Взрыв Количественное Использование Гопкинсона Bars давления

Summary

Этот протокол подробно описывает использование прижимных стержней Хопкинсона для измерения отраженной взрывной нагрузки от взрывных событий в ближней зоне. Он способен интерполировать динамику давления и времени в любой точке отражательной границы и, как таковой, может быть использован для полной характеристики пространственных и временных изменений создаваемой нагрузки.

Abstract

Ближнепольная измерения нагрузки взрыва представляет проблему для многих типов датчиков, так как они должны выдерживать очень агрессивные среды и быть в состоянии измерить давление до многих сотен мегапаскалях. В связи с этим простота бара давления Гопкинсона имеет большое преимущество в том, что в то время как измерение конец стержня Гопкинсона может выдержать и подвергаться воздействию суровых условиях, тензодатчик, установленный на панели может быть проставленный на некотором расстоянии. Это позволяет защитные кожухи, которые будут использоваться, которые защищают тензометр, но не мешают приобретению измерений. Использование массива баров давления позволяет давлению времени истории на дискретных известных точек для измерения. В данной статье также описывается процедуру интерполяции, используемый для получения историй давления времени в ООН-инструментальными местах на плоскости интересов. В настоящее время этот метод был использован для измерения нагрузки от бризантных взрывчатых веществ в атмосферный воздух и захоронены неглубоко в различных почвах.

Introduction

Характеризуя выход зарядов взрывчатого вещества имеет много преимуществ, как военных, так (защиты от погребенных самодельных взрывных устройств в нынешних зонах конфликтов) и гражданское (проектирование структурных компонентов). В последнее время эта тема получила значительное внимание. Большая часть знаний, собранных была направлена ​​на количественной оценке выхода из зарядов в целях обеспечения разработки более эффективных защитных сооружений. Основной проблемой здесь является то, что если измерения сделаны не высокой точности то механизмы передачи нагрузки в этих взрывоопасных событий остаются неясными. Это, в свою очередь, приводит к проблемам проверки достоверности данных численных моделей, которые основаны на этих измерений для проверки.

Термин ближнего поля используется для описания взрывов с масштабными расстояния, Z, меньше , чем ~ 1 м / кг ^1/3, где Z = ​​R / W ^1/3, R расстояние от центра взрывчатого вещества, и W это заряд массы, выраженнаякак эквивалентная масса тротила. В этом режиме нагрузка, как правило, характеризуется чрезвычайно высокой величиной, высокой пространственной и временной неравномерные нагрузки. Прочные инструментовка, следовательно, необходимое для измерения экстремальных давлений, связанных с ближнего поля нагрузки. При масштабируемого расстояниях Z <0,4 м / кг ^1/3, прямые измерения параметров взрыва либо отсутствуют , либо очень мало ¹ и полуэмпирические прогностические данные для этого диапазона базируется почти полностью на параметрических исследований. Это связано с использованием полуэмпирических предсказания , данные Kingery и Bulmash ^2, который находится вне предполагаемого охвата автора. В то время как инструменты , основанные на этих предсказаний ^3,4 позволяют отличные первого порядка оценок нагрузки они не в полной мере захвата механики ближнего поля событий, которые являются предметом настоящего исследования.

Ближнепольная измерения взрыва имеют в последнее время сосредоточены на количественной OUTPут из заглубленных зарядов. Методики , используемые варьируются от оценки деформации , вызванной к структурной цели ^5-7 для прямого измерения глобального импульса ^8-13. Эти методы дают ценную информацию для проверки защитных конструкций системы, но не способны в полной мере исследовать механику передачи нагрузки. Тестирование может быть сделано в лабораторных масштабах (1/10 полной шкалы), или близко к полной шкалы (> 1/4), с прагматическими причинами, такими как контроль глубины захоронения или гарантируя отсутствие присущей форму фронта ударной волны генерируется использование детонаторов , а не голых зарядов ^14. С заглубленных зарядов почвенные условия должны быть в высшей степени контролировать , чтобы гарантировать повторяемость тестирования ^15.

