Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Blast Kvantificering Brug Hopkinson Pressure Bars

Published: July 5, 2016 doi: 10.3791/53412
Automatic Translation
1, 1,2, 1, 1,2, 1,2, 2, 1, 3, 3
1Department of Civil & Structural Engineering, University of Sheffield, 2Blastech Ltd., 3Blast and IED Protection, Physical Sciences Department, Defence Science and Technology Laboratory (Dstl)

Abstract

Nær-felt blast tryk måling præsenterer et problem for mange sensortyper da de skal udholde meget aggressive miljøer og være i stand til at måle tryk op til mange hundrede megapascal. I denne henseende enkelhed af Hopkinson-trykstang har en stor fordel i, at mens målingen ende af Hopkinson bar kan tåle og udsættes for barske betingelser, trækmåleren monteret til linjen kan fastgøres et stykke væk. Dette tillader beskyttelseskabinetter at blive udnyttet som beskytter strain gauge men ikke forstyrrer erhvervelse måling. Anvendelsen af ​​et array af trykstænger tillader tryk-tidsforløb ved diskrete kendte punkter, der skal måles. Denne artikel beskriver også interpolation rutine anvendes til at udlede trykket tid historier på un-instrumenteret steder på flyet af interesse. Øjeblikket den teknik har været anvendt til at måle belastningen fra høje sprængstoffer i fri luft og begravet overfladisk i forskellige jordtyper.

Introduction

Karakteriserer produktionen af ​​sprængladninger har mange fordele, både militær (forsvare mod begravet improviserede eksplosive anordninger i løbende konfliktområder) og civile (designe strukturelle komponenter). I den seneste tid dette emne har fået stor opmærksomhed. Meget af den indsamlede viden har rettet mod kvantificering af output fra afgifter for at gøre udformningen af ​​mere effektive beskyttende strukturer. Det vigtigste spørgsmål her er, at hvis de foretagne målinger ikke er af high fidelity så mekanismerne i transfer belastning i disse eksplosive begivenheder er fortsat uklare. Dette fører igen til problemer validering numeriske modeller, som er afhængige af disse målinger for validering.

Udtrykket nær-felt bruges til at beskrive blaster med skalerede afstande, Z, mindre end ~ 1 m / kg 1/3, hvor Z = R / W 1/3, r er afstanden fra centrum af den eksplosive, og W er afgiften masse udtryktsom en ækvivalent masse på TNT. I dette regime indlæsningen er typisk karakteriseret ved en ekstrem høj størrelsesorden, stærkt rumlig og tidsligt uensartede belastninger. Robust instrumentering er derfor forpligtet til at måle de ekstreme belastninger, der er forbundet med nær-området belastning. Ved skaleret afstande Z <0,4 m / kg 1/3, direkte målinger af blast parametre er enten ikke-eksisterende eller meget få 1 og semi-empiriske prædiktive data for dette område er baseret næsten udelukkende på parametriske undersøgelser. Dette sker ved at bruge de semi-empiriske forudsigelser givet af Kingery og Bulmash 2, som er uden for forfatterens tilsigtede anvendelsesområde. Mens værktøjer baseret på disse forudsigelser 3,4 tillade fremragende første ordens skøn over læsning, de ikke helt fange mekanikken i nær-felt begivenheder, som er i fokus i den aktuelle forskning.

Nær-felt blast målinger har i den seneste tid fokuseret på at kvantificere output fra nedgravede afgifter. De anvendte metoder varierer fra vurdering af deformation forårsaget til en strukturel mål 5-7 til direkte global impuls måling 8-13. Disse metoder giver værdifuld information til validering af beskyttende system design, men er ikke i stand til fuldt ud at undersøge mekanikken i lasten overførsel. Test kan gøres på både laboratorie- skalaer (1/10 fuld skala), eller i nærheden af ​​fuld skala (> 1/4), med pragmatiske årsager såsom kontrollerende begravelse dybde eller sikring ingen iboende form chok fronten er genereret af anvendelse af detonatorer snarere end bare afgifter 14. Med nedgravede afgifter skal nøje kontrolleret for at sikre repeterbarhed test 15 jordbundsforhold.

Uafhængigt af, om afgiften er placeret i fri luft eller er begravet, det mest grundlæggende problem i at måle den resulterende blast er sikre gyldigheden af ​​målinger foretaget af instrumentering deploYED. I designet testapparat 16 en fast "stiv" target plade bruges til at afskærme Hopkinson trykstænger 17 (HPBs), mens på samme tid sikre, at enderne af stængerne kun kan optage fuldt afspejlet pres. Forfatterne har tidligere vist, at måling af reflekteret pres fra en stiv mål er mere præcis og reproducerbar end hændelse, eller 'free-field' målinger 18-20. Geometrien af denne plade er således, at nogen lindring tryk, der frembringes ved at fjerne eller strømning omkring målet kant 21 vil være ubetydelig. Denne nye test apparat er konstrueret på 1/4 skala. kan sikres på denne skala stram kontrol over nedgravning forhold og sprængstoffer, med fuld skala opladning størrelse på 5 kg skaleret ned til 78 g, ved en begravelse dybde på 25 mm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Stiv Reaction Frame

