Blast Kwantificering Met behulp van Hopkinson Pressure Bars
July 5th, 2016
Dit protocol beschrijft het gebruik van Hopkinson-drukstaven om de gereflecteerde blastlading van nabije explosieve gebeurtenissen te meten. Het is in staat om een druk-tijdsverloop op elk punt op een reflecterende grens te interpoleren en kan als zodanig worden gebruikt om de ruimtelijke en temporele variaties in geproduceerde belasting volledig te karakteriseren.
Het algemene doel van dit experiment is om de ruimtelijke en temporele verdeling van de druk in de extreem agressieve omgeving die dicht bij een explosieve lading wordt gegenereerd, nauwkeurig te meten. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van de belangrijkste vragen op het gebied van bescherming tegen explosies, zoals de exacte vorm van de overgedragen lading en hoe factoren zoals het type en de vorm van het explosief de overgedragen lading beïnvloeden. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het ons toestaat drukken te registreren die buiten de grenzen van traditionele meetmethoden liggen.
Hoewel deze methode inzicht kan geven in vrije luchtexplosies, kan deze ook worden toegepast op andere gebeurtenissen, zoals begraven of onderwaterladingen. We testten eerst het idee voor deze methode met een enkele Hopkinson-drukstaaf en realiseerden ons al snel dat een groot aantal nodig is om de gegevens nauwkeurig vast te leggen. Om te beginnen, bereken de geschatte maximale impuls die de testframe-opstelling zal genereren met behulp van softwareanalyse, zoals met ConWep.
Voor begraven ladingen is dit proces minder eenvoudig omdat het meer geavanceerde numerieke technieken vereist om de interactie tussen de bodem, het explosief en de doelplaat te modelleren. Details over de productie van het testframe en de belastingscellen worden in het tekstprotocol gegeven. Kies de positie op de Hopkinson-drukstaven waar de spanningsmeter zal worden geplaatst, zo dicht mogelijk bij het beladen gezicht om spreiding te minimaliseren.
In deze opstelling resulteert de dikte van de doelplaat en de manoeuvreerbaarheid die vereist is om de staven te passen, in het installeren van de meetstaven 250 millimeter van het beladen gezicht. De berekende straal van de staaf die vereist is om het evenement vast te leggen, is in dit geval vijf millimeter. Gebruik de hoogste ruimtelijke resolutie voor de staven die de structurele integriteit niet in gevaar brengt.
In dit geval is de afstand 25 millimeter. Verdere details worden gegeven in het tekstprotocol. Om te beginnen, gebruik cyanoacrylaat om de halfgeleiderspanningsmeter aan de Hopkinson-drukstaven en vervolgens aan de belastingscellen te bevestigen.
Pas de doelplaat aan de stijve reactieframe aan met behulp van de belastingscellen indien nodig. Zorg ervoor dat alle bekabeling goed geaard is voor een betere signaalkwaliteit. De bedrading moet ook lang genoeg zijn om verbinding te maken met een oscilloscoop buiten het explosiegebied.
Elke afgeschermde draad moet voldoende signaal dragen. Hang nu de Hopkinson-drukstaven op van de staafsamenstellingsonderdelen. Laat het beladen uiteinde door het juiste gat in de doelplaat en hang de Hopkinson-drukstaven vrij op van de moer die op hun distale uiteinden is geschroefd.
Gebruik een waterpas om de moeren aan te passen om de staven verticaal te positioneren en om hun gezichten vlak te maken met de doelplaat. Gebruik nu proef en fout om de trim op de variabele weerstand in de conditioneringscircuit in te stellen om de spanning binnen de limieten van de oscilloscoop te houden. Nul het onevenwichtige lezen op elk kanaal zoals gerapporteerd door de versterkerboxen.