Вне зависимости от ли заряд помещается в свободном воздухе или похоронен, наиболее фундаментальная проблема при измерении в результате взрыва является обеспечение достоверности измерений, выполненных с помощью приборов РазверYed. В проектируемой испытательное устройство ¹⁶ фиксированного 'жесткой' мишень пластина используется для защиты стержни давления Гопкинсону ¹⁷ (HPBs) , тогда как в то же время обеспечивая , что концы стержней можно записать только полное отражение давления. Авторы ранее показали , что измерение отраженного от давления жесткой мишени является более точным и повторяемым , чем инцидент, или измерения 'свободном поле' ^18-20. Геометрия этой пластины такова , что любое облегчение давление , создаваемое путем очистки или поток вокруг целевой кромки ²¹ будет незначительной. Это новое испытательное устройство было построено в 1/4 масштабе. В этом масштабе жесткий контроль над условиями захоронения и взрывчатых веществ может быть обеспечена при полном размере шкалы заряда 5 кг уменьшено до 78 г, на глубине захоронения 25 мм.

Protocol

1. Жесткая реакция рамы

1. Определить масштабируемую расстояние , при котором тестирование будет проходить с использованием уравнения 1, где R является расстояние от центра взрывчатого вещества, а W ì заряд массы , выраженная в виде эквивалентной массой тротила.
   Z = R / W ^1/3 (1)
2. Вычислить приближенное максимальный импульс эта схема будет генерировать с помощью численного моделирования (см Приложение А) или специальные инструменты , такие как ConWep ^3.
   Примечание: Использование ConWep ³ справедливо только для свободного дутья, если оценка давления , генерируемых из заглубленных зарядов требуется требуется более продвинутый численное моделирование.
3. Проверьте расчетную нагрузку от моделирования не будет генерировать в плоскости перемещения более 0,5 мм на целевой пластине.
4. Увеличение нагрузки, рассчитанное на коэффициент 10, чтобы учесть неточности в моделировании и добавить гибкость для будущих TESтин.
5. Дизайн жесткий каркас реакции , чтобы быть в состоянии противостоять максимальной нагрузки , рассчитанное ^16. В конструкторский отдел, выполнять эти расчеты в доме; в противном случае обратиться за услугами инженера-строителя.
   1. Закупить жесткие рамки реакции, контракт специалиста подрядчика изготовить и установить рамки для конструкций структурного инженера.
6. Закупить мишень, контракт специалиста стали изготовителю.
   Обратите внимание, что пластина должны быть установлены на тензодатчиками (если они используются) и что отверстия для HPBs (разработанных в разделе 3) должны быть пробурены через пластину перед монтажом.

Рисунок 1. Схема испытательной рамы. (А) В целом расположение, (B) план целевой пластины, (C) крупным планом вид целевой пластины. Tбары давления он Гопкинсона подвешивают штрихового сборки приемника так, что они сидят на одном уровне с поверхностью целевой пластины. Это позволяет в полной мере отражены давление , действующее на целевой пластине для записи. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Тензодатчики Design

1. Закупить или изготовить тензодатчики (если используется). Это могут быть как вне-полки универсальный (сжатие / растяжение) моделей тензометрических канистры или встроенный в доме с использованием секций толщиной стенки мягкой стальной трубы , приваренной к монтажной пластины с тензодатчиками , проставленный в пласте моста Уитстона , как показано на рисунке 2.
2. Если клетки нагрузки были изготовлены в доме, послать их к внешнему подрядчику для калибровки.

