Explosão Quantificação Usando barras de pressão Hopkinson

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 às principais questões no campo da engenharia de proteção contra explosão, como a forma exata da carga transmitida e como fatores como tipo e forma do explosivo influenciam a carga transmitida. A principal vantagem dessa técnica é que ela nos permite registrar pressões que estão além dos limites das abordagens tradicionais de medição.

Embora esse método possa fornecer informações sobre explosões de ar livre, ele também pode ser aplicado a outros eventos, como cargas enterradas ou subaquáticas. Primeiro testamos a ideia desse método usando uma única barra de pressão de Hopkinson e logo percebemos que uma grande matriz é necessária para capturar os dados com precisão. Para começar, calcule o impulso máximo aproximado que o arranjo do quadro de teste gerará usando análise de software, como com o ConWep.

Para cargas enterradas, esse processo é menos direto, pois requer técnicas numéricas mais avançadas para modelar a interação entre o solo, os explosivos e a placa alvo. Detalhes sobre a produção do quadro de teste e das células de carga são fornecidos no protocolo de texto. Escolha a posição nas barras de pressão Hopkinson em que o strain gauge será posicionado, estando o mais próximo possível da face carregada para minimizar a dispersão.

Nesta configuração, a espessura da placa alvo e a capacidade de manobra necessária para encaixar as barras resultam na instalação dos medidores a 250 milímetros da face carregada. O raio da barra calculado necessário para capturar o evento é, neste caso, de cinco milímetros. Use a resolução espacial mais apertada para as barras que não comprometa a integridade estrutural.

Nesse caso, a distância é de 25 milímetros. Mais detalhes são fornecidos no protocolo de texto. Para começar, usando cianoacrilato, conecte o medidor de tensão semicondutor às barras de pressão Hopkinson e, em seguida, às células de carga.

Encaixe a placa alvo na estrutura de reação rígida usando as células de carga, se necessário. Certifique-se de que todo o cabeamento esteja bem aterrado para melhorar a qualidade do sinal. A fiação também deve ser longa o suficiente para se conectar a um osciloscópio fora da área de explosão.

Qualquer fio blindado deve transportar sinal suficiente. Agora, pendure as barras de pressão Hopkinson no receptor do conjunto da barra. Passe a extremidade carregada pelo orifício correto na placa alvo e pendure as barras de pressão Hopkinson livremente na porca aparafusada em suas extremidades distais.

Usando um nível, ajuste as porcas para posicionar as barras verticalmente e nivelar suas faces com a placa alvo. Agora, use tentativa e erro para definir o ajuste no resistor variável no circuito de condicionamento para manter a tensão dentro dos limites do osciloscópio. Zero a leitura de desequilíbrio em cada canal, conforme relatado pelo ampcaixas do amplificador.

Em seguida, conecte o ampsaída do medidor lificado a um osciloscópio digital adequado. Configure o osciloscópio para uma frequência de amostragem de 1,56 megahertz com uma duração de gravação de 28,7 milissegundos e defina a duração do pré-disparo para 3,3 milissegundos. 22 medidores totais devem ser conectados, 17 de barras de pressão Hopkinson, quatro de células de carga e um fio de ruptura.

Registre a tensão e o tempo de cada medidor. Defina a gravação para disparar quando a tensão no fio de interrupção exceder um valor de janela externa, como mais ou menos 100 milivolts. No caso de um teste de carga de ar livre, use uma tira fina de madeira para suspender a carga abaixo da placa-alvo no espaçamento correto, neste caso 200 milímetros.

Posicione a carga coaxialmente com a matriz de medição para garantir leituras válidas. O elemento crítico no teste de carga enterrada está na preparação do leito do solo e no processo de enterramento. A precisão é necessária para garantir que resultados repetíveis sejam alcançados.

Em seguida, feche o intervalo. Posicione sentinelas para garantir que o alcance esteja livre durante o disparo. Agora, pouco antes de disparar uma carga de ar livre, conecte o fio de ruptura ao detonador e insira um detonador elétrico na metade da carga da base.

Agora, vá para o ponto de disparo e confirme se a instrumentação está funcionando. Em seguida, forneça energia ao fio de ruptura. Agora, certifique-se de verificar com as sentinelas se é seguro prosseguir com o disparo.

Em seguida, inicie os explosivos. Após a detonação, torne a área de teste segura e baixe e faça backup dos dados. Enquanto um protocolo está sendo escrito para descrever as etapas necessárias nesta etapa, um script Matlab desenvolvido também está sendo disponibilizado para permitir que o processamento de dados seja feito 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.

Use a mesma resolução em qualquer modelagem numérica futura. Esta etapa crucial transforma os dados discretos em um mapa 2D. O script mudará o tempo de todos os traços de pressão da barra de pressão de Hopkinson.

A mudança de tempo é necessária para permitir que a rotina de interpolação localize com sucesso a frente de choque a qualquer momento. Agora, alinhe os dados de cada matriz radial para que todas as pressões máximas sejam sincronizadas. Em seguida, calcule o raio, r, e o ângulo, beta, para um determinado ponto de interesse na grade.

Aplique a interpolação 1D às duas matrizes de barras de pressão de Hopkinson mais próximas do ponto de interesse do raio atual. Por exemplo, a 45 graus, a interpolação usaria as matrizes X, X e Y, Y. Agora, interpole a linearidade entre as duas pressões com base no ângulo.

Por exemplo, a 45 graus, use 50%X, X e 50%Y, Y.Em seguida, mude o tempo do histórico de tempo de pressão para cada local com base na interpolação cúbica do tempo de chegada do choque. Em última análise, o resultado é um histórico de tempo de pressão totalmente interpolado. Uma estrutura de reação efetivamente rígida capaz de resistir a várias centenas de Newton-segundos com deflexão mínima foi concebida usando uma placa alvo de aço macio de 100 milímetros.

Este quadro resistiu a testes de até 500 Newton-segundos. Um único teste foi feito com 17 barras de pressão Hopkinson configuradas em uma matriz 2D utilizando barras de 3,25 metros de comprimento com raios de cinco milímetros. O espaçamento foi definido para 25 milímetros.

Para este teste, o extensômetro foi acoplado 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 central de Hopkinson comum a todos os gráficos mostram a frente de choque muito clara, com a pressão decaindo lentamente com a distância radial.

Os históricos de tempo de pressão registrados foram então executados através da rotina de interpolação 2D. A pressão interpolada que atua na placa alvo mostra um atraso de 20 milissegundos na chegada da frente de choque. A frente de choque é o tempo necessário para a onda de choque cobrir a distância entre a carga e a placa alvo.

A natureza assimétrica do carregamento é especialmente clara em 0,22 milissegundos. Por 0,3 milissegundos após a detonação, a frente de choque era quase simétrica ao longo de todos os eixos. Uma vez que o aparelho é comissionado, até seis testes de ar livre por dia podem ser realizados.

Este número é bastante reduzido com um teste usando cargas enterradas devido à complexidade adicional de preparar o solo. Esta é a primeira vez que tais medições de alta resolução foram possíveis. Como resultado, agora podemos medir a diferença na forma do carregamento causado por variações na geometria do teste.

A rotina numérica desenvolvida oferece uma maneira muito poderosa de visualizar o carregamento e, em seguida, aplicar esse carregamento diretamente em modelos numéricos para atuar como um primeiro passo na modelagem da resposta das estruturas às detonações explosivas. Os dados produzidos a partir do teste atual forneceram dados de validação exclusivos para aprimorar a próxima geração de modelos numéricos, melhorando nossa compreensão do problema e nossa capacidade de nos proteger contra explosões explosivas.