폭발 정량화는 홉 킨슨 압력 막대를 사용하여

이 실험의 전반적인 목표는 폭약 근처에서 발생하는 매우 가혹한 환경 내 압력의 공간적 및 시간적 분포를 정확하게 측정하는 것입니다. 이 방법은 가해지는 하중의 정확한 형태와 폭약의 종류 및 형상과 같은 요인들이 가해지는 하중에 어떻게 영향을 미치는지와 같이, 폭발 보호 공학 분야의 핵심 질문들에 대한 답을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 기존의 측정 방식으로는 한계가 있는 압력을 기록할 수 있다는 점입니다.

이 방법은 공중 폭발에 대한 통찰을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 매설 또는 수중 폭약과 같은 다른 이벤트에도 적용할 수 있습니다. 당사는 처음에 단일 Hopkinson 압력 바를 사용하여 이 방법의 아이디어를 시험했으며, 데이터를 정확하게 포착하려면 대규모 어레이가 필요하다는 것을 곧 깨달았습니다. 먼저, ConWep과 같은 소프트웨어 분석을 사용하여 테스트 프레임 배치가 생성할 대략적인 최대 충격량을 계산하십시오.

매설 전하의 경우, 토양, 폭약 및 타겟 플레이트 사이의 상호작용을 모델링하기 위해 더 고급 수치 기법이 필요하므로 이 과정이 덜 직접적입니다. 테스트 프레임과 로드셀 제작에 관한 세부 사항은 텍스트 프로토콜에 각각 제공되어 있습니다. 분산을 최소화하기 위해 하중이 가해지는 면에 최대한 가깝게 스트레인 게이지가 배치될 Hopkinson 압력봉의 위치를 선택하십시오.

이 설정에서는 타겟 플레이트의 두께와 바를 장착하는 데 필요한 조작성으로 인해 게이지가 하중 면으로부터 250 millimeters 떨어진 곳에 설치됩니다. 이 경우 이벤트를 포착하는 데 필요한 계산된 바 반경은 5 millimeters입니다. 구조적 무결성을 손상시키지 않는 범위 내에서 바에 대해 가장 좁은 공간 해상도를 사용하십시오.

이 경우, 거리는 25 millimeters입니다. 자세한 내용은 텍스트 프로토콜에 제공되어 있습니다. 우선, cyanoacrylate를 사용하여 반도체 strain gauge를 Hopkinson pressure bars에 부착한 다음, load cells에 부착하십시오.

필요한 경우 로드 셀을 사용하여 타겟 플레이트를 견고한 반응 프레임에 맞춥니다. 신호 품질을 높이기 위해 모든 케이블이 적절히 접지되었는지 확인하십시오. 또한 배선은 폭발 구역 외부의 오실로스코프에 연결될 수 있을 만큼 충분히 길어야 합니다.

차폐된 와이어라면 충분한 신호를 전달할 수 있어야 합니다. 이제, 바 어셈블리 수신기에 홉킨슨 압력봉(Hopkinson pressure bars)을 매다십시오. 하중이 가해지는 끝부분을 타겟 플레이트의 적절한 구멍에 통과시키고, 원위단에 조여진 너트를 이용해 홉킨슨 압력봉이 자유롭게 매달려 있도록 하십시오.

수평계를 사용하여 너트를 조절함으로써 바를 수직으로 세우고, 그 표면이 타겟 플레이트와 수평이 되도록 맞춥니다. 그런 다음, 시행착오법을 통해 컨디셔닝 회로 내 가변 저항의 트리밍을 설정하여 전압이 오실로스코프의 제한 범위 내에 유지되도록 합니다. 증폭기 박스에 표시되는 각 채널의 불균형(out of balance) 읽기 값을 0으로 맞춥니다.

다음으로, 증폭된 게이지 출력을 적절한 디지털 오실로스코프에 연결합니다. 오실로스코프의 샘플링 주파수를 1.56 megahertz로, 기록 기간을 28.7 millisecond로 설정하고, 프리트리거 기간을 3.3 milliseconds로 설정합니다. Hopkinson 압력봉에서 17개, 로드셀에서 4개, 그리고 브레이크 와이어 1개로 총 22개의 게이지가 연결되어야 합니다.

각 게이지의 전압과 시간을 기록하십시오. 단선 전압이 ±100 millivolts와 같은 윈도우 외 값(out-window value)을 초과할 때 기록이 시작되도록 트리거를 설정하십시오. 자유 공기 전하 테스트(free air charge test)의 경우, 얇은 나무 조각을 사용하여 전하를 타겟 플레이트 아래의 적절한 이격 거리(이 경우 200 millimeters)에 매달아 고정하십시오.

유효한 측정값을 확보하기 위해 전하를 측정 배열과 동축으로 배치하십시오. 매설 전하 테스트의 핵심 요소는 토양층의 준비와 매설 과정에 있습니다. 반복 가능한 결과를 얻기 위해서는 정밀한 작업이 요구됩니다.

다음으로, 사격장을 폐쇄합니다. 사격 중에 사격장이 비어 있도록 감시원을 배치하십시오. 이제 공중 폭약을 격발하기 직전에, 뇌관에 절단선을 연결하고 전기 뇌관을 폭약 하단에서부터 절반 정도 삽입합니다.