  1. Bestem skaleret afstand, hvor test vil finde sted ved hjælp af ligning 1, hvor R er afstanden fra centrum af den eksplosive, og W er afgiften masse udtrykkes som ækvivalent masse TNT.
    Z = R / W 1/3 (1)
  2. Beregn omtrentlig maksimal impuls dette arrangement vil generere via numerisk modellering (se bilag A) eller specifikke værktøjer som ConWep 3.
    Bemærk: Brugen af ConWep 3 er kun gældende for fri luft blast, hvis en vurdering af det pres, der genereres fra nedgravede afgifter kræves de mere avancerede numerisk modellering er nødvendig.
  3. Tjek den anslåede belastning fra modellering vil ikke generere i-plane forskydninger af mere end 0,5 mm i målet plade.
  4. Øg belastningen beregnes med en faktor 10 for at tage højde for unøjagtigheder i modellering og tilføje fleksibilitet for fremtidige testing.
  5. Design en stiv reaktion ramme at være i stand til at modstå den maksimale belastning beregnes 16. I en Engineering afdeling, udføre disse beregninger i hus; ellers søge bistand fra en Structural Engineer.
    1. Anskaffe stive reaktion frames, kontrakt en specialist entreprenør til at fremstille og installere rammer til design af den strukturelle ingeniør.
  6. Anskaffe måltavle, kontrakt en specialist stål fabrikator.
    Bemærk, at pladen skal være monteret på vejeceller (hvis anvendt), og at huller til HPBs (designet i afsnit 3) vil skulle bores gennem pladen før montering.

figur 1
Figur 1. Skematisk af testen rammen. (A) Samlet arrangement, (B) plan for måltavle, (C) nærbillede af målplade. Than Hopkinson trykstænger ophængt fra skinnekonstruktionen modtageren, så de flugter med ansigtet af målpladen. Dette gør det muligt fuldt ud afspejlet pres virker på måltavle, der skal optages. Klik her for at se en større version af dette tal.

2. Læg Cell Design

  1. Anskaffe eller fremstille vejeceller (hvis anvendt). Disse kan enten være off-the-shelf universelle (kompression / spænding) stammen-gauge canister modeller eller indbygget i huset ved hjælp af sektioner af tyk væg mild stålrør svejset til monteringsplader med strain gauges anbragt i en Wheatstone bro formation som vist i figur 2.
  2. Hvis vejeceller er blevet fremstillet in-house, sende dem til en ekstern kontrahent til kalibrering.

Figur 2
Figur 2. Diagram over in-house fabrikeret vejeceller. (A) sidebillede, (B) ende elevation. Den mørkegrå cylinder er en tyk væg stålrør, der stammer under belastning. Denne stamme er optaget med en enkelt strain gauge som ingen drejning opleves under lastning. Fra kalibrering af vejecellen stammen kan relateres tilbage til stress påført. Klik her for at se en større version af dette tal.

3. Hopkinson Pressure Bar Design

  1. Bestem varigheden af ​​optagelsen, ligning 9 , Der kræves for at fange den fulde belastning fra eksplosionen. Den mindste varighed kræves, er den tid, der i den numeriske model (afsnit 1.2) for presset for at vende tilbage til nul, efter den indledende pres spike. Her bruger 1,2 msek.
  2. afgøde om det foretrukne materiale til HPBs. Dette påvirker den elastiske bølge hastighed, ligning 10 , I baren, som er givet ved ligning 11 hvor ligning 12 er Youngs modul og ligning 13 er massefylden. Til måling af en højtryks chok, bruge stive materialer såsom stål; hvor som om der forventes en svagere stød bruge mindre stive materialer såsom en magnesiumlegering eller endda nylon.
  3. Vælg den position på HPB at strain gauge vil blive placeret, være så tæt som muligt på den belastede side af HPB at minimere dispersion. I den nuværende opsætning tykkelsen af ​​målpladen og manøvredygtighed behov for at passe søjlerne på plads betød, at målerne kun kunne installeres 250 mm i den indlæste flade.
  4. Beregn HPB længde krævede hjælp ligning 14 , hvor ligning 15 er afstanden fra den belastede flade af HPB til strain gauge og ligning 16 (3,25 m).
  5. Bestem ønskede radius HPB at have tilstrækkelig båndbredde til at fange den hændelse vha: ligning 17 kHz, hvor ligning 18 er HPB radius i mm 22,23 (5 mm).
  6. Beslut dig for den rumlige opløsning kræves for at fange trykfordeling hen over pladen. Dette er generelt så tæt som muligt og samtidig bevare den strukturelle integritet af målpladen. I den nuværende arbejde, bruge 25 mm.
  7. Bor huller i målet plade til at montere HPBs (dette kan være en del af produktionsprocessen). En tæt pasform der kræves without de HPBs er i kontakt med pladen. Her bruger 0,5 mm tolerance med 17 huller bores i et kors (figur 1b).
  8. Skaffe HPBs (17), og sørg for at have de distale ender gevind at give mulighed for suspension i skinnekonstruktionen modtager (figur 3A).