Verbind vervolgens de versterkte meteruitvoer naar een geschikte digitale oscilloscoop. Configureer de oscilloscoop naar een 1,56 megahertz samplefrequentie met een 28,7 milliseconden opnameduur en stel de voorafgaande triggerduur in op 3,3 milliseconden. Er moeten in totaal 22 meetstaven worden aangesloten, 17 van Hopkinson-drukstaven, vier van belastingscellen en de ene breekdraad.
Registreer de spanning en tijd van elke meter. Stel de opname in om te triggeren wanneer de spanning in de breekdraad een uit-vensterwaarde overschrijdt, zoals plus of min 100 millivolt. In het geval van een vrije luchtladingtest, gebruik een dunne houten strook om de lading onder de doelplaat op de juiste afstand te suspenderen, in dit geval 200 millimeter.
Positioneer de lading coaxiaal met de meetarray om geldige metingen te verzekeren. Het kritieke element in de begraven ladingtest is de voorbereiding van de bodem en het begraafproces. Precisie is vereist om herhaalbare resultaten te garanderen.
Sluit vervolgens het bereik. Plaats wachters om ervoor te zorgen dat het bereik vrij is tijdens het vuren. Nu, net voordat een vrije luchtlading wordt afgevuurd, bevestig de breekdraad aan de ontsteker en steek een elektrische ontsteker halverwege in de lading vanaf de basis.
Ga nu naar het vuurpunt en bevestig dat de instrumentatie werkt. Geef vervolgens stroom aan de breekdraad. Zorg er nu voor dat u met de wachters controleert of het veilig is om door te gaan met het vuren.
Initieer vervolgens de explosieven. Na de ontploffing, maak het testgebied veilig en download en back-up de gegevens. Terwijl er een protocol wordt geschreven om de stappen in dit stadium te beschrijven, wordt ook een ontwikkeld Matlab-script beschikbaar gesteld om de gegevensverwerking snel te laten verlopen met behulp van de exacte methodologie.
Importeer de gegevens van de ruwe gegevensbestanden naar Matlab door te dubbelklikken op de bestandsnaam en vervolgens op Voltooien te klikken in de Import Wizard. Open vervolgens het Matlab-script voor interpolatie. In het meshing-gedeelte van de code, definieer een regelmatig raster waarover de interpolatie zal worden uitgevoerd door het raster te wijzigen.
Gebruik dezelfde resolutie in toekomstige numerieke modellering. Deze cruciale stap transformeert de discrete gegevens in een 2D-kaart. Het script zal alle Hopkinson-drukstaafdruktraces in de tijd verschuiven.
De tijdverschuiving is vereist om de interpolatieroutine succesvol de schokfront op elk gewenst moment te laten lokaliseren. Liniër de nu de gegevens van elke radiale array zodat alle maximale drukken gesynchroniseerd zijn. Bereken vervolgens de straal, r, en hoek, beta, voor een gegeven punt van belang op het raster.
Pas de 1D-interpolatie toe op de twee Hopkinson-drukstaafarrays die het dichtst bij het punt van belang van de huidige straal liggen. Bijvoorbeeld, bij 45 graden, zou de
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit protocol beschrijft het gebruik van Hopkinson-drukstaven om de gereflecteerde explosielas te meten van nabije explosieve gebeurtenissen. Het is in staat om een druk-tijdsverloop te interpoleren op elk punt op een reflecterende grens, wat een uitgebreide karakterisering van lasvariatie mogelijk maakt.
Belangrijke onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Bespuitbeschermingstechniek
- Drukmeettechnieken
- Analyse van explosieve gebeurtenissen
Achtergrond
- Het experiment is bedoeld om de drukverdeling in agressieve omgevingen nabij explosieve ladingen te meten.
- Deze methode beoogt cruciale vragen te beantwoorden over de aard van de overgebrachte lasten van explosies.
- Het verbetert traditionele meetmethoden door extreme drukwaarden vast te leggen.
- Toepasbaar op verschillende explosieve scenario's, inclusief vrije lucht, begraven en onderwaterlading.
