Blast Kwantificering Met behulp van Hopkinson Pressure Bars

Het algemene doel van dit experiment is om de ruimtelijke en temporele drukverdeling nauwkeurig te meten in de extreem agressieve omgeving die vlakbij een explosieve lading ontstaat. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen op het gebied van explosiebeveiligingstechniek, zoals de exacte vorm van de opgelegde belasting en hoe factoren zoals het type en de vorm van het explosief de opgelegde belasting beïnvloeden. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het ons in staat stelt om drukken vast te leggen die buiten de limieten van traditionele meetmethoden liggen.

Hoewel deze methode inzicht kan bieden in explosies in de open lucht, kan deze ook worden toegepast op andere gebeurtenissen, zoals begraven of onderwaterladingen. We hebben het concept voor deze methode eerst getest met een enkele Hopkinson-drukstaaf en al snel vastgesteld dat een groot netwerk nodig is om de gegevens nauwkeurig vast te leggen. Begin met het berekenen van de bijbenaderde maximale impuls die de opstelling van het testframe zal genereren met behulp van softwareanalyse, zoals met ConWep.

Voor begraven ladingen is dit proces minder eenvoudig, omdat er geavanceerdere numerieke technieken nodig zijn om de interactie tussen de bodem, de explosieven en de doelplaat te modelleren. Details over de vervaardiging van het testframe en de krachtmeters worden elk in het tekstprotocol beschreven. Kies de positie op de Hopkinson-drukstaven waar de rekstrook wordt geplaatst, waarbij deze zo dicht mogelijk bij het belaste vlak moet liggen om dispersie te minimaliseren.

In deze opstelling zorgen de dikte van de doelplaat en de manoeuvreerbaarheid die nodig is om de staven te plaatsen ervoor dat de meters op 250 millimeter van het belaste vlak worden geïnstalleerd. De berekende straal van de staaf die nodig is om de gebeurtenis vast te leggen, bedraagt in dit geval vijf millimeter. Gebruik de nauwste ruimtelijke resolutie voor de staven die de structurele integriteit niet in gevaar brengt.

In dit geval is de afstand 25 millimeter. Verdere details worden in het tekstprotocol gegeven. Begin met het bevestigen van de halfgeleidende rekstrookjes aan de Hopkinson-drukstaven met cyanoacrylaat, en vervolgens aan de loadcellen.

Bevestig de doelplaat aan het starre reactieframe met behulp van de loadcells indien nodig. Zorg ervoor dat alle bekabeling goed geaard is voor een verbeterde signaalkwaliteit. De bedrading moet bovendien lang genoeg zijn om verbinding te maken met een oscilloscoop buiten het blastgebied.

Elke afgeschermde draad moet voldoende signaal geleiden. Hang nu de Hopkinson-drukstaven aan de ontvanger van de staafassemblage. Voer het belaste uiteinde door het juiste gat in de doelplaat en laat de Hopkinson-drukstaven vrij hangen aan de moer die op hun distale uiteinden is geschroefd.

Stel de moeren met behulp van een waterpas zo af dat de stangen verticaal staan en hun vlakken gelijk liggen met de doelplaat. Gebruik vervolgens een trial-and-errormethode om de trim van de variabele weerstand in het conditioneringscircuit zo in te stellen dat de spanning binnen de limieten van de oscilloscoop blijft. Stel de onbalansmeting op elk kanaal in op nul, zoals aangegeven door de versterkerboxen.

Sluit vervolgens de versterkte output van de meetgauges aan op een geschikte digitale oscilloscoop. Configureer de oscilloscoop op een bemonsteringsfrequentie van 1,56 megahertz met een opnameduur van 28,7 milliseconden en stel de pre-triggerduur in op 3,3 milliseconden. In totaal moeten er 22 gauges worden aangesloten: 17 van de Hopkinson-drukstaven, vier van de krachtsensoren en de ene breekdraad.

Registreer de spanning en tijd van elke meter. Stel de registratie zo in dat deze wordt geactiveerd wanneer de spanning in de onderbrekingsdraad een waarde buiten het venster overschrijdt, zoals plus of min 100 millivolts. In het geval van een vrije-luchtladingsproef wordt een dunne houten strip gebruikt om de lading onder de doelplaat op de juiste afstand op te hangen, in dit geval 200 millimeters.

Positioneer de lading coaxiaal met de meetmatrix om geldige metingen te garanderen. Het kritieke element bij de test met de ingegraven lading is de voorbereiding van het bodembed en het proces van het ingraven. Precisie is vereist om te waarborgen dat reproduceerbare resultaten worden behaald.

Sluit vervolgens het schietveld af. Plaats wachten om ervoor te zorgen dat het schietveld vrij is tijdens het vuren. Bevestig nu, vlak voor het afvuren van een vrije luchtlading, de breekdraad aan de ontsteker en voeg een elektrische ontsteker vanaf de basis tot halverwege in de lading in.