4. Eksperimentel opsætning og datafangst

Bemærk: Med reaktionen ramme, måltavle, vejeceller og HPBs designet og fabrikeret, kan montering begynde som vist i figur 1, og designet i protokol sektion 1.

  1. Vedhæft halvleder strain gauges til HPBs (figur 3B) og vejeceller bruger cyanoacrylat, være omhyggelig med at sikre kontinuitet i jorden gennem alle kabler. Et eksempel på Wheatstone bro anvendes til de HPBs er vist i figur 3C.
    1. Bekræft alle jordkabler er knyttet til at sikre kontinuitet i jorden. Godt jordet testapparat vil forbedresignalkvaliteten især.
  2. Sørg ledninger er tilstrækkelig lang til at sikre, oscilloskop kan anbringes i en blast frit område (skærmet ledninger bør anvendes som har tilstrækkelig signal båndbredde).
  3. Monter målplade til den stive reaktion ramme, ved hjælp af de valgfrie vejeceller, hvis til stede (figur 1C).
  4. Hang HBPs fra skinnekonstruktionen receiver, passerer lastet ende gennem det rigtige hul i målet plade. Hænge HPBs frit fra en møtrik skruet på den gevindskårne distale ende af HPB.
  5. Sørg barer er lodret ved hjælp af et vaterpas (justering af receiveren i overensstemmelse hermed).
  6. Tjek ansigterne på de HPBs er på niveau med målet plade, justere møtrikken i overensstemmelse hermed.
  7. Indstil trim på den variable modstand i conditioning kredsløb (figur 3C) for at holde spændingen inden for grænserne af oscilloskop under testen. Gør dette gennem trial and error til formål at sætte ude af balance for hver kanalsom set på digital udlæsning på forstærkeren kasser til nul.
  8. Tilslut det forstærkede gauge output til en egnet digital oscilloskop. Konfigurere at have en samplingsfrekvens (1,56 MHz), optagelsesvarighed (28,7 ms) med en pre-trigger varighed på 3,3 msek.
    1. Indstil optagelsen til at udløse, når spændingen i pausen wire kanal (som selv kablet ind i oscilloskop) overstiger en 'out-vinduet'. Optag spænding for hver måler tilsluttet (22 i alt, 17 HPBs, 4 vejeceller og pausen wire) og tid.

Figur 3
Figur 3. (A) Diagram over et HPB monteret i målpladen, (B) snit gennem HPB på gauge placering, (C) eksempel Wheatstone brokredsløb. To strain gauges anvendes i Wheatstone broen, således at og bøjning af Hopkinson bar er cancelled ud. Klik her for at se en større version af dette tal.

