ブラスト定量ホプキンソン圧力棒を使用して

Summary

このプロトコルは、ホプキンソン圧力バーを使用して、近接場爆発イベントからの反射爆風負荷を測定する方法を詳しく説明しています。反射境界上の任意の点での圧力-時間履歴を補間できるため、生成される荷重の空間的および時間的変動を完全に特徴付けるために使用できます。

Abstract

近接場ブラスト負荷測定、彼らは非常に過酷な環境に耐え、メガパスカルの数百までの圧力を測定することができなければならないとして、多くのセンサタイプに問題を提示します。この点でホプキンソン圧力バーの単純さはホプキンソンバーの測定端が耐えることができ、過酷な条件にさらされるが、バーに取り付けられたひずみゲージは、ある距離離れて固定することができるという点で大きな利点を有しています。これは、ひずみゲージを保護するが、測定データの集録と干渉しない保護筐体を利用することができます。圧力バーの配列の使用は、離散的な既知の点における圧力 - 時間履歴を測定することができます。また、この資料では、関心のある平面上の未計測の場所で圧力 - 時間履歴を導出するために使用される補間ルーチンについて説明します。現在の技術は、自由空気中の高性能爆薬から荷重を測定するために使用されており、様々な土壌に浅く埋め。

Introduction

爆薬の出力を特徴付けることは、両方の（現在の紛争地域で爆発装置を即興埋め込み防御）軍と民間（構造部品を設計する）、多くの利点があります。最近では、このトピックでは、かなりの注目を集めています。集められた知識の多く​​は、より効果的な保護構造物の設計を可能にするための電荷からの出力の定量化を目的としています。ここでの主な問題は、行われた測定は、高忠実度でない場合、これらの爆発的事象における荷重伝達のメカニズムは不明なままであることです。これにより、検証のためにこれらの測定値に依存して数値モデルの検証の問題につながります。

近接場用語はスケールされた距離に芽を記述するために使用され、Zは 、以下~1 mは/ Z = R / W ^{1/3 1/3、kg}でより、Rは、爆薬の中心からの距離であり、W料金は大量に発現されますTNTの等価質量として。このレジームでは負荷は、典型的には、非常に空間的及び時間的に不均一な負荷、非常に高い大きさによって特徴付けられます。堅牢な計装は、したがって、ニアフィールド・ロードに関連した極端な圧力を測定するために必要とされます。 Zは <0.4メートルは/ ^{1/3 kgの}スケーリングされた距離で、爆風パラメーターの直接測定は、存在しないか^、1に非常に少数のいずれかであり、この範囲のための半経験的予測データは、パラメトリック研究にほぼ完全に基づいています。これは、著者の意図された範囲の外にあるキンガリーとBulmash ^2、によって与えられた半経験的予測を使用することを含みます。これらの予測^3,4に基づいて、ツールがロードの優れた一次推定を可能にする一方で、彼らは完全に現在の研究の焦点である近接場イベントの力学をキャプチャしません。

近接場ブラスト測定は、最近では、OUTPを定量化に焦点を当てています埋葬料からユタ。採用の方法論は、グローバルインパルス測定^8-13を指示する構造的なターゲット^5-7に生じる変形を評価するごとに異なります。これらのメソッドは、保護システム設計の検証のための貴重な情報を提供するが、完全に荷重伝達のメカニズムを調査することができません。試験は、によって生成されるように埋没深さを制御したり、衝撃波面のは固有の形状を確保していないとして、実用的な理由で、または近くにフルスケール（> 1/4）への両方の実験室スケール（1/10フルスケール）で行うことができます起爆装置ではなく、裸の ​​電荷¹⁴を使用します。埋め込 ​​み電荷を有する土壌条件は、高度テスト¹⁵の再現性を保証するために制御する必要があります。

料金は無料空気中に置かれているか、埋め込まれているかどうかに関係なく、結果として爆発を測定する際の最も基本的な問題は、計装deploによって行われた測定の妥当性を確保することですYED。設計された試験装置¹⁶に固定された「剛性」ターゲットプレートは、バーの端部のみを完全に反映圧力を記録することができることを確保すると同時に、一方ホプキンソン圧力棒^17（HPBS）を保護するために使用されます。著者らは、以前に^{18から20を}剛性の目標からの反射圧の測定が入射よりも正確かつ反復可能であることを示す、または'自由'フィールド測定しています。このプレートの形状は、対象エッジ^21の周囲^にクリアまたは流れによって生成された圧力リリーフは無視できるであろうようなものです。この新たな試験装置は1/4スケールで構築されています。このスケールでは埋葬条件や爆発物を厳格にコントロールが25ミリメートルの埋没深さで、78グラムに縮小さ5キロのフルスケール充電サイズで、確保することができます。

