פיצוץ כימות באמצעות מוטות לחץ הופקינסון

המטרה הכללית של ניסוי זה היא למדוד במדויק את ההתפלגות המרחבית והזמנית של הלחץ בסביבה האגרסיבית ביותר הנוצרת בקרבת מטען נחצול. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום הנדסת המיגון מפני פיצוצים, כגון הצורה המדויקת של העומס המועבר וכיצד גורמים כגון סוג הנחצול וצורתו משפיעים על העומס המועבר. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהיא מאפשרת לנו לתעד לחצים החורגים מהמגבלות של גישות מדידה מסורתיות.

למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי פיצוצים באוויר הפתוח, ניתן להחיל אותה גם על אירועים אחרים, כגון מטענים קבורים או תת-מימיים. בתחילה בחנו את הרעיון לשיטה זו באמצעות מוט לחץ הופקינסון (Hopkinson pressure bar) בודד, ומהר מאוד הבנו כי נדרש מערך גדול כדי ללכוד את הנתונים במדויק. לשלב הראשון, חשבו את הדחף המקסימלי המשוער שסידור מסגרת הבדיקה ייצור באמצעות ניתוח תוכנה, כגון ConWep.

עבור מטענים קבורים, תהליך זה הוא פחות פשוט, כיוון שהוא דורש טכניקות נומרים מתקדמות יותר כדי למדל את האינטראקציה בין הקרקע, החומרי הנחליים ולוח המטרה. פרטים על ייצור מסגרת הבדיקה ותאי העומס מסופקים בטקסט של הפרוטוקול. בחרו את המיקום על מוטות הלחץ של הופקינסון שבו יוצב מד המאמץ, כך שיהיה קרוב ככל האפשר לפני השטח המועמסים כדי למזער את הפיזור.

במערך זה, עובי לוח המטרה והתמרונבליות הנדרשת להשחלת המוטות גורמים לכך שהמדדים יותקנו במרחק של 250 מילימטרים מהפנים העמוסה. רדיוס המוטים המחושב הנדרש ללכידת האירוע הוא במקרה זה חמישה מילימטרים. השתמשו ברזולוציה מרחבית הצפופה ביותר עבור המוטים, אשר אינה פוגעת בתקינות המבנית.

במקרה זה, המרחק הוא 25 millimeters. פרטים נוספים מופיעים בפרוטוקול הכתוב. לתחילת העבודה, השתמשו ב-cyanoacrylate כדי להדביק חיישן מאמץ מחצי-מוליך למוטות הלחץ של Hopkinson, ולאחר מכן לתאי העומס.

התאימו את לוח המטרה למסגרת התגובה הקשיחה באמצעות תאי השקילה במידת הצורך. ודאו שכל הכבלים מוארקים היטב לשיפור איכות האות. על החיווט להיות ארוך מספיק כדי להתחבר לאוסילוסקופ שנמצא מחוץ לאזור הפיצוץ.

כל חוט ממוגן צריך להעביר אות מספיק. כעת, תלו את מוטוני לחץ הופקינסון (Hopkinson pressure bars) ממקלט מכלול המוטנים. העבירו את הקצה הטעון דרך החור המתאים בלוח המטרה, ותלו את מוטוני לחץ הופקינסון באופן חופשי מהאום המהודק לקצותיהם הדיסטליים.

באמצעות פלס, כוון את האומים כך שהמוטות יהיו במצב אנכי ופניהם יהיו בקו אחד עם לוח המטרה. כעת, השתמש בשיטת ניסוי וטעייה כדי לכוון את הפוטנציומטר במעגל ההתנייה, על מנת לשמור על המתח בטווח המדידה של האוסצילוסקופ. אפס את קריאת חוסר האיזון (out of balance) בכל ערוץ, כפי שמופיע בתיבות המגבר.

בשלב הבא, חברו את מוצא המד המוגבר לאוסצילוסקופ דיגיטלי מתאים. הגדירו את האוסצילוסקופ לתדר דגימה של 1.56 megahertz עם משך הקלטה של 28.7 millisecond, וקבעו את משך ה-pre-trigger ל-3.3 milliseconds. יש לחבר 22 מדים בסך הכל, 17 ממוטות לחץ של Hopkinson, ארבעה מתאי עומס, ואחד עבור תיל השבירה.

יש לרשום את המתח והזמן מכל מד. הגדירו את ההקלטה כך שתופעל כאשר המתח בחוט השבירה (break wire) חורג מערך החלון, כגון פלוס או מינוס 100 millivolts. במקרה של בדיקת מטען באוויר חופשי, השתמשו ברצועת עץ דקה כדי לתלות את המטען מתחת ללוח המטרה במרחק הניתוק המתאים, ובמקרה זה 200 millimeters.

מקם את המטען באופן קואקסיאלי למערך המדידה כדי להבטיח קריאות תקפות. האלמנט הקריטי בבדיקת מטען קבור טמון בהכנת מצע הקרקע ובתהליך הקבורה. נדרשת דיוק כדי להבטיח השגת תוצאות הניתנות לשחזור.

שליב הבא, סגרו את המתרס. פריסו סנטריים כדי להבטיח שהמתרס פנוי במהלך הירי. כעת, רגע לפני ירי מטען אוויר חופשי, חברו את חוט הניתוק למפוצץ והחדירו מפוצץ חשמלי עד מחצית גובה המטען מהבסיס.