5. Eksplosiv forberedelse

  1. Beslut sprængladningen masse og stand-off, der skal anvendes i forsøgene (100 g PE4 ved 75 mm).
  2. Beslut, om de afgifter, der skal detoneret i fri luft eller i et andet medie (jord, vand etc.). For fri luft tester en sfærisk ladning form er normalt udnyttet hvorimod med nedgravede afgifter standarden er en 3: 1 squat cylinder 24,25.
  3. For fri luft tests:
    1. Hæng afgiften under målet pladen på den korrekte stand-off (75 mm). Opnå dette med en tynd træ strimmel eller ved at placere ladningen på et ark polyethylen.
    2. Placer charge koaksialt med målingen arrayet for at sikre gyldige aflæsninger.
    3. Til fri luft tests anvender en elektrisk detonator, med detonatoren lægges halvvejs indanklagen fra basen. Gør dette i sidste øjeblik før sprængningen, og når området er allerede gjort sikker.
  4. For nedgravede tests:
    1. Fabrikere en egnet beholder til mediet. For jord, den aktuelle test bruger 1/4 skala beholdere 23.
    2. Beslut af den type jord skal udnyttes, og de ​​geotekniske forhold: fugtindhold og tør tæthed af jorden, se ref 15 for flere detaljer..
    3. Beslut dig for begravelsen dybde til brug i afprøvningen. Dette er normalt 100 mm i en skala test fuld, da de nuværende tests er færdig på ¼ skala betyder det en 25 mm begravelse dybde.
    4. Bland jorden grundigt efter en passende dimensioneret konstruktion mixer at nå mål for fugtindhold. For sand blanding nødvendige tid er 10 min.
      1. Kontrollere indholdet af blandingen fugt ved at fjerne en lille mængde og vejes det til at beregne den totale masse, ligning 19 . Tørreden fjernede jord og vejes igen for at beregne massen af ​​vand, ligning 20 . Geotekniske fugtindhold er specificeret i form af gravimetrisk fugtindhold, ligning 21 .
      2. Hvis vandindholdet ligger inden tolerance fortsætter, ellers remix jorden. En tolerance på ± 0,05-0,1% er opnået i det aktuelle arbejde.
    5. Vejes den tomme jord container og beregne volumen for at muliggøre beregning af jordens massefylde når fuld (trin 5.4.7).
    6. Komprimerer jorden i lag, tynde nok til at garantere målet tæthed, hvilket sikrer, at massen af ​​jord ind i beholderen er kendt. For Leighton Buzzard Sand 15 det sker i to lag.
    7. Når beholderen er fuld, skal du kontrollere, at tætheden af ​​jorden inden i tolerance (± 0,2%). Målet tør tæthed i alle prøver med Leighton Buzzard Sand var 1,6Mg / m 3. Beregn tør densitet, under anvendelse ligning 22 , Hvor ρ d er den tørre densitet, M er den totale masse af jord tilsættes beholderen, V er rumfanget af beholderen jordbunden og w er fugtindholdet.
    8. Udgrave et lille hul ≈ 50 mm for at tillade ladningen skal placeres med den øverste overflade på den korrekte Nedgravningsdybden (25 mm).
    9. Placer en ikke-elektrisk detonator i bunden af ​​ladning og udgrave en egnet kanal på siden af ​​beholderen for at sikre den øvre overflade af beholderen er uafbrudt, når jorden er udskiftet.
    10. Placer ladning og detonator i det udgravede hul, kontrol nedgravning dybde er korrekt. Tilbage fylde hullet med det opgravede materiale.

6. Tændfølgen

Bemærk: der er en lille mængde af overlapning med protokol § 5 som følge af den NATure af de test. Brændingen sekvens bør sigte mod at minimere risikoen og bør kun gennemføres af behørigt uddannet personale.

  1. For fri luft tests:
    1. Arranger opladning støtte under målet pladen på den korrekte stand-off (75 mm).
    2. Luk interval. Implementer vagter for at sikre område er klart under fyring.
    3. Placer afgift på støtte koaksialt til instrumentering. Fastgør pausen ledning til detonatoren, og placer detonatoren i afgift.
  2. For nedgravede tests:
    1. Placér jord beholderen, således at afgiften er placeret koaksialt til HPB array.
    2. Luk interval. Implementer vagter for at sikre område er klart under fyring.
    3. Slut pausen tråd, sikre, at den er viklet rundt om periferien beregning (dette giver en mere reproducerbar tid af detonation i begravede afgifter).
  3. Flyt til fyring punkt og bekræft instrumentering kører.
  4. Levere strøm til pause wire. Check med vagterdet er sikkert at gå videre med fyring.
  5. Indled sprængstoffer. Gøre testområdet sikker.
  6. Hent og sikkerhedskopiere data.
  7. Re-åben testområde.

7. Numerisk interpolation for en 1D HPB-array

  1. Importer data fra de rå datafiler i Matlab.
  2. Tidsforskudt alle data i den radiale retning, således at den maksimale tryk for hver bar ankommer på samme tid som den maksimale tryk af den centrale bar anvendelse af ligning 2 (figur 4B).
    ligning 23 (2)
  3. Interpolere trykket ved enhver radial afstand fra figur 4B.
  4. Plot ankomsttider ( ligning 24 ), Der anvendes til at justere peak pres og passer en kubisk ligning gennem data (figur 4C).
  5. Time-flytte interpolerede data til at passe de ankomsttider, slægterTing et vedvarende rystelser front (figur 4D).
  6. Gentag for hver enkelt sæt testdata.

Figur 4
Figur 4. Interpolation sekvens for 1D HPB array. (A) Oprindelige data, (B) tidsforskudte data, (C) chok forreste ankomsttider, og (D) endelig interpoleret tryk tidsdata 16. Den diskrete karakter af tryk tidsforløb kan tydeligt ses i (A) med der ikke er nogen sammenhæng mellem de maksimale tryk ved hver af de fem gauge steder. Når de opstilles med den maksimale tryk som i (B) interpolation af trykket ved en radial afstand (forudsat samme ankomsttid) er mulig. Ved at registrere den tid, skift kræves for at justere peak pres ankomsttiden for chok fronten kan beregnes som shegne i (C). Dette tillader så ankomsttidspunktet og tryk tid historie skal beregnes for enhver radial afstand være interpolation af pres fra (B) og tid fra (C) giver den endelige interpoleret pres som set i (D). Klik her for at se et større version af denne figur.

8. Numerisk interpolation for en 2D HPB-array

Bemærk: Koden bruges til at køre interpolation i Matlab er forsynet sammen med et eksempel resultater fil, som vil blive omtalt i dette afsnit.

