Kwantyfikacja strumienia za pomocą prętów ciśnieniowych Hopkinsona

Ogólnym celem tego eksperymentu jest dokładne zmierzenie przestrzennego i czasowego rozkładu ciśnienia w ekstremalnie agresywnym środowisku generowanym w pobliżu ładunku wybuchowego. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii ochrony przeciwwybuchowej, takie jak dokładna forma przekazywanego ładunku oraz wpływ czynników takich jak rodzaj i kształt materiału wybuchowego na przenoszony ładunek. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala nam rejestrować ciśnienia, które wykraczają poza granice tradycyjnych podejść pomiarowych.

Chociaż ta metoda może dostarczyć informacji na temat eksplozji na wolnym powietrzu, może być również stosowana do innych zdarzeń, takich jak ładunki zakopane lub podwodne. Po raz pierwszy przetestowaliśmy pomysł na tę metodę przy użyciu pojedynczego pręta ciśnieniowego Hopkinsona i wkrótce zdaliśmy sobie sprawę, że do dokładnego przechwytywania danych potrzebna jest duża matryca. Na początek oblicz przybliżony maksymalny impuls, jaki wygeneruje układ ramy testowej, korzystając z analizy oprogramowania, takiego jak ConWep.

W przypadku zakopanych ładunków proces ten jest mniej prosty, ponieważ wymaga bardziej zaawansowanych technik numerycznych do modelowania interakcji między glebą, materiałami wybuchowymi i płytą docelową. Szczegółowe informacje na temat produkcji ramy testowej i ogniw obciążnikowych znajdują się w protokole tekstowym. Wybierz pozycję na prętach dociskowych Hopkinsona, w której zostanie umieszczony tensometr, będąc jak najbliżej obciążonej powierzchni, aby zminimalizować dyspersję.

W tej konfiguracji grubość tarczy celowniczej i zwrotność wymagana do dopasowania prętów powoduje, że wskaźniki są instalowane w odległości 250 milimetrów od obciążonej powierzchni. Obliczony promień pręta wymagany do uchwycenia zdarzenia wynosi w tym przypadku pięć milimetrów. Dla prętów należy stosować najwęższą rozdzielczość przestrzenną, która nie narusza integralności strukturalnej.

W tym przypadku odległość wynosi 25 milimetrów. Szczegółowe informacje znajdują się w protokole tekstowym. Aby rozpocząć, używając cyjanoakrylanu, przymocuj tensometr półprzewodnikowy do prętów ciśnieniowych Hopkinsona, a następnie do ogniw obciążnikowych.

W razie potrzeby zamontuj płytkę celowniczą do sztywnej ramy reakcyjnej za pomocą ogniw obciążnikowych. Upewnij się, że całe okablowanie jest dobrze uziemione, aby poprawić jakość sygnału. Okablowanie musi być również wystarczająco długie, aby można je było podłączyć do oscyloskopu poza obszarem wybuchu.

Każdy ekranowany przewód powinien przenosić wystarczającą ilość sygnału. Teraz zawieś pręty dociskowe Hopkinsona na odbiorniku zespołu pręta. Przełóż załadowany koniec przez odpowiedni otwór w płycie celowniczej i swobodnie zawieś pręty dociskowe Hopkinsona na nakrętki przykręconej do ich dystalnych końców.

Za pomocą poziomicy wyreguluj nakrętki, aby ustawić pręty w pionie i zrównać ich powierzchnie z płytą docelową. Teraz użyj metody prób i błędów, aby ustawić trymer na rezystorze zmiennym w obwodzie kondycjonowania, aby utrzymać napięcie w granicach oscyloskopu. Wyzeruj odczyt nierównowagi na każdym kanale, zgodnie z raportem amplifier skrzynki.

Następnie podłącz amplifikowane wyjście manometru do odpowiedniego oscyloskopu cyfrowego. Skonfiguruj oscyloskop na częstotliwość próbkowania 1,56 megaherca z czasem nagrywania 28,7 milisekundy i ustaw czas trwania przed wyzwoleniem na 3,3 milisekundy. Należy podłączyć łącznie 22 manometry, 17 z prętów ciśnieniowych Hopkinson, cztery z ogniw obciążnikowych i jeden przewód przerywający.

Zapisz napięcie i czas z każdego miernika. Ustaw nagrywanie tak, aby wyzwalało, gdy napięcie w przewodzie przerywającym przekroczy wartość poza oknem, na przykład plus lub minus 100 miliwoltów. W przypadku testu swobodnego ładowania powietrzem należy użyć cienkiego paska drewna, aby zawiesić ładunek poniżej tarczy celowniczej w odpowiednim odstępie, w tym przypadku 200 milimetrów.

Umieść ładunek współosiowo z matrycą pomiarową, aby zapewnić prawidłowe odczyty. Krytycznym elementem w teście ładunku zakopanego jest przygotowanie podłoża glebowego i proces zakopywania. Precyzja jest wymagana, aby zapewnić osiągnięcie powtarzalnych wyników.

Następnie zamknij zakres. Rozmieść wartowników, aby upewnić się, że zasięg jest czysty podczas ostrzału. Teraz, tuż przed wystrzeleniem ładunku darmowego powietrza, podłącz drut zrywający do detonatora i włóż detonator elektryczny do połowy ładunku z podstawy.