כעת, עברו לנקודת ההדלקה ואשרו שהמכשור תקין. לאחר מכן, אספקו חשמל לחוט ההדלקה. כעת, ודאו מול הזקיפים כי ניתן להמשיך בבטחה בתהליך ההדלקה.

לאחר מכן, הפעילו את חומרי הנפץ. לאחר הפיצוץ, הפכו את אזור הבדיקה לבטוח, הורידו את הנתונים וגבו אותם. בעוד שפרוטוקול שנכתב כדי לתאר את השלבים הנדרשים בשלב זה, סקריפט Matlab מפותח מונגש גם הוא כדי לאפשר ביצוע מהיר של עיבוד הנתונים באמצעות המתודולוגיה המדויקת.

ייבא את הנתונים מקבצי הנתונים הגולמיים ל-Matlab על ידי לחיצה כפולה על שם הקובץ ולאחר מכן לחיצה על Finish באשף הייבוא (Import Wizard). לאחר מכן, פתח את סקריפט האינטרפולציה ב-Matlab. בחלק של יצירת הרשת (meshing) בקוד, הגדר רשת סדירה שמעליה תתבצע האינטרפולציה על ידי שינוי הרשת.

השתמשו באותה רזולוציה בכל מידול מספרי עתידי. שלב מכריע זה הופך את הנתונים הבודדים למפה דו-ממדית. הסקריפט יבצע הזחה בזמן של כל עקומות הלחץ של מוט לחץ הופקינסון.

הסטת הזמן נחוצה כדי לאפשר לשגרת האינטרפולציה לאתר בהצלחה את חזית ההלם בכל זמן נתון. כעת, יישרו את הנתונים מכל מערך רדיאלי כך שכל לחצי המקסימום יהיו מסונכרנים. לאחר מכן, חשבו את הרדיוס, r, ואת הזווית, beta, עבור נקודת עניין נתונה על הרשת.

בצע אינטרפולציה חד-ממדית (1D) על שתי מערכי מוטות הלחץ של הופקינסון (Hopkinson pressure bar) הקרובים ביותר לנקודה המדוברת ברדיוס הנוכחי. לדוגמה, בזווית של 45 מעלות, האינטרפולציה תשתמש במערכי X, X וב-Y, Y. כעת, בצע אינטרפולציה ליניארית בין שני הלחצים בהתבסס על הזווית.

לדוגמה, בזווית של 45 מעלות, השתמשו ב-50%X, X ו-50%Y, Y. לאחר מכן, בצעו הזזה של ציר הזמן בהיסטוריית הלחץ עבור כל מיקום, בהתבסס על אינטרפולציה קובית של זמן הגעת הגל. התוצאה הסופית היא היסטוריית לחץ מלאה שעברה אינטרפולציה. מסגרת תגובה קשיחה למעשה, המסוגלת לעמוד במאות ניוטון-שניות עם סטייה מינימלית, תוכננה תוך שימוש בלוח מטרה מפלדה רכה בעובי 100 מילימטר.

מסגרת זו עמדה במבחנים עד 500 Newton-seconds. מבחן בודד בוצע עם 17 מוטות לחץ של Hopkinson שסודרו במערך דו-ממדי, תוך שימוש במוטות באורך 3.25 meter עם רדיוסים של חמישה מילימטרים. המרווח נקבע ל-25 מילימטרים.

עבור בדיקה זו, מד המאמץ הוצמד במרחק של 0.25 מטרים מהפנים המועמסת. מטען קבור בקרקע רוויה הופעל. נתונים מכל אחד מארבעת המערכים הרדיאליים, עם מוט לחץ הופקינסון מרכזי משותף לכל התרשימים, מראים חזית הלם ברורה מאוד, כאשר הלחץ דועך לאט עם המרחק הרדיאלי.

ההיסטוריות של הלחץ לאורך זמן שהוקלטו הועברו לאחר מכן דרך שגרת אינטרפולציה דו-ממדית. הלחץ המאונטרפל הפועל על לוח המטרה מראה עיכוב של 20 millisecond בהגעה של חזית ההלם. חזית ההלם היא הזמן שנדרש לגל ההלם כדי לעבור את המרחק שבין המטען ללוח המטרה.

הטבעה האסימטרית של ההטענה ברורה במיוחד ב-0.22 milliseconds. עד 0.3 milliseconds לאחר הפיצוץ, חזית ההלם הייתה כמעט סימטרית לאורך כל הצירים. לאחר כניסת המכשיר להפעלה, ניתן לבצע עד שישה ניסייני אוויר חופשיים ליום.

מספר זה פוחת במידה ניכרת בבדיקה המשתמשת במטענים קבורים, בשל המורכבות הנוספת של הכנת הקרקע. זוהי הפעם הראשונה שבה מדידות ברזולוציה גבוהה שכזו היו אפשריות. כתוצאה מכך, אנו יכולים כעת למדוד את ההבדל בצורת העמסה הנגרם משינויים בגיאומטריית הבדיקה.

השגרה הנומרית שפותחה מציעה דרך עוצמתית מאוד לה 시각ליזציה של העומס ולאחר מכן להחילו עומס זה ישירות במודלים נומריים, כדי לשמש כשלב ראשון במידול התגובה של מבנים לפיצוצים חזקים. הנתונים שהופקו מהניסוי הנוכחי סיפקו נתוני תיקוף ייחודיים לשיפור הדור הבא של מודלים נומריים, ובכך שיפרו את הבנתנו לגבי הבעיה ואת יכולתנו להגן על עצמנו מפני הדפי פיצוץ.