Explosão Quantificação Usando barras de pressão Hopkinson
5 de julho de 2016
Este protocolo detalha o uso de barras de pressão de Hopkinson para medir a carga de explosão refletida de eventos explosivos de campo próximo. É capaz de interpolar uma história de pressão-tempo em qualquer ponto de um limite reflexivo e, como tal, pode ser usado para caracterizar completamente as variações espaciais e temporais na carga produzida.
O objetivo geral deste experimento é medir com precisão a distribuição espacial e temporal da pressão no ambiente extremamente agressivo gerado próximo a uma carga explosiva. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área da engenharia de proteção contra explosões, como a forma exata da carga transferida e como fatores como o tipo e a forma do explosivo influenciam essa carga. A principal vantagem desta técnica é que ela nos permite registrar pressões que estão além dos limites das abordagens tradicionais de medição.
Embora este método possa fornecer informações sobre explosões em ar livre, ele também pode ser aplicado a outros eventos, como cargas enterradas ou subaquáticas. Testamos inicialmente a ideia deste método utilizando uma única barra de pressão de Hopkinson e logo percebemos que uma grande matriz é necessária para capturar com precisão os dados. Para começar, calcule o impulso máximo aproximado que a configuração do quadro de teste irá gerar usando análise por software, como com o ConWep.
Para cargas enterradas, esse processo é menos direto, pois exige técnicas numéricas mais avançadas para modelar a interação entre o solo, os explosivos e a placa alvo. Os detalhes sobre a fabricação do quadro de teste e das células de carga são fornecidos no protocolo textual. Escolha a posição nas barras de pressão de Hopkinson onde o extensômetro será posicionado, o mais próximo possível da face carregada para minimizar a dispersão.
Nesta configuração, a espessura da placa alvo e a manobrabilidade necessária para acomodar as barras resultam na instalação dos medidores a 250 milímetros da face carregada. O raio calculado da barra necessário para capturar o evento é, neste caso, cinco milímetros. Utilize a resolução espacial mais fina possível para as barras, desde que não comprometa a integridade estrutural.
Neste caso, a distância é de 25 milímetros. Mais detalhes são fornecidos no protocolo descrito no texto. Para começar, utilizando cianoacrilato, fixe o extensômetro semicondutor nas barras de pressão de Hopkinson e, em seguida, nas células de carga.
Acople a placa alvo ao quadro rígido de reação utilizando as células de carga, se necessário. Certifique-se de que todos os cabos estejam bem aterrados para melhorar a qualidade do sinal. Os cabos também devem ser longos o suficiente para se conectarem a um osciloscópio fora da área de explosão.
Qualquer fio blindado deve conduzir sinal suficiente. Agora, pendure as barras de pressão de Hopkinson no receptor da montagem de barras. Passe a extremidade carregada através do orifício correto na placa alvo e pendure as barras de pressão de Hopkinson livremente pela porca rosqueada nas suas extremidades distais.
Usando um nível, ajuste as porcas para posicionar as barras verticalmente e para alinhar suas faces com a placa-alvo. Agora, use tentativa e erro para ajustar o trim do resistor variável no circuito de condicionamento, mantendo a tensão dentro dos limites do osciloscópio. Zere a leitura de desequilíbrio em cada canal conforme indicado pelas caixas amplificadoras.
Em seguida, conecte a saída amplificada do medidor a um osciloscópio digital apropriado. Configure o osciloscópio para uma frequência de amostragem de 1,56 megahertz, com duração de gravação de 28,7 milissegundos, e defina a duração do pré-trigger como 3,3 milissegundos. Um total de 22 medidores deve ser conectado, sendo 17 dos barramentos de pressão Hopkinson, quatro das células de carga e um do fio de ruptura.
Registre a tensão e o tempo de cada medidor. Configure a gravação para ser acionada quando a tensão no fio de ruptura exceder um valor fora da janela, como mais ou menos 100 milivolts. No caso de um teste de carga em ar livre, use uma tira fina de madeira para suspender a carga abaixo da placa-alvo na distância correta, neste caso 200 milímetros.
Posicione a carga coaxialmente com o arranjo de medição para garantir leituras válidas. O elemento crítico no teste de carga enterrada está na preparação do leito de solo e no processo de enterro. É necessária precisão para assegurar que resultados reprodutíveis sejam obtidos.
Em seguida, feche o campo de tiro. Posicione sentinelas para garantir que o campo esteja desobstruído durante o disparo. Agora, logo antes de disparar uma carga em ambiente aberto, conecte o fio de ruptura ao detonador e insira um detonador elétrico até a metade da carga, a partir da base.
Agora, dirija-se ao ponto de disparo e confirme que a instrumentação está operacional. Em seguida, forneça energia ao fio de ruptura. Agora, certifique-se de consultar os sentinelas para verificar se é seguro prosseguir com o disparo.
