Explosion Quantification Utilisation des barres de pression Hopkinson

L’objectif global de cette expérience est de mesurer avec précision la distribution spatiale et temporelle de la pression dans l’environnement extrêmement agressif généré à proximité d’une charge explosive. Cette méthode peut aider à répondre aux questions clés dans le domaine de l’ingénierie de la protection contre les explosions, telles que la forme exacte de la charge transmise et la façon dont des facteurs tels que le type et la forme de l’explosif influencent la charge transmise. Le principal avantage de cette technique est qu’elle nous permet d’enregistrer des pressions qui dépassent les limites des approches de mesure traditionnelles.

Bien que cette méthode puisse fournir des informations sur les explosions à air libre, elle peut également être appliquée à d’autres événements, tels que les charges enterrées ou sous-marines. Nous avons d’abord testé l’idée de cette méthode en utilisant une seule barre de pression Hopkinson, et nous nous sommes vite rendu compte qu’un grand réseau était nécessaire pour capturer avec précision les données. Pour commencer, calculez l’impulsion maximale approximative que l’agencement du cadre d’essai générera à l’aide d’une analyse logicielle, comme avec ConWep.

Pour les charges enterrées, ce processus est moins simple, car il nécessite des techniques numériques plus avancées pour modéliser l’interaction entre le sol, les explosifs et la plaque cible. Des détails sur la production du cadre d’essai et des capteurs de pesage sont fournis dans le protocole texte. Choisissez la position sur les barres de pression Hopkinson où la jauge de contrainte sera positionnée, en étant aussi proche que possible de la face chargée pour minimiser la dispersion.

Dans cette configuration, l’épaisseur de la plaque cible et la maniabilité requise pour monter les barres font que les jauges sont installées à 250 millimètres de la face chargée. Le rayon de la barre calculé nécessaire pour capturer l’événement est dans ce cas de cinq millimètres. Utilisez la résolution spatiale la plus étroite pour les barres qui ne compromet pas l’intégrité structurelle.

Dans ce cas, la distance est de 25 millimètres. De plus amples détails sont fournis dans le protocole texte. Pour commencer, à l’aide de cyanoacrylate, fixez la jauge de contrainte à semi-conducteur aux barres de pression Hopkinson, puis aux cellules de charge.

Si nécessaire, montez la plaque cible sur le cadre de réaction rigide à l’aide des cellules de charge. Assurez-vous que tout le câblage est bien mis à la terre pour une meilleure qualité du signal. Le câblage doit également être suffisamment long pour être connecté à un oscilloscope en dehors de la zone de souffle.

Tout fil blindé doit transporter suffisamment de signal. Maintenant, accrochez les barres de pression Hopkinson au récepteur d’assemblage de barres. Passez l’extrémité chargée dans le bon trou de la plaque cible et suspendez librement les barres de pression Hopkinson à l’écrou vissé sur leurs extrémités distales.

À l’aide d’un niveau, ajustez les écrous pour positionner les barres verticalement et mettre leurs faces au niveau de la plaque cible. Maintenant, utilisez des essais et des erreurs pour régler le trim sur la résistance variable dans le circuit de conditionnement afin de maintenir la tension dans les limites de l’oscilloscope. Mettez à zéro la lecture de déséquilibre sur chaque canal telle qu’elle est signalée par les boîtiers d’amplification.

Ensuite, connectez la sortie de jauge amplifiée à un oscilloscope numérique approprié. Configurez l’oscilloscope sur une fréquence d’échantillonnage de 1,56 mégahertz avec une durée d’enregistrement de 28,7 millisecondes et réglez la durée de pré-déclenchement sur 3,3 millisecondes. 22 jauges au total doivent être connectées, 17 à partir de barres de pression Hopkinson, quatre à partir de cellules de charge et un fil de rupture.

Enregistrez la tension et le temps de chaque jauge. Réglez l’enregistrement pour qu’il se déclenche lorsque la tension dans le fil de rupture dépasse une valeur hors fenêtre, telle que plus ou moins 100 millivolts. Dans le cas d’un test de charge d’air libre, utilisez une fine bande de bois pour suspendre la charge sous la plaque cible à l’entre-temps correct, dans ce cas 200 millimètres.

Positionnez la charge coaxialement avec le réseau de mesure pour garantir des lectures valides. L’élément critique de l’essai de charge enterrée réside dans la préparation du lit de sol et le processus d’enfouissement. La précision est nécessaire pour garantir l’obtention de résultats reproductibles.

