Name: ブラスト定量ホプキンソン圧力棒を使用して (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 41 s
Description: 学ぶホプキンソン圧力棒を用いた爆発荷重の高精度計測法。空気中・埋設・水中の爆発シナリオに対応し、従来手法では捉えられない極限圧力を記録できます。構造物の耐爆設計に有用なデータを提供します。

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著者は、公開された研究に資金を提供してくれた防衛科学技術研究所に感謝したいと思います。

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

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</sup&gt;。著者の前作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。 <p class="jo...

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 &lt;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（&gt; 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&#39;自由&#39;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。

<table><tbody><tr><td>ロードセル</td><td>RDP</td><td>RSL0960</td><td>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</td></tr><tr><td>ターゲットプレート/ HPBs</td><td>ギャラッツ&nbsp;</td><td></td><td>受注生産</td></tr><tr><td>ひずみゲージ</td><td>協和</td><td>KSP-2-120-E4</td><td>鋼製HPB用</td></tr><tr><td>シアノアクリレート</td><td>協和</td><td>CC-33-A</td><td>使用する材料によりメーカーに確認</td></tr><tr><td>デジタルオシロスコープ</td><td>TiePie</td><td>HS4 16ビットハンディスコープ&nbsp;</td><td>6 電流テストで並列に使用</td></tr><tr><td>レイトンバザードサンド</td><td>ガーサイドサンド</td><td>ガーサイド 14/25</td><td>ユニフォーム シリカサンド&nbsp;</td></tr></tbody></table>

ブラスト定量ホプキンソン圧力棒を使用して

Blast Quantification Using Hopkinson Pressure Bars

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。

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...

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。

Near-field blast load measurement presents an issue to many sensor types as they must endure very aggressive environments and be able to measure pressures ...