Рисунок 2. Схема. (A) Вид сбоку, (B) с торца в доме сфабриковано тензодатчики. Темно-серый цилиндр представляет собой толстостенные стальная труба, которая напрягается под нагрузкой. Этот штамм регистрируется с помощью одного тензодатчика, как вращение не имеет опыт во время погрузки. Из калибровки датчика нагрузки напряжение может быть связано обратно приложенного напряжения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

3. Гопкинсона давление бар Дизайн

1. Определить продолжительность записи, , Требуется, чтобы захватить полную загрузку от взрыва. Минимальная продолжительность требуется время, затраченное в численной модели (раздел 1.2) для давления, чтобы вернуться к нулю, после первоначального скачка давления. Здесь используют 1,2 мс.
2. дециде на материале выбора для HPBs. Это влияет на скорость упругих волн, , В баре, который задается где является модуль Юнга и плотность. Для измерения шок высокого давления, использование жестких материалов, таких как сталь; где, как в случае более слабый шок, как ожидается, использовать менее жесткие материалы, такие как сплав магния или даже нейлона.
3. Выберите позицию на Блаватской, что тензодатчик будет позиционироваться, будучи как можно ближе к нагруженной поверхности Блаватской, чтобы минимизировать дисперсию. В текущем заданном значении до толщины целевой пластины и маневренности, необходимой, чтобы соответствовать бруски на месте означает, что датчики могут быть установлены только в 250 мм от загруженного лица.
4. Рассчитать HPДлина B требуется, используя , где расстояние от нагруженной грани Блаватской к тензодатчика и (3,25 м).
5. Определить требуемый радиус HPB, чтобы иметь достаточную пропускную способность для захвата события с помощью: кГц, где радиус HPB в мм ^22,23 (5 мм).
6. Принятие решения о пространственном разрешении, необходимого для захвата распределение давления на пластине. Это, как правило, настолько близко, насколько это возможно при сохранении структурной целостности целевой пластины. В данной работе используется 25 мм.
7. Сверление отверстий в пластине-мишени, чтобы смонтировать HPBs (это может быть частью процесса их производства). Чтобы они плотно прилегали требуется withoут к HPBs находясь в контакте с пластиной. При этом, используйте 0,5 мм допуск с 17 отверстий , которое сверлят в форме креста (рис 1b).
8. Раздобыть HPBs (17), убедившись , что имеют дистальные концы с резьбой , чтобы обеспечить подвески в баре сборки приемника (рис 3А).

4. Экспериментальная установка и сбора данных

Примечание: С помощью реакции кадра, целевой пластины, тензодатчиков и HPBs спроектированы и изготовлены, сборка может начаться , как показано на рисунке 1, и разработаны в разделе протокола 1.

1. Присоединить манометры полупроводниковый к деформации HPBs (рис 3B) и весоизмерительных ячеек с использованием Цианоакрилат, соблюдая осторожность , чтобы обеспечить непрерывность земли через все кабельные соединения. Пример моста Уитстона , используемого для HPBs показано на фиг.3С.
   1. Убедитесь, что все кабели земные прикреплены, чтобы обеспечить непрерывность земли. Хорошо заземлить испытательное устройство улучшиткачество сигнала заметно.
2. Убедитесь, что проводка достаточно долго, чтобы убедиться, что осциллограф локализуемая в доменной зоне свободной (экранированные провода следует использовать, который имеет достаточную полосу пропускания сигнала).
3. Установить целевую пластину к жесткой раме реакции, используя дополнительные тензодатчики если таковые имеются (рис 1C).
4. Повесьте HBPs от приемника бар сборки, минуя загруженную конец через правильное отверстие в целевой пластине. Повесьте HPBs свободно от гайки навинчивают на резьбовой дистальный конец HPB.
5. Обеспечить бары вертикали, используя уровень (регулировка приемника соответственно).
6. Проверьте лики HPBs находятся на одном уровне с целевой пластиной, регулируя гайку соответственно.
7. Установить облицовку на переменный резистор в цепи кондиционирования (рис 3C) , чтобы поддерживать напряжение в пределах осциллографе во время тестирования. Сделайте это путем проб и ошибок с целью установить вне баланса для каждого каналакак видно на цифровой дисплей на усилителе коробки к нулю.
8. Подключите усиленный выходной сигнал уровнемера подходящего цифрового осциллографа. Настройка, чтобы иметь частоту дискретизации (1,56 МГц), длительность записи (28,7 мс) с длительностью до запуска 3,3 мс.
   1. Установите запись, чтобы вызвать, когда напряжение в разрыв провода канале (который непосредственно подключен к осциллографу) превышает "из окна". Напряжение записи для каждого датчика, подключенного (22 в общей сложности, 17 HPBs, 4 ячейки нагрузки и обрыва провода) и времени.

