ブラスト定量ホプキンソン圧力棒を使用して

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。