  1. Importer data fra de rå datafiler i Matlab. For eksempel testdata, dobbeltklikke på test_data.mat filen, og klik derefter på 'Afslut' i guiden Importer.
  2. Åbn interpolation2d.m Matlab script.
  3. Definer et regelmæssigt gitter over hvilken interpolation vildrives ved at ændre mesh. Sikre dette er det samme opløsning som maskerne i nogen fremtidig numerisk modellering 26,27. Dette er sat i »% mesh detaljer 'i koden.
  4. Kør interpolation2d.m Matlab script. Bemærk følgende trin gennemføres i koden og er vist her for klarhed.
    1. Time-Shift alle HPB tryk spor af ligning 24 (Ligning 2). Oprindelige data er vist for ligning 25 mm i figur 5B, med de samme data tidsforskudt i figur 5C.
      Bemærk: Den tidsforskudte er nødvendigt, for at interpolation rutine at kunne lokalisere chok foran på et givet tidspunkt. Dette væsentlige indebærer justere data for hver radial opstilling, så alle de maksimale tryk justeres.
    2. Beregn radius, ligning 26 Og ang le, ligning 27 for et givet punkt af interesse på gitteret, som vist i figur 5A.
    3. Påfør 1D interpolation til de to HPB arrays nærmest interessepunktet for den aktuelle radius ligning 26 (til ligning 28 interpolationen ville bruge ligning 29 og ligning 30 arrays).
    4. Interpoleres lineært mellem de 2 tryk baseret på ligning 31 (Igen for en ligning 28 vægtningen ville være 50% af den ligning 29 og 50% af den 12eq30.jpg "/> matrix beregnet tryk).
    5. Beregn den øjeblikkelige belastning ved at multiplicere den interpolerede tryk ved gitterafstand (område) til opnåelse belastningen.
    6. Multiplicer belastningen på det tidspunkt trin af prøveudtagningen for at opnå den øjeblikkelige impuls.
    7. Gentag for alle steder og tidspunkter (summen af ​​øjeblikkelige impuls til at give den samlede impuls).
    8. Time-Shift presset tid på de enkelte placering baseret på kubisk interpolation af chok ankomsttid (figur 5D).

Figur 5
Figur 5. Interpolation sekvens for 2D HPB array. (A) Sign konventioner, der anvendes, (B) original data ligning 35 mm, (C) tidsforskudte data412 / 53412eq36.jpg "/> mm, og (D) ankomsttider for hver radial retning 16. For en 2D vifte af barer trykket tid historie på ethvert punkt er afhængig af både radiale afstand, og som kvadrant interessepunktet befinder . Hvis blast var helt symmetrisk derefter trykkene i (B) ville danne lodrette linjer som vist i (C). i (B) kan det ses, at stødet front er når 50 mm placering på ligning 30 aksen først.
Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En effektivt stiv reaktion ramme skal gives. I den nuværende teste en samlet bibringes impuls af flere hundrede Newton sekunder skal modstand med minimal deformation. En illustration af den stive reaktion anvendte ramme er givet i figur 1. I hver ramme et 50 mm stål 'acceptor' plade er blevet kastet i bunden af tværbjælker. Mens ikke udtrykkeligt kræves, dette giver mulighed for nem fastgørelse af vejeceller / måltavle og giver ekstra beskyttelse til ansigtet af betonbjælke. Den nærmeste Skalaafstanden øjeblikket gennemført har været 0,15 m / kg 1/3.

Den aktuelle ramme er testet op til 500 Ns, og har 500 mm kvadratiske søjler med en 750 mm dyb, 500 mm bred stråle spænder kolonnerne som vist i vist i figur 1A. Den kritiske element i designet er målet plade, som er 100 mm tykke milde steel, dette blev anslået til at deformere 0,3 mm, når modstå en 100 g sfærisk fri luft blast på 75 mm stand-off (ved hjælp af LS-DYNA 28 rutinemæssig load_blast 4). Opførelsen af ​​rammerne blev udført af en specialist beton entreprenør, der leveres websted udstyr og forskalling. De faktorer, der anvendes i projekteringsfasen meget afhænger af arten af ​​de test, og om yderligere sikkerhedsfaktorer vil blive anvendt af bygningsingeniør. En sikkerhedsfaktor på 10 blev anvendt i det aktuelle arbejde.

Indikationer af det anvendte udstyr har fået i de vigtigste protokol strækninger, hvor det er relevant. At give repræsentative resultater en enkelt test med 17 HPBs konfigureret i en 2D-array, som vist i figur 1B blev gennemført. I det nuværende arbejde de anvendte søjler er 3,25 m lang med en radius på 5 mm, med strain gauge er fastgjort 0,25 m fra den belastede flade som vist i figur 3A. Afstanden mellem HPBs i målet blev valgt til at være 25 mm som vist i figur 1B.

