Explosion Quantification Utilisation des barres de pression Hopkinson

L'objectif général de cette expérience est de mesurer avec précision la répartition spatiale et temporelle de la pression dans l'environnement extrêmement agressif généré à proximité d'une charge explosive. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine du génie de la protection contre les explosions, telles que la forme exacte de la charge transmise et la manière dont des facteurs comme le type et la forme de l'explosif influencent cette charge. 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 en milieu aérien libre, elle peut également être appliquée à d'autres événements, tels que des charges enterrées ou sous-marines. Nous avons d'abord testé l'idée de cette méthode à l'aide d'une seule barre de pression de Hopkinson et avons rapidement compris qu'un grand réseau était nécessaire pour capturer précisément les données. Pour commencer, calculez l'impulsion maximale approximative que l'agencement du dispositif d'essai générera, à l'aide d'une analyse logicielle, par exemple avec ConWep.

Pour les charges enterrées, ce processus est moins direct, car il nécessite des techniques numériques plus avancées afin de modéliser l'interaction entre le sol, les explosifs et la plaque cible. Les détails concernant la fabrication du cadre d'essai et des cellules de charge sont fournis dans le protocole textuel. Choisissez la position sur les barres de pression de Hopkinson où sera placée la jauge de déformation, en la situant aussi près que possible de la face chargée afin de minimiser la dispersion.

Dans ce dispositif, l'épaisseur de la plaque cible et la manœuvrabilité nécessaire pour installer les barres font que les jauges sont placées à 250 millimètres de la face chargée. Le rayon des barres calculé nécessaire pour capturer l'événement est dans ce cas de cinq millimètres. Utilisez la résolution spatiale la plus fine possible pour les barres, sans compromettre l'intégrité structurelle.

Dans ce cas, la distance est de 25 millimètres. Des détails supplémentaires sont fournis dans le protocole écrit. Pour commencer, utilisez du cyanoacrylate pour fixer la jauge de contrainte semi-conductrice aux barres de pression de Hopkinson, puis aux cellules de charge.

Fixer la plaque cible au cadre de réaction rigide à l'aide des cellules de charge si nécessaire. S'assurer que tous les câblages sont correctement mis à la terre pour améliorer la qualité du signal. Les câbles doivent également être suffisamment longs pour se connecter à un oscilloscope situé à l'extérieur de la zone d'explosion.

Tout câble blindé doit transporter un signal suffisant. Accrochez maintenant les barres de pression de Hopkinson au récepteur de l'assemblage de barres. Faites passer l'extrémité chargée par le trou approprié dans la plaque cible, puis suspendez les barres de pression de Hopkinson librement à l'écrou vissé sur leurs extrémités distales.

À l’aide d’un niveau, ajustez les écrous pour positionner les barres verticalement et aligner leurs faces avec la plaque cible. Utilisez ensuite la méthode des essais et erreurs pour régler le curseur du potentiomètre 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’indiquée par les boîtiers amplificateurs.

Ensuite, connectez la sortie du jauges 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 pré-déclenchement à 3,3 millisecondes. Un total de 22 jauges doit être connecté, dont 17 provenant de barres de pression Hopkinson, quatre provenant de cellules de charge, et un fil de rupture.

Enregistrez la tension et le temps à partir de chaque jauge. Réglez l'enregistrement pour qu'il se déclenche lorsque la tension dans le fil de rupture dépasse une valeur hors fenêtre, par exemple plus ou moins 100 millivolts. Dans le cas d'un essai avec charge en air libre, utilisez une fine bande de bois pour suspendre la charge sous la plaque cible à la distance correcte, ici 200 millimètres.

Positionnez la charge de manière coaxiale par rapport au réseau de mesure afin d'obtenir des relevés valides. L'élément critique du test de charge enterrée réside dans la préparation du lit de sol et dans le processus d'enfouissement. Une grande précision est nécessaire pour garantir l'obtention de résultats reproductibles.