Em seguida, inicie os explosivos. Após a detonação, torne a área de teste segura e faça o download e o backup dos dados. Enquanto um protocolo está sendo elaborado para descrever os passos necessários nesta etapa, um script Matlab desenvolvido também está sendo disponibilizado para permitir que o processamento dos dados seja realizado rapidamente usando a metodologia exata.
Importe os dados dos arquivos de dados brutos para o Matlab clicando duas vezes no nome do arquivo e, em seguida, clicando em Concluir no Assistente de Importação. Em seguida, abra o script Matlab de interpolação. Na seção de malha do código, defina uma grade regular sobre a qual a interpolação será executada, alterando a malha.
Utilize a mesma resolução em qualquer modelagem numérica futura. Esta etapa crucial transforma os dados discretos em um mapa 2D. O script irá deslocar no tempo todos os traços de pressão da barra de pressão de Hopkinson.
O deslocamento temporal é necessário para permitir que a rotina de interpolação localize com sucesso a frente de choque em qualquer instante dado. Em seguida, alinhe os dados de cada arranjo radial de modo que todas as pressões máximas fiquem sincronizadas. Depois, calcule o raio, r, e o ângulo, beta, para um determinado ponto de interesse na grade.
Aplicar a interpolação 1D aos dois conjuntos de barras de pressão de Hopkinson mais próximos do ponto de interesse no raio atual. Por exemplo, a 45 graus, a interpolação utilizaria os conjuntos X, X e Y, Y. Agora, interpolar a linearidade entre as duas pressões com base no ângulo.
Por exemplo, a 45 graus, utilize 50%X, X e 50%Y, Y. Em seguida, desloque no tempo o histórico da pressão para cada local com base na interpolação cúbica do tempo de chegada do choque. Em última análise, o resultado é um histórico de pressão no tempo totalmente interpolado. Uma estrutura de reação efetivamente rígida, capaz de resistir a várias centenas de newton-segundos com mínima deflexão, foi concebida utilizando uma placa-alvo de aço doce de 100 milímetros.
Esta estrutura suportou testes até 500 newton-segundos. Um único teste foi realizado com 17 barras de pressão de Hopkinson configuradas em uma matriz 2D, utilizando barras de 3,25 metros de comprimento com raios de cinco milímetros. O espaçamento foi definido em 25 milímetros.
Para este teste, o extensômetro foi fixado a 0,25 metros da face carregada. Uma carga enterrada em solo saturado foi detonada. Os dados de cada uma das quatro matrizes radiais com uma barra de pressão de Hopkinson central comum a todos os gráficos mostram uma frente de choque muito nítida, com a pressão decrescendo lentamente com a distância radial.
Os históricos de pressão registrados foram então submetidos à rotina de interpolação 2D. A pressão interpolada atuando na placa-alvo mostra um atraso de 20 milissegundos na chegada do frente de choque. A frente de choque é o tempo necessário para a onda de choque percorrer a distância entre a carga e a placa-alvo.
A natureza assimétrica do carregamento é especialmente clara em 0,22 milissegundos. Em 0,3 milissegundos após a detonação, o frente de choque estava quase simétrica ao longo de todos os eixos. Uma vez que o equipamento é comissionado, até seis testes em ar livre por dia podem ser realizados.
Esse número é grandemente reduzido com um teste que utiliza cargas enterradas, devido à complexidade adicional envolvida na preparação do solo. Esta é a primeira vez que medições com tal resolução foram possíveis. Como resultado, agora somos capazes de medir a diferença na forma do carregamento causada por variações na geometria do teste.
A rotina numérica desenvolvida oferece um método muito eficaz para visualizar o carregamento e, em seguida, aplicar esse carregamento diretamente em modelos numéricos, atuando como um primeiro passo na modelagem da resposta de estruturas a detonações explosivas. Os dados obtidos a partir do teste atual forneceram dados exclusivos de validação para aprimorar a próxima geração de modelos numéricos, melhorando nossa compreensão do problema e nossa capacidade de nos proteger contra explosões.
Veja a transcrição completa e aceda a milhares de vídeos científicos
Visão Geral
Este protocolo detalha o uso de barras de pressão de Hopkinson para medir o carregamento refletido de explosões próximas. É capaz de interpolar um histórico de pressão-tempo em qualquer ponto de uma fronteira reflexiva, permitindo uma caracterização abrangente das variações de carregamento.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Engenharia de proteção contra explosões
- Técnicas de medição de pressão
- Análise de eventos explosivos
Contexto
- O experimento tem como objetivo medir a distribuição de pressão em ambientes agressivos próximos a cargas explosivas.
- Este método aborda questões fundamentais sobre a natureza das cargas transmitidas por explosões.
- Ele aprimora as abordagens tradicionais de medição ao capturar valores extremos de pressão.
- Aplicável a diversos cenários explosivos, incluindo cargas em ar livre, enterradas e subaquáticas.
Objetivo do Estudo
- Medir com precisão as distribuições espaciais e temporais de pressão provenientes de eventos explosivos.