Teraz przejdź do punktu zapłonu i upewnij się, że oprzyrządowanie działa. Następnie doprowadź zasilanie do przewodu rozłączającego. Teraz upewnij się, że sprawdziłeś u wartowników, czy można bezpiecznie kontynuować strzelanie.

Następnie zainicjuj ładunki wybuchowe. Po detonacji zabezpiecz obszar testowy i pobierz dane oraz wykonaj ich kopię zapasową. Podczas gdy tworzony jest protokół opisujący kroki wymagane na tym etapie, udostępniany jest również opracowany skrypt Matlab, który umożliwia szybkie przetwarzanie danych przy użyciu dokładnej metodologii.

Zaimportuj dane z plików surowych danych do Matlaba, klikając dwukrotnie nazwę pliku, a następnie klikając Zakończ w Kreatorze importu. Następnie otwórz skrypt Matlab interpolacji. W sekcji kodu dotyczącej tworzenia siatki zdefiniuj regularną siatkę, po której będzie przebiegać interpolacja, zmieniając siatkę.

Tej samej rozdzielczości należy używać w każdym przyszłym modelowaniu numerycznym. Ten kluczowy krok przekształca dyskretne dane w mapę 2D. Skrypt przesunie w czasie wszystkie ślady ciśnienia w barze Hopkinsona.

Przesunięcie w czasie jest wymagane, aby procedura interpolacji mogła skutecznie zlokalizować front uderzeniowy w dowolnym momencie. Teraz wyrównaj dane z każdej tablicy promieniowej, aby wszystkie maksymalne ciśnienia były zsynchronizowane. Następnie oblicz promień, r i kąt, beta, dla danego punktu zainteresowania na siatce.

Zastosuj interpolację 1D do dwóch układów prętów ciśnieniowych Hopkinsona znajdujących się najbliżej punktu zainteresowania o bieżącym promieniu. Na przykład przy 45 stopniach interpolacja użyje tablic X, X i Y, Y. Teraz przeprowadź interpolację liniowości między dwoma ciśnieniami w oparciu o kąt.

Na przykład pod kątem 45 stopni użyj 50% X, X i 50%Y, Y. Następnie przesuń w czasie historię czasu ciśnienia dla każdej lokalizacji w oparciu o interpolację sześcienną czasu nadejścia wstrząsu. Ostatecznym rezultatem jest w pełni interpolowana historia czasowa ciśnienia. Skutecznie sztywny szkielet reakcyjny, zdolny do wytrzymania kilkuset Newtonosekund przy minimalnym ugięciu, został zaprojektowany przy użyciu 100-milimetrowej płytki celowniczej ze stali miękkiej.

Ta rama wytrzymała testy do 500 niutonosekund. Pojedynczy test został wykonany z 17 prętami dociskowymi Hopkinsona skonfigurowanymi w układzie 2D wykorzystującym pręty o długości 3,25 metra i promieniach pięciu milimetrów. Rozstaw został ustawiony na 25 milimetrów.

Na potrzeby tego testu tensometr został przymocowany w odległości 0,25 metra od obciążonej powierzchni. Zdetonowano ładunek zakopany w przesiąkniętej glebie. Dane z każdej z czterech tablic radialnych z centralnym prętem ciśnienia Hopkinsona wspólnym dla wszystkich wykresów pokazują bardzo wyraźny front uderzeniowy, z ciśnieniem zanikającym powoli wraz z odległością radialną.

Zarejestrowane historie czasowe ciśnienia zostały następnie poddane procedurze interpolacji 2D. Interpolowane ciśnienie działające na tarczę celowniczą wykazuje 20-milisekundowe opóźnienie w nadejściu frontu uderzeniowego. Czoło uderzeniowe to czas potrzebny fali uderzeniowej na pokonanie odległości między ładunkiem a płytą celu.

Asymetryczny charakter obciążenia jest szczególnie wyraźny przy 0,22 milisekundy. Po 0,3 milisekundy od detonacji front uderzeniowy był niemal symetryczny wzdłuż wszystkich osi. Po uruchomieniu urządzenia można przeprowadzić do sześciu testów na wolnym powietrzu dziennie.

Liczba ta jest znacznie zmniejszona dzięki testowi z użyciem zakopanych ładunków ze względu na dodatkową złożoność przygotowania gleby. Po raz pierwszy możliwe są pomiary w tak wysokiej rozdzielczości. W rezultacie jesteśmy teraz w stanie zmierzyć różnicę w postaci obciążenia spowodowanego zmianami w geometrii testu.

Opracowana procedura numeryczna oferuje bardzo skuteczny sposób wizualizacji obciążenia, a następnie zastosowania tego obciążenia bezpośrednio w modelach numerycznych, aby działać jako pierwszy krok w modelowaniu reakcji konstrukcji na detonacje materiałów wybuchowych. Dane uzyskane w ramach obecnego testu dostarczyły unikalnych danych walidacyjnych w celu ulepszenia nowej generacji modeli numerycznych, poprawiając nasze zrozumienie problemu i naszą zdolność do ochrony przed wybuchami.