Testen udføres brugte en 78 g PE4 3: 1 squat cylinder begravet på 28 mm i mættet Leighton Buzzard sand 15. Sandet havde en rumvægt på 1,99 Mg / m3 og fugtighedsindhold på 24,77%. Stand-off mellem den færdige jordoverfladen og målet pladen var 140 mm.

Når testen var blevet gennemført de enkelte tryk-tidsforløb blev kørt gennem en simpel 5 point glidende gennemsnit udjævning algoritme for at fjerne enhver højfrekvent støj fra dataene. Det blev bemærket, da sorteringen af ​​data, som de 75 og 100 mm barer i ligning 32 vifte havde ikke registreret data korrekt. Dette var sandsynligvis på grund af limen af ​​strain gauge de-binding fra HPB give falske aflæsninger. For at kompensere for denne dataene fra de 75 og 100 mm ligning 30 Stængerne blev anvendt i stedet. Dataene fra hver af de 4 radiale arrays er afbildet i figur 6, med den centrale (0 mm) HPB er fælles for alle plots. I den mættede jord ses en meget klar chok foran, med det pres rådnende langsomt med radiale afstand.

De registrerede tryk tid historier blev derefter kørt gennem 2D interpolation rutine, med den zone af interesse at blive sat som en 200 × 200 mm firkant (-100 til 100 mm). Denne zone blev opdelt i en 5 mm gitter, som blev anset for fint nok til at fange chok foran formering tværs målpladen præcist. Plots af den interpolerede tryk, der virker på måltavle på udvalgte tidspunkter er vist i figur 7. Den ≈ 20 ms forsinkelse i ankomsten af chok front er den tid, det tager for chok bølge til at dække than afstand mellem afgiften og målet plade. Kan ses den asymmetriske karakter af loading vist i de registrerede data (figur 6) klart i og ligning 32 akser. Dette er især klart ved ligning 34 msek.

Figur 6
Figur 6. Recorded historier pres tid for en enkelt test med en 2D HPB-array. (A) ligning 29 (B) ligning 30 (C) ligning 37 (D) ligning 38 .Denne figur viser det forarbejdede spor for hver bar placering. Den sorte centrale stang spor er fælles for alle afbildninger til at angive ankomsten af ​​chok front. Den ikke-vedvarende karakter af chok front er igen tydeligt, da der er lidt overlap mellem den maksimale stress zone for hver bar. Det lavere tryk i 25 mm ligning 38 bar har en interessant virkning på formen af chok fronten som afbildet i figur 7. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. Interpoleret trykfordeling plots på bestemte tidspunkter 16. Hesteskoen form chok forsiden kan ses i t = 0.22-0.23 plots. Dette skyldes the dukkert i tryk set i de 25 mm ligning 38 bar vist i figur 6. Ved 0,3 sek efter detonation chok fronten er næsten symmetrisk langs alle akser. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Under anvendelse af protokollen ovenfor forfatterne skitseret har vist, at det er muligt at få high fidelity målinger af stærkt varierende belastning fra en eksplosiv ladning, under anvendelse af et array af Hopkinson trykstænger. Brug af interpolation rutine skitserede diskrete tryk-time historier kan omdannes til en kontinuerlig chok front, som er anvendelig direkte som lastning funktion i numerisk modellering eller som validering data for produktionen af ​​sådanne modeller.

Når du bruger begravet afgifter metoden til at forberede jorden containere skitseret i protokol afsnit 5 skal kontrolleres for at sikre tilstrækkelig komprimering energi er forudsat at nå målet tæthed. Hvis målet tæthed ikke nås så løftehøjden bør reduceres for at øge effektiviteten af ​​komprimering. Fra tidligere forskning er det blevet set, at ensartede jordtyper give mere gentagne testdata end forsøg udført med godt sorteres jord 15 15.

For alle prøver med sprængladninger er det blevet vist i tidligere undersøgelser 16,29,30 at placeringen af detonatoren i nær-feltforsøg er kritisk for fremstilling gentagelig test, som er fri for signal støj. I den forbindelse skal altid placeres detonatoren i bunden af ​​afgiften (længst fra målet plade), så eventuelle fragmenter fra detonerende forsamling ikke vil strejke de HPBs foran den vigtigste chok front.

Mens der gøres alt forsøg på at sikre, at test er så robust som muligt, er tab af data stadig forekomme. Dette er normalt på grund af strain gauges delvist de-bonding fra HPBs, som kan være et særligt problem i koldt vejr (det aktuelle apparat er sat op i en uopvarmet bygning). Stor omhu skal også tages ved opsætning afbryde wire da dette ikke kun tillader optagelse af detonationen tid, men tilvejebringer også det signal, der udløser dataregistrering. Et tab af denne signal eller fejl i opsætningen kan forårsage alle data fra en test for at være tabt. Med hensyn til data management, er data fra forsøgene straks kopieret fra optagelsen computeren til en USB-drev til at sikre, at ingen data går tabt, når testen er færdig.