이제 발사 지점으로 이동하여 계측 장비가 작동하는지 확인하십시오. 그런 다음, 단선(break wire)에 전원을 공급하십시오. 이제 초병들에게 확인하여 발사를 진행해도 안전한지 반드시 확인하십시오.

그 다음, 폭약을 작동시킵니다. 폭발 후, 테스트 구역의 안전을 확보하고 데이터를 다운로드하여 백업합니다. 이 단계에서 필요한 절차를 설명하는 프로토콜이 작성되는 동시에, 정확한 방법론을 사용하여 데이터를 빠르게 처리할 수 있도록 개발된 Matlab 스크립트도 함께 제공될 예정입니다.

파일 이름을 더블 클릭한 다음 가져오기 마법사(Import Wizard)에서 마침(Finish)을 클릭하여 원본 데이터 파일의 데이터를 Matlab으로 가져옵니다. 다음으로 보간법 Matlab 스크립트를 엽니다. 코드의 메싱(meshing) 섹션에서 메쉬를 변경하여 보간법이 실행될 정규 그리드를 정의합니다.

향후 모든 수치 모델링에서 동일한 해상도를 사용하십시오. 이 중요한 단계는 이산 데이터를 2D 맵으로 변환합니다. 스크립트는 모든 Hopkinson 압력봉 압력 파형의 시간 이동(time shift)을 수행합니다.

보간 루틴이 주어진 임의의 시간에 충격파 전면을 성공적으로 찾을 수 있도록 시간 이동(time shift)이 필요합니다. 이제 각 방사형 배열의 데이터를 정렬하여 모든 최대 압력이 동기화되도록 합니다. 그다음, 그리드 상의 특정 관심 지점에 대한 반지름 r과 각도 beta를 계산합니다.

현재 반경의 관심 지점에서 가장 가까운 두 개의 Hopkinson 압력봉 배열에 1D 보간법을 적용합니다. 예를 들어, 45도에서는 X, X 배열과 Y, Y 배열을 사용하여 보간합니다. 이제 각도를 기준으로 두 압력 사이의 선형성을 보간하십시오.

예를 들어, 45도에서는 50%X, X 및 50%Y, Y를 사용합니다. 그 다음, 충격파 도달 시간의 3차 보간법(cubic interpolation)을 기반으로 각 위치의 압력 시간 이력을 시간 이동시킵니다. 최종적으로 완전히 보간된 압력 시간 이력 결과가 도출됩니다. 최소한의 변형으로 수백 Newton-seconds를 견딜 수 있는 효율적으로 강성이 확보된 반응 프레임은 100 millimeter 연강 타겟 플레이트를 사용하여 고안되었습니다.

이 프레임은 최대 500 Newton-seconds의 테스트를 견뎌냈습니다. 5 mm 반경의 3.25 m 길이 바를 사용하여 2D 배열로 구성된 17개의 Hopkinson 압력 바를 이용해 단일 테스트를 수행하였습니다. 간격은 25 mm로 설정되었습니다.

본 테스트에서는 스트레인 게이지를 하중 면에서 0.25 meters 떨어진 지점에 부착하였습니다. 포화 토양에 매립된 전하를 폭발시켰습니다. 모든 플롯에 공통으로 적용된 중앙 호프킨슨 압력봉(Hopkinson pressure bar)을 포함한 4개의 방사형 배열 각각에서 얻은 데이터는 매우 뚜렷한 충격파 전면을 보여주며, 압력은 방사 거리와 함께 서서히 감소합니다.

기록된 압력 시간 이력은 2D 보간 루틴을 통해 처리되었습니다. 타겟 플레이트에 작용하는 보간된 압력은 충격파 전면의 도달 시간이 20 millisecond 지연됨을 보여줍니다. 충격파 전면은 충격파가 전하와 타겟 플레이트 사이의 거리를 이동하는 데 걸리는 시간입니다.

부하의 비대칭적 특성은 0.22 milliseconds에서 특히 분명하게 나타납니다. 폭발 후 0.3 milliseconds가 되면 충격파 전면은 모든 축을 따라 거의 대칭을 이루었습니다. 장비가 가동되면 하루에 최대 6회의 자유 공기 시험을 수행할 수 있습니다.

매립 전하를 이용한 테스트에서는 토양 준비 과정의 복잡성이 추가되어 이 수치가 크게 감소합니다. 이와 같이 높은 해상도의 측정이 가능해진 것은 이번이 처음입니다. 그 결과, 이제 테스트 기하학적 구조의 변화로 인해 발생하는 하중 형태의 차이를 측정할 수 있게 되었습니다.

개발된 수치 해석 루틴은 하중을 시각화하고, 이를 수치 모델에 직접 적용하여 폭발 폭파에 대한 구조물 반응 모델링의 첫 단계로 활용할 수 있는 매우 강력한 방법을 제공합니다. 이번 테스트에서 생성된 데이터는 차세대 수치 모델을 고도화하기 위한 독보적인 검증 데이터를 제공하였으며, 이를 통해 해당 문제에 대한 이해도를 높이고 폭발 충격으로부터 우리 자신을 보호하는 능력을 향상시켰습니다.