本実験の全体的な目的は、爆薬の近傍で発生する極めて過酷な環境における圧力の空間的および時間的分布を正確に測定することです。この手法は、付加荷重の正確な形式や、爆薬の種類や形状などの要因が付加荷重にどのように影響するかといった、防爆工学分野における重要な疑問を解決するのに役立ちます。本手法の主な利点は、従来の測定アプローチの限界を超える圧力を記録できることです。この手法は自由空間での爆発に関する知見を提供できるだけでなく、埋設電荷や水中電荷などの他の事象にも適用可能です。我々はまず、単一のホプキンソン圧力棒を用いてこの手法の概念を試行しましたが、データを正確に取得するには大規模なアレイが必要であることをすぐに認識しました。まず、ConWepなどのソフトウェア解析を用いて、試験フレームの配置によって発生する概算の最大力積を算出してください。埋設電荷の場合、土壌、爆薬、およびターゲットプレート間の相互作用をモデル化するためにより高度な数値手法が必要となるため、このプロセスはそれほど単純ではありません。テストフレームおよびロードセルの作製に関する詳細は、それぞれテキストプロトコルに記載されています。分散を最小限に抑えるため、荷重面できるだけ近い位置にひずみゲージを配置し、ホプキンソン圧力棒上の位置を選択してください。この構成では、ターゲットプレートの厚さとバーを適合させるために必要な操作性の兼ね合いにより、ゲージは負荷面から250 millimeters離して設置されます。この場合、事象を捉えるために必要なバーの計算半径は5 millimetersです。構造的な完全性を損なわない範囲で、バーに最大限に狭い空間分解能を使用してください。この例では、距離は25 millimetersです。詳細はテキストプロトコルに記載されています。まず、シアノアクリレートを用いて、半導体ひずみゲージをホプキンソン圧力棒に取り付け、次にロードセルに取り付けます。必要に応じてロードセルを使用し、ターゲットプレートを剛性反応フレームに固定します。信号品質を向上させるため、すべてのケーブルが適切に接地されていることを確認してください。また、配線は爆発エリア外のオシロスコープに接続できる十分な長さである必要があります。シールド線であれば十分な信号を伝達できるはずです。次に、バーアセンブリレシーバーからホプキンソン圧力棒を吊り下げます。負荷側の端をターゲットプレートの適切な穴に通し、圧力棒の遠位端に締め付けられたナットからホプキンソン圧力棒を自由に吊り下げてください。水準器を用いてナットを調整し、バーを垂直に配置して、その面がターゲットプレートと水平になるようにします。次に、試行錯誤によりコンディショニング回路の可変抵抗器のトリムを調整し、電圧をオシロスコープの制限範囲内に維持します。アンプボックスに表示される各チャンネルのアンバランス読み取り値をゼロに調整してください。次に、増幅されたゲージ出力を適切なデジタルオシロスコープに接続します。オシロスコープを、サンプリング周波数 1.56 megahertz、記録時間 28.7 millisecond に設定し、プリトリガー時間を 3.3 milliseconds に設定します。接続するゲージは、Hopkinson圧力棒からの17個、ロードセルからの4個、および断線検知ワイヤー1本の計22個となります。各ゲージから電圧と時間を記録します。断線部の電圧が、プラスマイナス 100 millivolts などのウィンドウ外の値を超えたときに記録がトリガーされるように設定します。自由空気帯電試験を行う場合は、細い木の棒を使用して、電荷をターゲットプレートの下の適切なスタンドオフ距離（この場合は 200 millimeters）に吊り下げます。有効な読み取り値を確保するため、電荷を測定アレイと同軸上に配置します。埋設電荷試験における重要な要素は、土壌床の調製と埋設プロセスにあります。再現性のある結果を得るためには、精密な操作が求められます。次に、射撃場を封鎖します。射撃中に射撃場内に誰もいないことを確認するため、監視員を配置してください。そして、空気砲（free air charge）を撃つ直前に、破砕線（break wire）を起爆装置に接続し、電気起爆装置を底部から電荷の中ほどまで挿入します。次に、発射地点に移動し、計器類が正常に作動していることを確認してください。その後、破断線に電源を供給します。そして、射撃を開始しても安全であるか、必ず歩哨に確認してください。次に、爆薬を起爆させます。爆発後、テストエリアの安全を確保し、データをダウンロードしてバックアップを作成します。この段階で必要となる手順を記述したプロトコルの作成が進められていますが、同時に、正確な手法を用いて迅速にデータ処理が行えるよう、開発済みのMatlabスクリプトも提供されています。ファイル名をダブルクリックし、インポートウィザードで「完了」をクリックして、生データファイルからMatlabにデータをインポートします。次に、補間用のMatlabスクリプトを開きます。コードのメッシングセクションで、メッシュを変更することにより、補間を実行する正則格子を定義します。今後の数値モデリングでは、すべて同じ解像度を使用してください。この重要なステップにより、不連続なデータが2Dマップに変換されます。スクリプトは、すべてのホプキンソン圧力棒の圧力波形を時間シフトさせます。補間ルーチンがあらゆる時点で衝撃波面を正しく特定できるようにするために、タイムシフトが必要です。次に、すべての最大圧力が同期するように、各半径方向アレイのデータを整列させます。続いて、グリッド上の特定の関心点における半径rおよび角度betaを算出します。現在の半径における関心点に最も近い2つのホプキンソン圧力棒アレイに1次元補間を適用します。例えば、45度の場合は、X, XアレイとY, Yアレイを使用して補間を行います。次に、角度に基づいて2つの圧力間の線形性を補間します。例えば、45度の場合は、50%XのXと50%YのYを使用します。次に、衝撃波の到達時間の3次補間に基づき、各地点の圧力履歴を時間シフトさせます。最終的に、完全に補間された圧力履歴が得られます。数百ニュートン秒に耐え、たわみを最小限に抑えることができる効果的に剛性の高い反応フレームを、100 millimeterの軟鋼ターゲットプレートを用いて構想しました。このフレームは最大500 Newton-secondsまでの試験に耐えました。半径5mm、長さ3.25mのバーを2Dアレイ状に配置した17本のHopkinson圧力棒を用いて、単一の試験が行われました。間隔は25mmに設定されました。本試験では、ひずみゲージを荷重面から0.25 meters離れた位置に取り付けました。飽和土中に埋設した爆薬を起爆させました。すべてのプロットに共通の中央ホプキンソン圧力棒を備えた4つの放射状アレイから得られたデータは、非常に明確な衝撃波面を示しており、圧力は半径方向の距離とともに緩やかに減衰しています。記録された圧力の時間履歴を、その後2D補間ルーチンにかけました。ターゲットプレートに作用する補間後の圧力では、衝撃波面の到達に20ミリ秒の遅延が見られます。衝撃波面とは、衝撃波が爆薬からターゲットプレートまでの距離を移動するのに要した時間のことを指します。負荷の非対称性は、0.22 millisecondsにおいて特に顕著です。爆轟から0.3 milliseconds後までには、衝撃波面はすべての軸に沿ってほぼ対称となりました。装置の運用が開始されれば、1日あたり最大6回の自由空気試験を実施することが可能です。埋設電荷を用いた試験では、土壌調製の手間が増えるため、この回数は大幅に減少します。このような高分解能の測定が可能になったのは今回が初めてです。その結果、試験ジオメトリの変化によって生じる負荷形態の差を測定できるようになりました。開発された数値ルーチンは、荷重を視覚化し、その荷重を数値モデルに直接適用するための非常に強力な手法を提供し、爆発的な爆轟に対する構造物の応答をモデリングする際の第一段階として機能します。今回の試験から得られたデータは、次世代の数値モデルを強化するための独自の検証データとなり、この問題に対する理解を深め、爆風から身を守る能力を向上させることに寄与しました。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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原子間力顕微鏡を用いて植物細胞と植物組織の機械的特性とターゴール圧を測定

ここでは、軽度から中等度の外傷性脳損傷の神経生物学的および病態生理学的影響を調査するためのげっ歯類のための爆風波モデルのプロトコルを提示する。圧力センサーを備えたガス駆動のベンチトップセットアップを確立し、爆風による軽度から中等度の外傷性脳損傷の信頼性と再現性の発生を可能にしました。...

げっ歯類における閉鎖性軽度外傷性脳損傷の前臨床評価のための低強度ブラスト波モデル

ここでは、マウスを用いて低強度のブラスト露光を繰り返し行う方法を紹介します。...

マウスにおける高反復低レベル爆風曝露のモデリング

このプロトコルは、マウスの閉鎖系中枢神経系(CNS)損傷(眼、脳、脊髄の外傷を含む)を誘発するように設計されたカスタム過圧空気システムについて説明しています。このプロトコルの目標は、研究者が独自の中枢神経系外傷研究のためにシステムを簡単に適応および拡張するためのフレームワークを提供することです。...

焦点閉鎖系中枢神経系損傷のためのシステム

学ぶホプキンソン圧力棒を用いた爆発荷重の高精度計測法。空気中・埋設・水中の爆発シナリオに対応し、従来手法では捉えられない極限圧力を記録できます。構造物の耐爆設計に有用なデータを提供します。

ブラスト定量ホプキンソン圧力棒を使用して

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