Blast Quantificazione Utilizzando Hopkinson Pressure Bar

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di misurare con precisione la distribuzione spaziale e temporale della pressione nell'ambiente estremamente aggressivo generato in prossimità di una carica esplosiva. Questo metodo può aiutare a rispondere alle domande chiave nel campo dell'ingegneria della protezione dalle esplosioni, come la forma esatta del carico impartito e il modo in cui fattori come il tipo e la forma dell'esplosivo influenzano il carico impartito. Il vantaggio principale di questa tecnica è che ci permette di registrare pressioni che vanno oltre i limiti degli approcci di misura tradizionali.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulle esplosioni in aria libera, può essere applicato anche ad altri eventi, come le cariche sepolte o subacquee. Abbiamo provato per la prima volta l'idea di questo metodo utilizzando una singola barra di pressione Hopkinson e presto ci siamo resi conto che è necessario un ampio array per acquisire con precisione i dati. Per iniziare, calcola l'impulso massimo approssimativo che la disposizione del telaio di prova genererà utilizzando l'analisi del software, come con ConWep.

Per le cariche sepolte, questo processo è meno semplice, poiché richiede tecniche numeriche più avanzate per modellare l'interazione tra il terreno, gli esplosivi e la piastra bersaglio. I dettagli sulla produzione del telaio di prova e delle celle di carico sono forniti nel protocollo di testo. Scegliere la posizione sulle barre di pressione Hopkinson in cui verrà posizionato l'estensimetro, essendo il più vicino possibile alla faccia caricata per ridurre al minimo la dispersione.

In questa configurazione, lo spessore della piastra di destinazione e la manovrabilità richiesta per montare le barre fanno sì che i calibri vengano installati a 250 millimetri dalla faccia caricata. In questo caso, il raggio della barra calcolato necessario per catturare l'evento è di cinque millimetri. Utilizzare la risoluzione spaziale più stretta per le barre che non comprometta l'integrità strutturale.

In questo caso, la distanza è di 25 millimetri. Ulteriori dettagli sono forniti nel protocollo di testo. Per iniziare, utilizzando il cianoacrilato, collegare l'estensimetro a semiconduttore alle barre di pressione Hopkinson, quindi alle celle di carico.

Se necessario, montare la piastra di destinazione sul telaio di reazione rigido utilizzando le celle di carico. Assicurarsi che tutti i cavi siano ben collegati a terra per una migliore qualità del segnale. Il cablaggio deve inoltre essere sufficientemente lungo da poter essere collegato a un oscilloscopio al di fuori dell'area di esplosione.

Qualsiasi cavo schermato dovrebbe trasportare un segnale sufficiente. Ora, appendere le barre di pressione Hopkinson al ricevitore del gruppo barra. Far passare l'estremità caricata attraverso il foro corretto nella piastra di destinazione e appendere liberamente le barre di pressione Hopkinson al dado avvitato sulle loro estremità distali.

Utilizzando una livella, regolare i dadi per posizionare le barre verticalmente e per rendere le loro facce a livello della piastra di destinazione. Ora, usa tentativi ed errori per impostare il trim sul resistore variabile nel circuito di condizionamento per mantenere la tensione entro i limiti dell'oscilloscopio. Azzerare la lettura di squilibrio su ciascun canale come riportato dalle scatole dell'amplificatore.

Quindi, collegare l'uscita del manometro amplificato a un oscilloscopio digitale adatto. Configura l'oscilloscopio su una frequenza di campionamento di 1,56 megahertz con una durata di registrazione di 28,7 millisecondi e imposta la durata del pre-trigger su 3,3 millisecondi. Devono essere collegati 22 manometri totali, 17 dalle barre di pressione Hopkinson, quattro dalle celle di carico e l'unico filo di rottura.

Registra la tensione e il tempo da ciascun indicatore. Impostare la registrazione in modo che si attivi quando la tensione nel cavo di interruzione supera un valore fuori dalla finestra, ad esempio più o meno 100 millivolt. Nel caso di un test di carica in aria libera, utilizzare una sottile striscia di legno per sospendere la carica sotto la piastra di destinazione alla distanza corretta, in questo caso 200 millimetri.

Posizionare la carica coassialmente con l'array di misurazione per garantire letture valide. L'elemento critico nel test di carica sepolta è la preparazione del letto di terreno e il processo di interramento. La precisione è necessaria per garantire risultati ripetibili.

Quindi, chiudi l'intervallo. Schiera le sentinelle per assicurarti che la portata sia libera durante il fuoco. Ora, poco prima di sparare una carica d'aria libera, attacca il cavo di rottura al detonatore e inserisci un detonatore elettrico a metà nella carica dalla base.