Ga nu naar het afvuurpunt en controleer of de instrumentatie operationeel is. Voer vervolgens stroom toe aan de trekdraad. Controleer nu bij de wachtposten of het veilig is om over te gaan tot het afvuren.

Activeer vervolgens de explosieven. Maak na de detonatie het testgebied veilig en download en back-up de gegevens. Terwijl er een protocol wordt geschreven om de benodigde stappen in deze fase te beschrijven, wordt er ook een ontwikkeld Matlab-script beschikbaar gesteld om de gegevensverwerking snel uit te voeren met behulp van exact dezelfde methodologie.

Importeer de gegevens uit de ruwe databestanden in Matlab door dubbel te klikken op de bestandsnaam en vervolgens op Voltooien te klikken in de Importwizard. Open daarna het Matlab-script voor interpolatie. Definieer in het gedeelte over het maaswerk (meshing) van de code een regelmatig raster waarover de interpolatie zal worden uitgevoerd door het maaswerk aan te passen.

Gebruik dezelfde resolutie bij elke toekomstige numerieke modellering. Deze cruciale stap transformeert de discrete gegevens naar een 2D-kaart. Het script zal alle drukcurves van de Hopkinson-drukstaven in de tijd verschuiven.

De tijdsverschuiving is nodig om de interpolatieroutine in staat te stellen het schokfront op elk gegeven tijdstip succesvol te lokaliseren. Lijn nu de gegevens van elke radiale array uit, zodat alle maximale drukken gesynchroniseerd zijn. Bereken vervolgens de straal, r, en de hoek, beta, voor een specifiek punt van belang op het rooster.

Pas de 1D-interpolatie toe op de twee Hopkinson-drukstaven-arrays die het dichtst bij het interessepunt van de huidige straal liggen. Bijvoorbeeld, bij 45 graden zou de interpolatie de X, X- en Y, Y-arrays gebruiken. Interpoleer nu de lineariteit tussen de twee drukken op basis van de hoek.

Gebruik bijvoorbeeld bij 45 graden 50%X, X en 50%Y, Y. Verschuif vervolgens de druk-tijdgeschiedenis voor elke locatie in de tijd op basis van een kubische interpolatie van de aankomsttijd van de schokgolf. Uiteindelijk is het resultaat een volledig geïnterpoleerde druk-tijdgeschiedenis. Er is een effectief star reactieframe ontworpen dat in staat is om enkele honderd Newton-seconden te weerstaan met minimale doorbuiging, gebruikmakend van een 100 millimeter zachtstalen doelplaat.

Dit frame was bestand tegen tests tot 500 Newton-seconden. Er werd een enkele test uitgevoerd met 17 Hopkinson-drukstaven, geconfigureerd in een 2D-array, waarbij gebruik werd gemaakt van staven met een lengte van 3,25 meter en een straal van vijf millimeter. De tussenruimte werd ingesteld op 25 millimeter.

Voor deze test werd de rekstrook op 0,25 meter van het belaste oppervlak bevestigd. Een lading die begraven was in verzadigde bodem werd gedetoneerd. Gegevens van elk van de vier radiale arrays met een centrale Hopkinson-drukstaaf die gemeenschappelijk is voor alle plots tonen het zeer duidelijke schokfront, waarbij de druk langzaam afneemt met de radiale afstand.

De geregistreerde druk-tijdgeschiedenissen zijn vervolgens via de 2D-interpolatieroutine verwerkt. De geïnterpoleerde druk op de doelplaat vertoont een vertraging van 20 milliseconden bij de aankomst van het schokfront. Het schokfront is de tijd die de schokgolf nodig heeft om de afstand tussen de lading en de doelplaat te overbruggen.

De asymmetrische aard van de belasting is vooral duidelijk bij 0,22 milliseconden. Tegen 0,3 milliseconden na detonatie was het schokfront bijna symmetrisch langs alle assen. Zodra de installatie in gebruik is genomen, kunnen er tot zes tests in open lucht per dag worden uitgevoerd.

Dit aantal is aanzienlijk kleiner bij een test met begraven ladingen vanwege de extra complexiteit bij het voorbereiden van de bodem. Dit is de eerste keer dat dergelijke metingen met een hoge resolutie mogelijk zijn geweest. Hierdoor zijn we nu in staat om het verschil in de vorm van de belasting te meten dat wordt veroorzaakt door variaties in de testgeometrie.

De ontwikkelde numerieke routine biedt een zeer krachtige manier om de belasting te visualiseren en deze belasting vervolgens direct toe te passen in numerieke modellen als eerste stap bij het modelleren van de respons van constructies op explosieve detonaties. De gegevens die uit de huidige test zijn voortgekomen, hebben unieke validatiedata opgeleverd om de volgende generatie numerieke modellen te verbeteren, waardoor ons begrip van het probleem en ons vermogen om onszelf tegen explosieve blastgolven te beschermen zijn vergroot.