- Compreender como o tipo e a forma da explosão influenciam a carga transferida.
- Aprimorar as técnicas de captura de dados para análise de carregamento por explosão.
Métodos Utilizados
- Utilização de barras de pressão de Hopkinson para medição de pressão.
- Análise por software para calcular o impulso máximo gerado por arranjos de estrutura de teste.
- Implementação de uma grande matriz de barras de pressão para coleta abrangente de dados.
- Aplicação do método a diversos cenários explosivos.
Resultados Principais
- Gravação bem-sucedida de pressões além dos limites tradicionais de medição.
- Conhecimentos obtidos sobre a natureza das cargas impostas por diferentes tipos de explosivos.
- Efetividade comprovada do método em diversos contextos explosivos.
- Validação da necessidade de uma grande matriz de barras de pressão para captura precisa de dados.
Conclusões
- O método fornece um meio confiável para medir as características da carga de explosão.
- Ele aprimora a compreensão das interações explosivas e seus efeitos.
- Aplicações futuras podem estender-se a outras áreas da engenharia de proteção contra explosões.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a medição com alta resolução das distribuições de pressão de explosão em ambientes extremos, apoiando a modelagem preditiva das respostas estruturais a cargas explosivas. Ao registrar dados espaciais e temporais de pressão para além dos limites tradicionais dos sensores, fornece dados essenciais de validação para simulações numéricas utilizadas na engenharia de defesa e segurança. A técnica aprimora a compreensão mecanicista das interações entre ondas de choque e materiais, contribuindo para a avaliação de riscos e a validação de projetos em cenários de alta consequência.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de vias de estresse mecânico sob condições extremas de carga relevantes para estudos de mecanobiologia.
- Valor Operacional: Oferece uma plataforma robusta para aplicar estímulos mecânicos controlados e de alta magnitude a sistemas biológicos.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gera perfis quantitativos de pressão com resolução temporal que podem se correlacionar com limiares de resposta celular em ensaios mecanossensíveis.
- Valor Operacional: Apoia a padronização de parâmetros de entrada mecânica em experimentos replicados, melhorando a reprodutibilidade.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Facilita a avaliação pré-clínica de modelos de lesão por explosão ao fornecer perfis de sobrepressão reprodutíveis e espacialmente definidos.
- Valor Operacional: Permite testes escalonáveis de contramedidas ou intervenções protetoras sob condições controladas de explosão.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere no continuum de descoberta ao fornecer entradas biomecânicas que informam o engajamento do alvo sob estresse, apoiar o desenvolvimento de ensaios para vias de mecanotransdução e permitir a validação pré-clínica de mecanismos de lesão.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre como forças mecânicas extremas influenciam vias de sinalização e decisões celulares quanto ao destino celular.
- Triagem: Fornece estímulos mecânicos reprodutíveis e quantificáveis para triagem de compostos que modulam as respostas celulares à pressão ou ao alongamento.
- Análise: Gera históricos de pressão-tempo de alta fidelidade e mapas espaciais que servem como entradas objetivas para modelagem computacional de respostas biológicas.
- Pesquisa Translacional: Conecta achados in vitro a modelos pré-clínicos, fornecendo perfis padronizados de carregamento por explosão relevantes para estudos de lesão cerebral traumática ou lesão pulmonar.
- Reutilização Institucional: Estabelece uma capacidade reutilizável para gerar ambientes mecânicos extremos em múltiplos projetos de pesquisa em neurotrauma, pulmonar ou músculo-esquelético.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Melhora a confiança preditiva em modelos de vias mecanossensíveis ao fornecer condições de carregamento validadas empiricamente.
- Valor Operacional: Garante a reprodutibilidade e a fidelidade espacial das entradas mecânicas entre laboratórios e campanhas de testes.
- Valor Estratégico: Reduz o risco biológico em programas translacionais ao permitir a validação em estágios iniciais de candidatos terapêuticos sob condições de estresse relevantes.
- Impacto no Portfólio: Orienta decisões de prosseguir ou não ao esclarecer as ligações mecanicistas entre exposição à onda de choque e desfechos patológicos.
Considerações sobre a Implementação
- É necessária experiência em mecânica experimental, instrumentação com extensômetros e aquisição de dados em alta velocidade.
- É necessário ter acesso a instalações de usinagem, osciloscópios com taxas de amostragem em MHz e circuitos de condicionamento de sinal.
- A padronização do alinhamento das barras, da colocação dos extensômetros e dos protocolos de gatilhamento entre equipes garante a comparabilidade dos dados.
- A adaptação a sistemas biológicos exige interfaces biocompatíveis e o isolamento das amostras dos detritos da explosão, mantendo a fidelidade da transmissão da pressão.
- As limitações práticas incluem a necessidade de áreas controladas para explosões, protocolos de segurança e expertise em processamento de dados pós-teste utilizando ferramentas como o MATLAB para interpolação.