Рисунок 3. (А) схема HPB вставляется в целевую пластину, раздел (В) через HPB по калибровочным месте, (С) Пример мост Уитстона цепи. Два тензодатчики используются в моста Уитстона, так что и изгиб панели Гопкинсону является Cancelled вне. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

5. Взрывной подготовка

1. Принятие решения о заряда взрывчатого вещества массой и патовая, которые будут использоваться в тестах (100 г PE4 на 75 мм).
2. Решите , что обвинения будут ли взорваны в свободном воздухе или в другой среде (почва, вода и т.д.). Для свободного воздуха испытывает сферическую форму заряда , как правило , используется в то время как с заглубленных зарядов стандарт в соотношении 3: 1 приземистый цилиндр ^24,25.
3. Для свободных испытаний воздуха:
   1. Приостановка заряд ниже целевой пластины при правильном тупику (75 мм). Достичь этого с тонкой древесины полосы или путем размещения заряда на листе полиэтиленом.
   2. Поместите заряд соосно с массивом измерения, чтобы обеспечить достоверные данные.
   3. Для свободных испытаний воздуха используют электрический детонатор, с детонатором помещением на полпути взаряд от основания. Делайте это в самый последний момент перед стрельбой и когда диапазон уже сделан безопасным.
4. Для заглубленных испытаний:
   1. Изготовить подходящую емкость для среды. Для почв, в настоящее время испытания использует 1/4 шкалы контейнеров ^23.
   2. Решают на тип почвы , который будет использован и инженерно - геологических условий: содержание влаги и плотность сухого грунта, см ¹⁵ для более подробной информации..
   3. Принятие решения о заглубления для использования в тестировании. Это, как правило, 100 мм в полном масштабе испытания, поскольку текущие испытания проводятся в ¼ масштабе это означает глубину захоронения 25 мм.
   4. Смешайте почву тщательно с использованием подходящего размера строительного миксера для достижения содержания целевой влаги. Для песков время перемешивания требуется 10 мин.
      1. Проверьте содержание влаги в смеси путем удаления небольшого количества и взвешивают, чтобы рассчитать общую массу, , сухойснятую почву и повторно взвесить, чтобы вычислить массу воды, , Геотехнические содержание влаги указаны в терминах гравиметрического содержания влаги, ,
      2. Если содержание влаги находится в пределах допуска по-прежнему, в противном случае ремикс почву. Допуск ± 0,05-0,1% было достигнуто в текущей работе.
   5. Взвесьте пустой контейнер почвы и рассчитать объем для того, чтобы рассчитать плотность почвы один раз полный (этап 5.4.7).
   6. Уплотнения почвы послойно, достаточно тонким, чтобы гарантировать плотность мишени, гарантируя, что масса почвы, поступающей в контейнер известен. Для Лейтон Баззард Sand ¹⁵ это делается в два слоя.
   7. После того, как контейнер заполнен, проверьте, что плотность почвы в пределах находится в пределах допуска (± 0,2%). Целевая сухая плотность во всех тестах с Лейтон Баззард Песок 1.6Мг / м ^3. Вычислить плотность в сухом, используя , Где ρ _d является сухая плотность, М является общая масса почвы добавляется к контейнеру, V представляет собой объем контейнера почвы и W является содержание влаги.
   8. Выкопать маленькое отверстие ≈50 мм, чтобы обеспечить заряд быть размещены с верхней поверхностью на правильной глубине захоронения (25 мм).
   9. Поместите неэлектрического детонатора в базу заряда, и выкопать подходящий канал на стороне контейнера, чтобы обеспечить верхнюю поверхность контейнера является непрерывным, как только почва будет заменен.
   10. Поместите заряд и детонатор в выкопанной отверстие, проверяя глубину захоронения правильно. Назад заполнить отверстие вынутого материала.