Ensuite, fermez la zone. Déployez des sentinelles pour vous assurer que la zone est dégagée pendant le tir. Juste avant de tirer une charge à l'air libre, fixez le fil de rupture au détonateur et insérez un détonateur électrique à mi-hauteur dans la charge, par la base.

Maintenant, rendez-vous au point de tir et vérifiez que l'instrumentation est opérationnelle. Ensuite, alimentez le fil de coupure. Assurez-vous maintenant de consulter les sentinelles pour confirmer qu'il est sécuritaire de procéder au tir.

Ensuite, déclenchez les explosifs. Après la détonation, sécurisez la zone d'essai et téléchargez les données tout en en effectuant une sauvegarde. Alors qu'un protocole est en cours de rédaction pour décrire les étapes requises dans cette phase, un script Matlab développé est également mis à disposition afin de permettre le traitement des données de manière rapide en utilisant la méthodologie exacte.

Importez les données à partir 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 Matlab d'interpolation. Dans la section maillage du code, définissez une grille régulière sur laquelle s'effectuera l'interpolation en modifiant le maillage.

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

Le décalage temporel est nécessaire pour permettre à la routine d'interpolation de localiser correctement le front de choc à tout instant donné. Ensuite, alignez les données provenant de chaque réseau radial de manière à ce que toutes les pressions maximales soient synchronisées. Puis, calculez le rayon, r, et l'angle, beta, pour un point d'intérêt donné sur la grille.

Appliquez l'interpolation 1D aux deux réseaux de barres de pression de Hopkinson les plus proches du point d'intérêt du rayon actuel. Par exemple, à 45 degrés, l'interpolation utiliserait les réseaux X, X et Y, Y. Interpolez maintenant 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 temporellement l'historique de pression pour chaque emplacement en fonction d'une interpolation cubique du temps d'arrivée du choc. En définitive, le résultat est un historique temporel de pression entièrement interpolé. Un bâti 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 essais allant jusqu'à 500 newton-secondes. Un seul essai a été réalisé avec 17 barres de pression de Hopkinson configurées en un réseau 2D utilisant des barres de 3,25 mètres de longueur et de cinq millimètres de rayon. L'espacement a été fixé à 25 millimètres.

Pour ce test, la jauge de contrainte a été fixée à 0,25 mètre de la face chargée. Une charge enfouie dans un sol saturé a été détonée. Les données provenant des quatre réseaux radiaux, comportant un barreau de pression de Hopkinson central commun à tous les graphiques, montrent un front de choc très net, la pression décroissant lentement avec la distance radiale.

Les historiques enregistrés de la pression en fonction du temps ont ensuite été traités par 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 correspond au temps nécessaire à l'onde de choc pour parcourir la distance entre la charge et la plaque cible.

La nature asymétrique du chargement est particulièrement évidente à 0,22 milliseconde. À 0,3 milliseconde après la détonation, le front de choc était presque symétrique selon tous les axes. Une fois l'appareil mis en service, jusqu'à six essais en air libre par jour peuvent être réalisés.

Ce nombre est fortement réduit avec un essai utilisant des charges enterrées en raison de la complexité supplémentaire liée à la préparation du sol. Il s'agit de la première fois que des mesures d'une telle résolution sont possibles. Par conséquent, nous sommes désormais en mesure de mesurer la différence dans la forme du chargement provoquée par des variations de la géométrie de l'essai.

La méthode numérique développée offre un moyen très puissant de visualiser la charge et ensuite d'appliquer directement cette charge dans des modèles numériques, servant ainsi de première étape dans la modélisation de la réponse des structures aux détonations explosives. Les données produites par le présent essai ont fourni des données de validation uniques permettant d'améliorer la prochaine génération de modèles numériques, renforçant ainsi notre compréhension du phénomène et notre capacité à nous protéger contre les explosions.