I den nuværende test af vejeceller vedhæfte målpladen til den stive reaktionspladen og anvendes til at måle den samlede impuls bibringes målpladen (som HPBs kun dækker et begrænset område). Hvis kvantificering af kun de lokaliserede belastning (og ikke globale data) er påkrævet så målpladen kan monteres direkte på den stive reaktion ramme.

Med HPB pres-time historier bliver kun for kendte punkter på målet pladen en interpolation rutine er nødvendig for at vurdere trykket tid historie for ethvert punkt på målpladen, og dermed at beregne den samlede registrerede impuls.

Hvis kun en enkelt radial række er blevet udnyttet i afprøvningen, interpolation er stadig muligt ved at antage de punkt HPB belastninger at være tegn på lastning på et polar rotation på samme radius på målet pladen. Timeshift er også forpligtet til at interpolere over diskontinuerte data (figur 4A).

Den største fordel ved at bruge et 2D HPB array er evnen til at fange asymmetri i tryk-tidsforløb. Dette kræver en mere kompleks interpolation rutine. I princippet denne teori kan anvendes til et vilkårligt antal radiale arrays. I den nuværende forskning er dette blevet begrænset til fire arrays ( ligning 29 , ligning 37 , ligning 30 ,ftp_upload / 53.412 / 53412eq38.jpg "/>) fra 0 til 100 mm med den centrale HPB er fælles for alle (figur 5A). I alt 17 HPBs har været anvendt i hver test.

Den interpolation rutine i form præsenteres her ud fra, at for hver tryk-tid historie er der en enkelt veldefineret tryk spike som svarer med ankomsten af ​​det chok front. Det kan ses i figur 6, at for alle søjler dette er en god antagelse. I visse testbetingelser dog denne antagelse kan ikke være gyldig, og så tanke bør gives på, hvordan man bedst at justere trykket tid historier at give mulighed for den mest repræsentative interpolation af pres.