Protocol

1.リジッドリアクションフレーム

1. テストはRは爆発の中心からの距離であり、Wは質量TNTの等価質量として表さ電荷である式（1）を、使用して行われるでスケールされた距離を決定します。
   Z = R / W ^1/3（1）
2. この構成は数値モデリングを経て生成されますおおよその最大インパルス（付録Aを参照）、またはそのようなConWep ³などの特定のツールを計算します。
   注：埋葬料から発生する圧力の推定は、より高度な数値モデリングが必要とされている必要がある場合はConWep ³の使用は、フリーエアブラストに対してのみ有効です。
3. モデリングから推定負荷を確認し、ターゲット板で0.5mm以下の面内変位を生成しません。
4. モデリングの不正確さを考慮して10倍に計算された負荷を増やし、将来のTESのための柔軟性を追加しますティン。
5. ^16を計算した最大荷重に耐えることができるように剛性の反応フレームを設計します。エンジニアリング部門では、家の中でこれらの計算を行います。そうでない場合は、構造エンジニアのサービスを求めています。
   1. 剛性の反応フレームを調達、構造エンジニアの設計にフレームを製作してインストールする専門業者と契約。
6. ターゲットプレートを調達、専門鋼加工業者と契約。
   （使用する場合）プレートがロードセル上に搭載する必要があることと（セクション3で設計された）HPBS用の穴は、マウントする前に板を介して掘削する必要があることに注意してください。

テストフレームの図1の回路図。（A）全体の構成、（B）ターゲットプレートの平面図、（C）ターゲットプレートの拡大図。 T彼らはターゲット板の表面と同一平面に座るように彼ホプキンソン圧力バーはバーアセンブリ受信機から吊り下げられています。これは、ターゲットプレートに作用する完全に反映圧力を記録することができます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

2.ロードセルデザイン

1. （使用する場合）ロードセルを調達や製造。これらは、 図に示すように、ホイートストンブリッジの形成に貼付歪みゲージで取り付けプレートに溶接肉厚軟鋼管のセクションを使用して、既製のユニバーサル（圧縮/引張）歪みゲージキャニスターモデルであるか、社内で建てしますか2。
2. ロードセルは、社内で製造されている場合は、キャリブレーション用の外部請負業者に送信します。

社内の > 図2.図は、ロードセルを作製した。（A）側面図、（B）端面図。濃い灰色のシリンダ荷重下株厚肉鋼管です。この株は全く回転はローディング中に経験されていないように、単一のひずみゲージを使用して記録されています。歪みが加えられた応力に戻って関連させることができるロードセルのキャリブレーションから。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

3.ホプキンソンプレッシャーバーのデザイン

1. 記録の持続時間を決定し、 、爆風からフルロードの取得に必要な。必要な最小期間は、初期圧力スパイクの後、ゼロに戻り圧力のための数値モデル（セクション1.2）にかかる時間です。ここでは、1.2ミリ秒を使用します。
2. デシHPBSのための選択の材料にデ。これは、弾性波速度に影響します、 で与えられるバーどこヤング率であり、そして密度があります。高圧衝撃を測定するために、鋼のような硬い材料を使用します。ここで、弱い衝撃が期待されているかのように、このようなマグネシウム合金、あるいはナイロン等の少ない硬い素材を使用しています。
3. ひずみゲージは、分散を最小化するためにHPBのロードされた顔にできるだけ近い、配置されることをHPB上の位置を選択します。現在のセットアップでは、標的プレートの厚さと場所のバーに合わせて必要な操作性は、ゲージのみロードされ、顔250ミリインストールすることができることを意味します。
4. HPを計算Bの長さは、使用して必要なここで、 ひずみゲージにHPBのロードされた面からの距離であり、 （3.25メートル）。
5. 使用してイベントをキャプチャするのに十分な帯域幅を有する必要HPB半径を決定します。 kHzの、 ミリメートル^22,23（5ミリメートル）でHPBの半径です。
6. プレートを横切る圧力の分布をキャプチャするために必要な空間分解能を決定します。ターゲットプレートの構造的完全性を維持しながら、これは一般的に可能な限り近いです。現在の仕事では、25ミリメートルを使用します。
7. HPBSをマウントするターゲットプレートのドリル穴（これは、製造プロセスの一部であることができます）。密着がwitho必要ですプレートと接触しているHPBSをユタ。ここでは、十字形状（ 図1b）で掘削された17穴と0.5ミリメートルの許容範囲を使用しています。
8. バーアセンブリの受信機（ 図3A）中の懸濁液を可能にするために、ネジ付き遠位端を持って確認して、HPBS（17）を調達。