Ora, spostati al punto di sparo e verifica che la strumentazione sia operativa. Quindi, fornire alimentazione al cavo di interruzione. Ora, assicurati di verificare con le sentinelle che sia sicuro procedere con il fuoco.

Quindi, avvia gli esplosivi. Dopo la detonazione, metti in sicurezza l'area di prova e scarica ed esegui il backup dei dati. Mentre viene scritto un protocollo per descrivere i passaggi necessari in questa fase, viene reso disponibile anche uno script Matlab sviluppato per consentire l'elaborazione rapida dei dati utilizzando la metodologia esatta.

Importa i dati dai file di dati grezzi in Matlab facendo doppio clic sul nome del file e quindi facendo clic su Fine nella procedura guidata di importazione. Quindi, apri lo script Matlab di interpolazione. Nella sezione mesh del codice, definire una griglia regolare su cui verrà eseguita l'interpolazione modificando la mesh.

Utilizzare la stessa risoluzione in qualsiasi modellazione numerica futura. Questo passaggio cruciale trasforma i dati discreti in una mappa 2D. Lo script sposterà tutte le tracce di pressione della barra di pressione di Hopkinson.

Lo spostamento temporale è necessario per consentire alla routine di interpolazione di localizzare con successo il fronte d'urto in un dato momento. Ora, allinea i dati di ciascun array radiale in modo che tutte le pressioni massime siano sincronizzate. Quindi, calcola il raggio, r, e l'angolo, beta, per un dato punto di interesse sulla griglia.

Applicare l'interpolazione 1D alle due serie di barre di pressione di Hopkinson più vicine al punto di interesse del raggio corrente. Ad esempio, a 45 gradi, l'interpolazione utilizzerebbe gli array X, X e Y, Y. Ora, interpola la linearità tra le due pressioni in base all'angolo.

Ad esempio, a 45 gradi, utilizzare 50% X, X e 50% Y, Y.Quindi, spostare la cronologia del tempo di pressione per ciascuna posizione in base all'interpolazione cubica del tempo di arrivo dell'ammortizzatore. In definitiva, il risultato è una cronologia temporale della pressione completamente interpolata. Un telaio di reazione effettivamente rigido in grado di resistere a diverse centinaia di Newton-secondi con una deflessione minima è stato concepito utilizzando una piastra bersaglio in acciaio dolce da 100 millimetri.

Questo fotogramma ha resistito a test fino a 500 Newton-secondi. Un singolo test è stato effettuato con 17 barre di pressione Hopkinson configurate in un array 2D che utilizza barre lunghe 3,25 metri con raggi di cinque millimetri. La spaziatura è stata impostata a 25 millimetri.

Per questo test, l'estensimetro è stato fissato a 0,25 metri dalla fronte caricata. Una carica sepolta nel terreno saturo è stata fatta esplodere. I dati provenienti da ciascuno dei quattro array radiali con una barra di pressione centrale di Hopkinson comune a tutti i grafici mostrano il fronte d'urto molto chiaro, con la pressione che decade lentamente con la distanza radiale.

Le cronologie di pressione registrate sono state quindi eseguite attraverso la routine di interpolazione 2D. La pressione interpolata che agisce sulla piastra bersaglio mostra un ritardo di 20 millisecondi nell'arrivo del fronte d'urto. Il fronte d'urto è il tempo impiegato dall'onda d'urto per coprire la distanza tra la carica e la piastra bersaglio.

La natura asimmetrica del carico è particolarmente evidente a 0,22 millisecondi. Entro 0,3 millisecondi dopo la detonazione, il fronte d'urto era quasi simmetrico lungo tutti gli assi. Una volta che l'apparecchiatura è stata messa in funzione, è possibile condurre fino a sei test in aria libera al giorno.

Questo numero viene notevolmente ridotto con un test che utilizza cariche interrate a causa della maggiore complessità della preparazione del terreno. Questa è la prima volta che sono state possibili misurazioni ad alta risoluzione. Di conseguenza, ora siamo in grado di misurare la differenza sotto forma di carico causata dalle variazioni della geometria di prova.

La routine numerica sviluppata offre un modo molto potente per visualizzare il carico e quindi applicare questo carico direttamente nei modelli numerici per agire come primo passo nella modellazione della risposta delle strutture alle detonazioni esplosive. I dati prodotti dall'attuale test hanno fornito dati di convalida unici per migliorare la prossima generazione di modelli numerici, migliorando la nostra comprensione del problema e la nostra capacità di proteggerci dalle esplosioni esplosive.