Doel van het onderzoek
- Om ruimtelijke en temporele drukverdelingen van explosieve gebeurtenissen nauwkeurig te meten.
- Om te begrijpen hoe het type en de vorm van explosieven de overgebrachte last beïnvloeden.
- Om dataverzameltechnieken voor bespuitlasanalyse te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Gebruik van Hopkinson-drukstaven voor drukmeting.
- Softwareanalyse voor het berekenen van de maximale impuls gegenereerd door testframeopstellingen.
- Implementatie van een groot aantal drukstaven voor uitgebreide dataverzameling.
- Toepassing van de methode op verschillende explosieve scenario's.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle registratie van drukken voorbij de traditionele meetlimieten.
- Inzichten in de aard van de lasten die worden overgebracht door verschillende typen explosieven.
- Bewezen effectiviteit van de methode in verschillende explosieve contexten.
- Validatie van de noodzaak van een groot aantal drukstaven voor nauwkeurige dataverzameling.
Conclusies
- De methode biedt een betrouwbare manier om de kenmerken van de bespuitlas te meten.
- Het verbetert het begrip van explosieve interacties en hun effecten.
- Toekomstige toepassingen kunnen zich uitbreiden naar andere gebieden van bespuitbeschermingstechniek.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This method enables high-resolution measurement of blast pressure distributions in extreme environments, supporting predictive modeling of structural responses to explosive loading. By capturing spatial and temporal pressure data beyond traditional sensor limits, it provides critical validation data for numerical simulations used in defense and safety engineering. The technique enhances mechanistic understanding of blast-wave interactions with materials, informing risk assessment and design validation in high-consequence scenarios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of mechanical stress pathways under extreme loading conditions relevant to mechanobiology studies.
- Operational Value: Provides a robust platform for applying controlled, high-magnitude mechanical stimuli to biological systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, time-resolved pressure profiles that can correlate with cellular response thresholds in mechanosensitive assays.
- Operational Value: Supports standardization of mechanical input parameters across replicate experiments for improved reproducibility.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates preclinical evaluation of blast injury models by delivering reproducible, spatially defined overpressure profiles.
- Operational Value: Enables scalable testing of countermeasures or protective interventions under controlled blast conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by providing biomechanical inputs that inform target engagement under stress, support assay development for mechanotransduction pathways, and enable preclinical validation of injury mechanisms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how extreme mechanical forces influence signaling pathways and cellular fate decisions.
- Screening: Delivers reproducible, quantifiable mechanical stimuli for screening compounds that modulate cellular responses to pressure or stretch.
- Analytics: Yields high-fidelity pressure-time histories and spatial maps that serve as objective inputs for computational modeling of biological responses.
- Translational Research: Connects in vitro findings to preclinical models by providing standardized blast loading profiles relevant to traumatic brain injury or lung injury studies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for generating extreme mechanical environments across multiple projects in neurotrauma, pulmonary, or musculoskeletal research.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in models of mechanosensitive pathways by providing empirically validated loading conditions.
- Operational Value: Ensures reproducibility and spatial fidelity of mechanical inputs across laboratories and test campaigns.
- Strategic Value: Reduces biological risk in translational programs by enabling early-stage validation of therapeutic candidates under relevant stress conditions.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions by clarifying mechanistic links between blast exposure and pathological outcomes.
Implementation Considerations
- Expertise in experimental mechanics, strain gauge instrumentation, and high-speed data acquisition is required.
- Access to machining facilities, oscilloscopes with MHz sampling rates, and signal conditioning circuits is necessary.
- Standardization of bar alignment, gauge placement, and triggering protocols across teams ensures data comparability.
- Adaptation to biological systems requires biocompatible interfacing and isolation of samples from blast debris while maintaining pressure transmission fidelity.
- Practical limitations include the need for controlled blast ranges, safety protocols, and post-test data processing expertise using tools like MATLAB for interpolation.