4.実験のセットアップとデータ収集

注：反応フレームと、プレートを標的、ロードセルとHPBSを設計し、製作、組立体は、図1に示すように始まり、プロトコルセクション1で設計することができます。

1. すべてのケーブルを介して地球の継続性を確保するように注意して、シアノアクリレートを使用してHPBS（ 図3B）とロードセルに半導体ひずみゲージを取り付けます。 HPBSために使用されるホイートストンブリッジの例を図3Cに示されています。
   1. ベリファイすべてのアースケーブルは、地球の連続性を保証するために取り付けられています。ウェル接地試験装置を改善します特に信号品質。
2. 配線は、オシロスコープが爆発空き領域（シールド配線は十分な信号帯域幅を有するものを使用する必要があります）に配置可能であることを確認してくださいするのに十分な長さであることを確認してください。
3. 存在する場合（ 図1C）、オプションのロードセルを使用し、剛性の反応フレームにターゲットプレートを取り付けます。
4. ターゲットプレートに正しい穴からロードされた端部を通過するバーアセンブリ受信機からのハングのHBP、。 HPBのねじ先端にねじ止めナットから自由にHPBSがハングします。
5. バーが精神レベル（それに応じて受信機の調整）を使用して垂直であることを確認してください。
6. HPBSの顔を確認応じてナットを調整し、ターゲットプレートとのレベルです。
7. 試験中のオシロスコープの制限内の電圧を維持するためにコンディショニング回路（ 図3C）に可変抵抗器にトリムを設定します。チャンネルごとにバランスのアウトを設定することを目指して試行錯誤を通じてこれを行いますゼロにアンプボックスにデジタル読み出しに見られるように。
8. 適切なデジタルオシロスコープに増幅されたゲージの出力を接続します。 3.3ミリ秒のプリ・トリガ期間と期間（28.7ミリ秒）を記録、サンプリング周波数（1.56 MHz）を持つように設定します。
   1. （それ自体はオシロスコープに配線されている）ブレークワイヤチャネルの電圧は「アウト・ウィンドウ」を超過したときにトリガーされる記録を設定します。接続されている各ゲージ（合計で22、17 HPBS、4ロードセルとブレークワイヤ）との時間を録音する電圧。

ターゲットプレートに嵌入HPBの図3（A）図、（B）ゲージ位置でHPBの断面、（C）例えばホイートストンブリッジ回路。二つのひずみゲージは、そのようにホイートストンブリッジで使用され、ホプキンソン棒の曲げcとされていますアウトancelled。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

5.爆発の準備

1. 炸薬量を決定し、スタンドオフのテストで使用される（75ミリメートルで、100グラムのPE4）。
2. 料金は無料で、空気中または別の媒体（土壌、水など ）内で爆発するかどうかを決定します。 1スクワットシリンダー^24,25：フリーエアーの場合は埋葬料と標準が3であるのに対し、球状充電形状が正常に利用されているテストします。
3. フリーエア試験のために：
   1. 正しいスタンドオフ（75ミリメートル）でターゲット板下の電荷を一時停止します。薄い木材片またはポリエチレンのシートに電荷を配置することによって、これを達成します。
   2. 有効な読みを確保するために、測定アレイと同軸に電荷を置きます。
   3. フリーエアテストでは起爆装置が中に半分に配置されるとともに、電気雷管を使用するためにベースからの充電。焼成およびときに、範囲はすでに安全に行われている前の最後の瞬間にこれを行います。
4. 埋葬のテストの場合：
   1. メディアに適した容器を製造します。土壌については、現在のテストは1/4スケールのコンテナ^23を使用しています。
   2. 利用される土壌の種類や地盤条件により決定します。参考文献を参照して、水分含有量と土壌の乾燥密度詳細については^、15。
   3. テストで使用するように埋没深さを決定します。現在のテストは¼規模で行われているので、これはこれは25ミリメートルの埋没深さを意味し、通常のフルスケール試験で100ミリメートルです。
   4. 目標含水量を達成するために適切なサイズの構造ミキサーを用いて完全に土壌に混合します。砂のために必要な混合時間は10分です。
      1. 少量を除去することにより、混合物の水分含有量を確認し、総質量を計算するためにそれを量ります、 。ドライ除去された汚れや、水の質量を計算するために再計量 。地盤の水分含量は、重量含水量に関して指定されています 。
      2. 水分含量が継続許容範囲内であれば、そうでない土壌をリミックス。 ±0.05から0.1パーセントの許容誤差は、現在の仕事に達成されています。
   5. 空の土壌の容器を計量し、土壌の密度の計算に一度フル（ステップ5.4.7）を有効にする体積を計算します。
   6. 容器に入った土壌の質量が既知であることを確認して、目標濃度を保証するのに十分に薄い層で土壌をコンパクト。レイトンノスリサンド¹⁵については、これは2層で行われます。
   7. 容器がいっぱいになると、土の密度が内（±0.2％）許容範囲にあることを確認します。レイトンBuzzardの砂を持つすべてのテストで目標乾燥密度は1.6でしたmg / ^m3で。使用して、乾燥密度を計算します _ρdは乾燥密度であり、Mは、容器に加え、土壌の全質量であり、Vは、土壌、容器の容積であり、wは 、水分含有量です。
   8. 電荷が正しい埋没深さ（25ミリメートル）で上面に配置することができるように≈50ミリメートルに小さな穴を掘削。
   9. 充電ベースに非電気雷管を置き、土を交換された後、容器の上面が中断されない保証するために、容器の側面に適したチャネルを発掘。
   10. 埋没深さをチェックすること正しい、出土穴に充電と起爆装置を配置します。戻る出土材料で穴を埋めます。