Последовательность 6. Обжиг

Примечание: есть небольшое количество перекрытия с разделом протокола 5 в связи с физЮр от тестирования. Последовательность стрельбы должны быть направлены на минимизацию риска и должны проводиться только специально подготовленным персоналом.

1. Для свободных испытаний воздуха:
   1. Организовать поддержку заряда ниже целевой пластины при правильном тупику (75 мм).
   2. Закройте диапазон. Развертывание караулы, чтобы обеспечить диапазон ясно во время стрельбы.
   3. Поместите заряд на опорной Коаксиальная к инструментовке. Прикрепите обрыв провода к детонатора, и поместите детонатор в шихте.
2. Для заглубленных испытаний:
   1. Поместите контейнер почвы, так что заряд помещается Коаксиальная для HPB массива.
   2. Закройте диапазон. Развертывание караулы, чтобы обеспечить диапазон ясно во время стрельбы.
   3. Подключите обрыв провода, обеспечивая его оборачивают вокруг периферии заряда (это дает более повторяемые время детонации в заглубленных зарядов).
3. Переместить в стрельбе точку и подтвердить приборы работает.
4. Подачи питания на обрыв провода. Проверьте с часовымиона безопасна для продолжения стрельбы.
5. Инициировать взрывчатых веществ. Сделайте тестовую область безопасной.
6. Загрузка и резервное копирование данных.
7. Снова откройте испытательный полигон.

7. Численный интерполяция для массива 1D HPB

1. Импорт данных из файлов исходных данных в Matlab.
2. Сдвига во времени всех данных в радиальном направлении таким образом , чтобы максимальное давление для каждого бара прибывает в то же самое время, что и пиковое давление центрального бара с использованием уравнения 2 (фиг.4В).
   (2)
3. Интерполируйте давление на любом радиальном расстоянии от фиг.4В.
4. Изобразите время прибытия ( ) Используется для выравнивания давления и пиков соответствуют кубическое уравнение через данные (рис 4в).
5. Time-Shift интерполированные данные, чтобы соответствовать времени прибытия, родытин непрерывный фронт ударной волны (рис 4D).
6. Повторите эти действия для каждого набора тестовых данных.

Рисунок 4. Последовательность интерполяции для 1D HPB массива. (A) Исходные данные, (B) данные со сдвигом во времени, (C) фронт ударной волны время прибытия, а также данные о времени окончательное интерполированное давления ¹⁶ (D). Дискретность времени давления историй можно ясно увидеть в (А) с так как нет никакой преемственности между пиком давления на каждом из пяти местах колеи. Когда выровнен по пиковым давлением , как и в (В) интерполяционной давления на любом радиальном расстоянии ( в предположении , то же самое время прибытия) возможно. При записи временного сдвига, необходимое для выравнивания пиковые давления времени прихода фронта ударной волны может быть вычислена как шсамостоятельно в (C). Затем это позволяет время прибытия и история времени давление рассчитывается для любого радиального расстояния будет интерполяция давления со стороны (В) и время от (С) дает окончательное интерполированное давление , как показано в (D). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенную версия этой фигуры.

8. Численный интерполяция для массива 2D HPB

Примечание: Код, используемый для запуска интерполяции в Matlab была представлена ​​вместе с файлом пример результатов, которые будут упоминаться в данном разделе.