Ensuite, fermez la plage. Déployez des sentinelles pour vous assurer que la portée est dégagée pendant le tir. Maintenant, juste avant de tirer une charge d’air libre, attachez le fil de rupture au détonateur et insérez un détonateur électrique à mi-chemin dans la charge à partir de la base.

Maintenant, déplacez-vous vers le point de tir et confirmez que l’instrumentation est opérationnelle. Ensuite, alimentez le fil de rupture. Maintenant, assurez-vous de vérifier auprès des sentinelles qu’il est sécuritaire de procéder au tir.

Ensuite, lancez les explosifs. Après la détonation, sécurisez la zone de test et téléchargez et sauvegardez les données. Alors qu’un protocole est en cours d’écriture pour décrire les étapes requises à cette étape, un script Matlab développé est également mis à disposition pour permettre le traitement des données rapidement en utilisant la méthodologie exacte.

Importez les données des fichiers de données brutes dans Matlab en double-cliquant sur le nom du fichier, puis en cliquant sur Terminer dans l’assistant d’importation. Ensuite, ouvrez le script d’interpolation Matlab. Dans la section de maillage du code, définissez une grille régulière sur laquelle l’interpolation s’exécutera en modifiant le maillage.

Utilisez la même résolution dans toute modélisation numérique future. Cette étape cruciale transforme les données discrètes en une carte 2D. Le script décalera dans le temps toutes les traces de pression de la barre de pression Hopkinson.

Le décalage temporel est nécessaire pour permettre à la routine d’interpolation de localiser avec succès le front de choc à un moment donné. Maintenant, alignez les données de chaque réseau radial de sorte que toutes les pressions maximales soient synchronisées. Ensuite, calculez le rayon, r, et l’angle, bêta, pour un point d’intérêt donné sur la grille.

Appliquez l’interpolation 1D aux deux réseaux de barres de pression Hopkinson les plus proches du point d’intérêt du rayon actuel. Par exemple, à 45 degrés, l’interpolation utiliserait les tableaux X, X et Y, Y. Maintenant, interpolez la linéarité entre les deux pressions en fonction de l’angle.

Par exemple, à 45 degrés, utilisez 50 % X, X et 50 % Y, Y.Ensuite, décalez dans le temps l’historique du temps de pression pour chaque emplacement en fonction de l’interpolation cubique de l’heure d’arrivée du choc. En fin de compte, le résultat est un historique temporel de pression entièrement interpolé. Un cadre de réaction effectivement rigide capable de résister à plusieurs centaines de Newton-secondes avec une déflexion minimale a été conçu à l’aide d’une plaque cible en acier doux de 100 millimètres.

Ce cadre a résisté à des tests allant jusqu’à 500 Newton-secondes. Un seul test a été réalisé avec 17 barres de pression Hopkinson configurées dans un réseau 2D utilisant des barres de 3,25 mètres de long avec des rayons de cinq millimètres. L’espacement a été fixé à 25 millimètres.

Pour cet essai, la jauge de contrainte a été fixée à 0,25 mètre de la taille chargée. Une charge enfouie dans un sol saturé a explosé. Les données de chacun des quatre réseaux radiaux avec une barre de pression centrale d’Hopkinson commune à tous les graphiques montrent le front de choc très clair, la pression décroissant lentement avec la distance radiale.

Les historiques de temps de pression enregistrés ont ensuite été exécutés à l’aide de la routine d’interpolation 2D. La pression interpolée agissant sur la plaque cible montre un retard de 20 millisecondes dans l’arrivée du front de choc. Le front de choc est le temps nécessaire à l’onde de choc pour couvrir la distance entre la charge et la plaque cible.

La nature asymétrique de la charge est particulièrement évidente à 0,22 milliseconde. 0,3 milliseconde après la détonation, le front de choc était presque symétrique le long de tous les axes. Une fois l’appareil mis en service, il est possible d’effectuer jusqu’à six tests à l’air libre par jour.

Ce nombre est considérablement réduit lors d’un test utilisant des charges enterrées en raison de la complexité supplémentaire de la préparation du sol. C’est la première fois qu’il est possible d’effectuer des mesures à une telle résolution. Par conséquent, nous sommes maintenant en mesure de mesurer la différence de forme de la charge causée par les variations de la géométrie de l’essai.

La routine numérique développée offre un moyen très puissant de visualiser la charge puis d’appliquer cette charge directement dans les modèles numériques pour servir de première étape dans la modélisation de la réponse des structures aux détonations explosives. Les données produites à partir de l’essai actuel ont fourni des données de validation uniques pour améliorer la prochaine génération de modèles numériques, améliorant ainsi notre compréhension du problème et notre capacité à nous protéger contre les explosions explosives.