6.発射シーケンス

注：プロトコル部5との重複少量のが原因でNATにありテストのURE。発射シーケンスは、リスクを最小化することを目指すべきであり、唯一の適切な訓練を受けたスタッフによって行われるべきです。

1. フリーエア試験のために：
   1. 正しいスタンドオフ（75ミリメートル）でターゲット板下の充電サポートを配置します。
   2. 範囲を閉じます。範囲は焼成中に明確であることを確認するために歩哨を展開します。
   3. 計装への支援同軸上の電荷を配置します。起爆装置にブレークワイヤーを取り付け、充電に起爆装置を配置します。
2. 埋葬のテストの場合：
   1. 電荷がHPBアレイに同軸に配置されるように、土壌の容器を置きます。
   2. 範囲を閉じます。範囲は焼成中に明確であることを確認するために歩哨を展開します。
   3. それは（これは埋もれ料金の爆発のより再現時間を与える）は、電荷の周囲に巻かれている確保し、ブレーク線を接続します。
3. 発射地点に移動し、インスツルメンテーションが実行されていることを確認します。
4. ブレーク線に電力を供給します。歩哨に確認してください焼成を続行しても安全です。
5. 爆発物を開始します。テストエリアは安全を確認します。
6. ダウンロードして、データをバックアップします。
7. 再オープンテスト範囲。

1D HPB配列7.数値補間

1. MATLABに生データファイルからデータをインポートします。
2. 各バーのピーク圧力は式（2）（ 図4B）を使用して中央のバーのピーク圧と同時に到着するように、半径方向の全てのデータをタイムシフト。
   （2）
3. 図4Bから任意の半径方向距離での圧力を補間します。
4. （到着時間をプロット ）ピーク圧力を整列させ、データ（ 図4C）を介して、三次方程式を適合させるために使用。
5. 到着時間に合わせて補間データを時間は、シフト、属ティン連続衝撃波面（ 図4D）。
6. テストデータの各個別のセットに対して繰り返します。

図1D HPBアレイ4.補間シーケンス （A）オリジナルデータ、（B）タイムシフトデータを、（C）フロント到着時間ショック、及び（D）最終的な補間圧力時間データ^16。圧力時間履歴の離散的性質が明らかに存在5ゲージ位置の各々でのピーク圧力との間に連続さないで（A）に見られます。 （B）のようにピーク圧力によって整列させた場合、任意の半径方向距離での圧力の補間（同じ到着時間を想定）が可能です。衝撃波面の到達時間がSHのように計算することができ、ピーク圧力を整列させるために必要な時間シフトを記録し（C）で自身。これは、任意の半径距離のために計算される到着時刻と圧力時間履歴は、（B）からの圧力を補間することが可能となり、時間（C）に見られるように、最終的な補間された圧力を与える（D）から。 大きい方を表示するには、こちらをクリックしてください。この図のバージョン。