1. Импорт данных из файлов исходных данных в Matlab. Для данных испытаний, например двойным щелчком по файлу test_data.mat, а затем нажмите кнопку "Готово" в мастере импорта.
2. Откройте interpolation2d.m Matlab скрипт.
3. Определить регулярную сетку, над которой интерполяциязапуска путем изменения сетки. Убедитесь , что это такое же разрешение , как сетки в любом будущем численного моделирования ^26,27. Это устанавливается в разделе '% подробности меш "кода.
4. Запуск interpolation2d.m Matlab сценарий. Обратите внимание на следующие шаги реализуются в коде и приведены здесь для ясности.
   1. Сдвига во времени все следы давления HPB путем (Уравнение 2). Исходные данные показан для мм на фигуре 5В, с тем же самым сдвигом во времени на рисунке 5С данных.
      Примечание: Временной сдвиг требуется, чтобы процедура интерполяции, чтобы успешно обнаруживать фронт ударной волны в любой момент времени. Это по существу включает приведение данных для каждого радиального массива таким образом, все максимальное давление выравнивания.
   2. Вычислить радиус, И анг ле, для данной точки интереса на сетке, как показано на рисунке 5А.
   3. Применение интерполяции 1D к двум HPB массивов, наиболее близких к точке интереса для текущего радиуса (для интерполяция будет использовать а также массивы).
   4. Интерполировать линейно между 2 давлений на основании (Опять-таки для весовой коэффициент будет составлять 50% от и 50% от 12eq30.jpg "/> массив вычисленных давления).
   5. Расчет мгновенной нагрузки путем умножения интерполированное давление на шаг сетки (область), чтобы дать нагрузку.
   6. Умножить нагрузку на время шага дискретизации, чтобы получить мгновенный импульс.
   7. Повторите эти действия для всех местоположений и времени (суммирующих мгновенный импульс, чтобы дать общий импульс).
   8. Сдвига во времени историю времени давления для каждого местоположения на основе кубической интерполяции во время шока прибытия (Рис 5D).

Рисунок 5. Последовательность интерполяции для 2D HPB массива. (A) подписывает соглашения , используемые, (B) исходные данные мм, (C) данные со сдвигом во времени412 / 53412eq36.jpg "/> мм, и (D) время прибытия для каждого радиального направления ^16. Для 2D массива баров история времени давление в любой точке зависит как от радиального расстояния и квадранта точка интереса располагается . Если взрыв были совершенно симметричными , то давление в (B) будет образовывать вертикальные линии , как показано в (C). в (в) , можно видеть , что фронт ударной волны достигает места 50 мм на Ось первой.
Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Results

Эффективно жесткая рама реакция должна быть обеспечена. В тестирующего тока общий приданную импульс нескольких сотен ньютон-секунд необходимо противостоять с минимальным отклонением. Иллюстрации жесткой рамы реакции , используемой приведена на рисунке 1. В каждом кадре 50 мм сталь 'акцептор' плиты был брошен в основание поперечных балок. Несмотря на то, явно не требуется, это позволяет легко фиксации тензодатчиков / визирной пластины и обеспечивает дополнительную защиту ...

Discussion

Используя протокол описанный выше авторов показали, что можно получить высокие измерения верности весьма различной нагрузки от заряда взрывчатого вещества, используя массив баров давления Гопкинсона. С помощью обычной интерполяции обрисовал дискретные истории давления времени может быть преобразована в непрерывную фронтом ударной волны, которая может использоваться непосредственно в качестве функции нагрузки при численном моделировании или в качестве данных проверки для вывода таких моделей.

...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Тензодатчик	RDP	RSL0960	Это только ориентировочно, точный тензодатчик должен быть в состоянии разрешить требуемую нагрузку
Стальная целевая пластина / HPB	Garratts		Изготовлен на заказ
Тензометрический датчик	Kyowa	KSP-2-120-E4	Для использования со стальными HPB
Цианоакрилат	Kyowa	CC-33-A	Уточняйте у производителя в зависимости от используемого материала
Цифровой осциллограф	TiePie	HS4 16-битный Handyscopes	6 Используется параллельно в текущих испытаниях
Песок Лейтон Баззард	Песок Гарсайд	Гарсайд 14/25	Формированный кварцевый песок