidad en la transmisión de la presión.
- Las limitaciones prácticas incluyen la necesidad de zonas de explosión controladas, protocolos de seguridad y experiencia en el procesamiento posterior de datos mediante herramientas como MATLAB para la interpolación.