2D HPBアレイ8.数値補間

注意：MATLABで補間を実行するために使用されるコードは、このセクションで言及される例結果ファイルと共に提供されています。

1. MATLABに生データファイルからデータをインポートします。 test_data.matファイル上の例の試験データ、ダブルクリックについては、[インポートウィザードで[完了]をクリックします。
2. interpolation2d.m Matlabのスクリプトを開きます。
3. 補間は意志の上に規則的な格子を定義しますメッシュを変更することで実行します。これは、将来の数値モデリング^26,27でメッシュと同じ解像度であることを確認してください。これは、コードの '％メッシュの詳細」セクションで設定されています。
4. interpolation2d.m Matlabのスクリプトを実行します。 （注）次の手順では、コードで実装されており、分かりやすくするためにここに記載されています。
   1. により、すべてのHPB圧力トレースをタイムシフト （式2）。元のデータはのために示されています 図5BにおいてMM、同じデータを用いて、図5Cにタイムシフト。
      注：タイムシフトは、補間ルーチンが正常に任意の時点で衝撃波面を検索できるようにするために必要とされます。これは本質的にすべての最大圧力は揃えるように、各放射状配列のデータを整列させることを含みます。
   2. 半径を計算し、 、およびAngル、 図5（a）に示すように、グリッド上の目的の所与の点、のために。
   3. 現在の半径のための目的の点に最も近い2 HPBアレイに1D補間を適用します （ために補間が使用するであろうそして配列）。
   4. 基づく2の圧力との間で直線補間 （再び用重み付けは50％となりますとの50％ 12eq30.jpg "/>配列算出した圧力）。
   5. 負荷を与えるために、グリッド間隔（面積）により補間された圧力を掛けることにより、瞬時の負荷を計算します。
   6. 瞬間的な衝動を得るために、サンプリングの時間ステップによって負荷を掛けます。
   7. すべての場所と時間（合計インパルスを与えるために、瞬時インパルスを合計する）に対して繰り返します。
   8. ショック到着時間（ 図5D）のキュービック補間に基づいて、各場所のための圧力の時間履歴をタイムシフト。

2D HPBアレイの図5.補間シーケンス。（A）サイン規則使用、（B）は、元のデータ MM、（C）タイムシフトデータ412 / 53412eq36.jpg "/>ミリメートル、それぞれ半径方向^16（D）到着時間。任意の点での圧力時間履歴は、両方の半径方向の距離に依存しており、バーの2次元配列の場合は、注目点が配置されている象限BLASTは完全に対称であった場合（C）に示すように、その後（B）内の圧力は、垂直線を形成する。（B）において、衝撃波面であることが分かるでの50mmの位置に到達します第一の軸。
この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Results

有効剛性反応フレームを提供する必要があります。現在のテストでは数百ニュートン秒の合計付与インパルスは、最小限の偏向に抵抗する必要があります。使用される硬質反応フレームの図示は、図1に示されている。各フレームが50ミリ鋼「アクセプター」プレートは、クロスビームのベースに鋳造されています。明示的に要求されない一方で、これはロードセル/ターゲットプレートを簡単に固定することが可能とコンクリート梁の顔に付加的な保護を与えます。現在実施し、最も近いスケールの距離は0.15メートルとなっている/ ^1/3 kgです。

現在のフレームが500 nsまでテストされ、 図1（a）に示すに示すように列に ​​またがる750ミリメートル、深、500ミリメートル幅の広いビームで500ミリメートルの正方形の列がありますされています。設計における重要な要素は、軽度の100ミリメートルの厚さであ...

Discussion

著者らは上記で概説プロトコルを使用することは、ホプキンソン圧力棒のアレイを使用して、炸薬の高度変化する負荷の高忠実度の測定値を取得することが可能であることを示しています。補間ルーチンを使用すると、離散圧力 - 時間履歴を数値モデルで、またはこのようなモデルの出力のための検証データとしてローディング機能として直接使用可能である連続衝撃波面に変換することができ概説しました。

埋め込み電荷を使用する場合、プロトコル部5に概説土壌容器を製造するために使用される方法は、目標濃度に達するように設けられており、十分な圧縮エネルギーを確保するためにチェックしなければなりません。目標濃度は、その後に達していない場合は、リフト高さは、圧縮の効率を高めるために減少されるべきです。以前の研究から、均一な土壌タイプが良く傾斜土壌^15を用いて実施した試験よりも再現性試験データを提供することが理解されました15に概説されるように、完全な飽和時の土壌を用いた試験も、わずかに異なる方法論を用いて調製されます。

爆薬を持つすべてのテストのた...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ロードセル	RDP	RSL0960	これは単なる指標であり、正確なロードセルは必要な負荷を解決できるはずですスチール
ターゲットプレート/ HPBs	ギャラッツ		受注生産
ひずみゲージ	協和	KSP-2-120-E4	鋼製HPB用
シアノアクリレート	協和	CC-33-A	使用する材料によりメーカーに確認
デジタルオシロスコープ	TiePie	HS4 16ビットハンディスコープ	6 電流テストで並列に使用
レイトンバザードサンド	ガーサイドサンド	ガーサイド 14/25	ユニフォーム シリカサンド