Ændringer kan nemt gøres til at imødekomme forskellige skalerede afstande (Z) i den nuværende protokol ved at flytte afgift længere væk fra målet pladen. Care dog skal tages, hvis Skalaafstanden bringes ned under 0,15 for at sikre, at loading vil ikke skade over for de HPBs. Formen af ​​eksplosive og eksplosiv type kan også ændres, med det forbehold, at den indledende modellering gjort for at bekræfte eksperimentelle design skal kontrolleres.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Load Cell RDP RSL0960 This is only indicative, the exact load cell should be able to resolve the required loading
Steel target plate / HPBs Garratts  Fabricated to order
Strain gauge Kyowa KSP-2-120-E4 To use with steel HPBs
Cyanoacrylate Kyowa CC-33-A Check with manufacturer depending on mar material to be used
Digital Oscilloscope TiePie HS4 16-bit Handyscopes  6 used in parallel in current testing
Leighton Buzzard sand Garside sands Garside 14/25 Uniform silica sand 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Esparza, E. Blast measurements and equivalency for spherical charges at small scaled distances. Int. J. Impact Eng. 4 (1), 23-40 (1986).
  2. Kingery, C. N., Bulmash, G. ARBRL-TR-02555. Airblast parameters from TNT spherical air burst and hemispherical surface burst. , U.S Army BRL. Aberdeen Proving Ground, MD, USA. (1984).
  3. Hyde, D. W. Conventional weapons program (ConWep). , U.S Army Waterways Experimental Station. Vicksburg, MS, USA. (1991).
  4. Randers-Pehrson, G., Bannister, K. A. ARL-TR-1310. Airblast loading model for DYNA2D and DYNA3D. , U.S Army Research Laboratory. Aberdeen Proving Ground, MD, USA. (1997).
  5. Neuberger, A., Peles, S., Rittel, D. Scaling the response of circular plates subjected to large and close-range spherical explosions. Part II: Buried charges. Int. J. Impact Eng. 34 (5), 874-882 (2007).
  6. Xu, S., et al. An inverse approach for pressure load identification. Int. J. Impact Eng. 37 (7), 865-877 (2010).
  7. Pickering, E. G., Chung Kim Yuen, S., Nurick, G. N., Haw, P. The response of quadrangular plates to buried charges. Int. J. Impact Eng. 49, 103-114 (2012).
  8. Bergeron, D. M., Trembley, J. E. Canadian research to characterize mine blast output. 16'th Int. Symp. on the Military Aspects of Blast and Shock, Oxford, UK, , (2000).
  9. Hlady, S. L. Effect of soil parameters on landmine blast. 18'th Int. Symp. on the Military Aspects of Blast and Shock, Bad Reichenhall, Germany, , (2004).
  10. Fourney, W. L., Leiste, U., Bonenberger, R., Goodings, D. J. Mechanism of loading on plates due to explosive detonation. Int. J. on Blasting and Fragmentation. 9 (4), 205-217 (2005).
  11. Anderson, C. E., Behner, T., Weiss, C. E. Mine blast loading experiments. Int. J. Impact Eng. 38 (8-9), 697-706 (2011).
  12. Fox, D. M., et al. The response of small scale rigid targets to shallow buried explosive detonations. Int. J. Impact Eng. 38 (11), 882-891 (2011).
  13. Ehrgott, J. Q., Rhett, R. G., Akers, S. A., Rickman, D. D. Design and fabrication of an impulse measurement device to quantify the blast environment from a near-surface detonation in soil. Experimental Techniques. 35 (3), 51-62 (2011).
  14. Pope, D. J., Tyas, A. Use of hydrocode modelling techniques to predict loading parameters from free air hemispherical explosive charges. 1st Asia-Pacific Conference on Protection of Structures Against Hazards, Singapore, , (2002).
  15. Clarke, S. D., et al. Repeatability of buried charge testing. 23rd Int. Symp. on the Military Aspects of Blast and Shock, Oxford, UK, , (2014).
  16. Clarke, S. D., et al. A large scale experimental approach to the measurement of spatially and temporally localised loading from the detonation of shallow-buried explosives. Meas Sci Technol. 26, 015001 (2015).
  17. Hopkinson, B. A Method of Measuring the Pressure Produced in the Detonation of High Explosives or by the Impact of Bullets. Philos. Trans. R. Soc. (London) A. 213, 437-456 (1914).
  18. Rigby, S. E., Tyas, A., Fay, S. D., Clarke, S. D., Warren, J. A. Validation of semi-empirical blast pressure predictions for far field explosions - is there inherent variability in blast wave parameters?. 6th Int. Conf. on Protection of Structures against Hazards, Tianjin, China, , (2014).
  19. Rigby, S. E., Tyas, A., Bennett, T., Clarke, S. D., Fay, S. D. The negative phase of the blast load. Int. J. of Protective Structures. 5 (1), 1-20 (2014).
  20. Rigby, S. E., Fay, S. D., Tyas, A., Warren, J. A., Clarke, S. D. Angle of incidence effects on far-field positive and negative phase blast parameters. Int. J. of Protective Structures. 6 (1), 23-42 (2015).
  21. Tyas, A., Warren, J., Bennett, T., Fay, S. Prediction of clearing effects in far-field blast loading of finite targets. Shock Waves. 21 (2), 111-119 (2011).
  22. Tyas, A., Watson, A. J. A study of the effect of spatial variation of load in the pressure bar. Meas Sci Technol. 11 (11), 1539-1551 (2000).
  23. Tyas, A., Watson, A. J. An investigation of frequency domain dispersion correction of pressure bar signals. Int. J. Impact Eng. 25 (1), 87-101 (2001).
  24. NATO Standardisation Agency. Procedures for evaluating the protection level of logistic and light armoured vehicles. Allied Engineering Publication (AEP) 55. 2, 2, (2011).
  25. Elgy, I. D., et al. UK ministry of defence technical authority instructions for testing the protection level of vehicles against buried blast mines. , Defence Science and Technology Laboratory. UK. (2014).
  26. Clarke, S. D., et al. Finite element simulation of plates under non-uniform blast loads using a point-load method: Buried explosives. 11th Int. Conf. on Shock & Impact Loads on Structures (SILOS), Ottawa, Canada, , (2015).
  27. Rigby, S. E., et al. Finite element simulation of plates under non-uniform blast loads using a point-load method: Blast wave clearing. 11th Int. Conf. on Shock & Impact Loads on Structures (SILOS), Ottawa, Canada, , (2015).
  28. Hallquist, J. O. LS-DYNA theory manual. Livermore Software Technology Corporation, CA, USA, , (2006).
  29. Fay, S. D., et al. Capturing the spatial and temporal variations in impulse from shallow buried charges. 15th Int. Symp. on the Interaction of the Effects of Munitions with Structures (ISIEMS, Potsdam, Germany, , (2013).
  30. Fay, S. D., et al. Measuring the spatial and temporal pressure variation from buried charges. 23rd Int. Symp. on the Military Aspects of Blast and Shock, Oxford, UK, , (2014).

Tags

Engineering Hopkinson tryk barer Kolský blast nær felt begravet afgifter ekstrem belastning fysik
Blast Kvantificering Brug Hopkinson Pressure Bars
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Clarke, S. D., Fay, S. D., Rigby, S. … More

Clarke, S. D., Fay, S. D., Rigby, S. E., Tyas, A., Warren, J. A., Reay, J. J., Fuller, B. J., Gant, M. T. A., Elgy, I. D. Blast Quantification Using Hopkinson Pressure Bars. J. Vis. Exp. (113), e53412, doi:10.3791/53412 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter