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 Kvantifiering Använda 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

Närområdet blast lastmätning ger ett problem för många sensortyper som de måste uthärda mycket aggressiva miljöer och kunna mäta tryck upp till flera hundra megapascal. I detta avseende enkelheten i Hopkinson tryck bar har en stor fördel i att medan mätningen änden av Hopkinson bar kan uthärda och utsättas för svåra förhållanden, monterad töjningsmätaren till baren kan fästas en bit bort. Detta tillåter skyddshöljen för att utnyttjas som skyddar töjningsgivaren men inte störa mätningen förvärvet. Användningen av en matris av tryckstänger medger att tryck tidsangivelserna vid diskreta kända punkter som skall mätas. I artikeln beskrivs också interpole rutin som används för att härleda tryck tidsangivelserna på un-instrumenterade platser på planet av intresse. För närvarande tekniken har använts för att mäta belastning från sprängämnen i fri luft och begravdes ytligt i olika jordar.

Introduction

Karakterisera produktionen av sprängladdningar har många fördelar, både militära (försvar mot begravda improviserade spränganordningar i dagens konfliktområden) och civila (utforma strukturella komponenter). På senare tid detta ämne har fått stor uppmärksamhet. En stor del av den kunskap som samlats in har syftat till kvantifieringen av produktionen från avgifter för att möjliggöra utformningen av mer effektiva skyddskonstruktioner. Den viktigaste frågan här är att om de mätningar som gjorts inte är av hög trohet sedan mekanismerna för lastöverföring i dessa explosiva händelser fortfarande oklara. Detta leder i sin tur till problem validera numeriska modeller som är beroende av dessa mätningar för validering.

Uttrycket närfält används för att beskriva blaster med skalade avstånd, Z, mindre än ~ 1 m / kg 1/3, där Z = R / W 03/01, R är avståndet från centrum av den explosiva, och W är laddningen massan uttrycktsom en ekvivalent massa av TNT. I detta system belastningen är typiskt kännetecknas av mycket hög omfattning, mycket rumsliga och tidsmässigt ojämna laster. Robust instrumentering är därför krävs för att mäta de extrema tryck i samband med närområdet belastning. Vid skalas avstånd Z <0,4 m / kg 1/3, direkta mätningar av masugn parametrarna är antingen obefintlig eller mycket få en och semi-empiriska prediktiva data för detta område bygger nästan helt på parametriska studier. Detta innebär att man använder de semi-empiriska förutsägelserna enligt Kingery och Bulmash 2, som ligger utanför författarens avsedda omfattning. Medan verktyg baserade på dessa 3,4 förutsägelser möjliggör utmärkt första ordningens uppskattningar av last de inte fullt ut fånga mekanik närområdet händelser, som står i fokus för den aktuella forskningen.

Närområdet blast mätningar har på senare tid fokuserat på att kvantifiera UTGut från nedgrävda avgifter. De metoder som används varierar från att bedöma deformationen orsakas till en strukturell mål 5-7 för att styra global impulsmätning 8-13. Dessa metoder ger värdefull information för validering av skyddssystemkonstruktioner men inte är i stånd att fullt ut undersöka mekanismerna för lastöverföring. Testning kan göras på både laboratorievågar (1/10 fullskaliga), eller nära full skala (> 1/4), med praktiska skäl, såsom att styra begravning djup eller se någon inneboende form av stötfronten genereras av användning av sprängkapslar i stället för nakna avgifter 14. Med nedgrävda avgifter markförhållandena måste vara mycket kontrolleras för att säkerställa repeterbarhet av test 15.

Oberoende av om laddningen placeras i fri luft eller begravd, är den mest grundläggande frågan att mäta den resulterande explosionen säkerställa giltigheten av mätningar som görs av instrumenteringen deployed. I konstruerade testapparaten 16 en fast "stel" måltavla används för att skydda de Hopkinson tryckstänger 17 (HPBs) medan samtidigt se till att ändarna av stängerna endast kan spela in helt reflekterade tryck. Författarna har tidigare visat att mätning av reflekterad tryck från en stel mål är mer exakt och repeterbar än incident, eller "fritt fält" mätningar 18-20. Geometrin hos denna platta är så att varje tryckavlastnings genereras genom att rensa eller flöde runt målet kanten 21 skulle vara försumbar. Denna nya testapparat har byggts på 1/4 skala. På denna skala stram kontroll över gravförhållanden och sprängämnen kan säkerställas, med full skala laddningsstorlek av 5 kg skalas ned till 78 g, vid en fyllningshöjd på 25 mm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Styv Reaktion Frame

  1. Bestäm skalade avstånd som testning sker med hjälp av ekvation 1, där R är avståndet från centrum av den explosiva, och W är avgiften massa uttryckt som en ekvivalent massa av TNT.
    Z = R / W 03/01 (1)
  2. Beräkna ungefärlig maximal impuls detta arrangemang kommer att generera via numerisk modellering (se bilaga A) eller specifika verktyg såsom ConWep 3.
    Obs: Användningen av ConWep 3 gäller endast för fri luft blast, om en uppskattning av det tryck som genereras från nedgrävda avgifter krävs mer avancerad numerisk modellering krävs.
  3. Kontrollera beräknad belastning från modelleringen kommer inte att generera i planet förskjutningar av mer än 0,5 mm i måltavlan.
  4. Öka belastningen beräknas med en faktor av 10 för att redovisa felaktigheter i modellering och för att lägga till flexibilitet för framtida testing.
  5. Utforma en styv reaktion ram för att kunna motstå maximala belastningen beräknas 16. I en teknisk avdelning, utföra dessa beräkningar i huset; annars söka tjänster av en byggnadsingenjör.
    1. Procure stela reaktionsramar, anlita en specialist entreprenör att tillverka och installera ramarna för utformningen av den byggnadsingenjör.
  6. Procure måltavla, anlita en specialist stål fabricator.
    Notera att plattan kommer att behöva för att monteras på lastceller (om den används) och att hålen för de HPBs (utformade i avsnitt 3) kommer att behöva borras genom plattan före montering.

Figur 1
Figur 1. Schematisk av provningsramen. (A) Övergripande arrangemang, (B) plan för måltavlan, (C) närbild av måltavlan. Than Hopkinson tryckstänger hängs från stånganordningen mottagaren så att de sitter i jämnhöjd med ytan på måltavlan. Detta gör det möjligt att fullt ut återspeglas trycket som verkar på måltavlan som ska spelas in. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Lastcell Design

  1. Anskaffa eller fabricera belastningsceller (om sådan används). Dessa kan antingen vara off-the-shelf universella (kompression / spänning) töjningsmätare modeller kapsel eller inbyggd internt med hjälp av delar av tjock vägg mild stålrör svetsade till monteringsplattor med töjningsgivare fästs i en Wheatstone bryggbildning som visas i figur 2.
  2. Om lastcellerna har tillverkats i egen regi, skicka dem till en extern entreprenör för kalibrering.

figur 2
Figur 2. Diagram över internt tillverkade lastceller. (A) från sidan, (B) ändvy. Den mörkgrå cylindern är en tjock vägg stålrör som stammar under belastning. Denna stam är inspelad med hjälp av en enda töjningsgivare som ingen rotation upplevs under lastningen. Från kalibrering av lastcellen stammen kan relateras till stress tillämpas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3. Hopkinson Pressure Bar Design

  1. Information om hur länge inspelning, ekvation 9 , Som krävs för att fånga hela laddning från explosionen. Minimilängden krävs är den tid det tar i den numeriska modellen (avsnitt 1.2) för trycket att återvända till noll, efter den första trycktopp. Här använder 1,2 ms.
  2. decide på materialet i valet för HPBs. Detta påverkar den elastiska vågen hastighet, ekvation 10 , I baren som ges av ekvation 11 var ekvation 12 är Youngs modul och ekvation 13 är densiteten. För att mäta en högtryckschock, använder styva material såsom stål; där som om en svagare chock förväntas använda mindre styva material såsom en magnesiumlegering eller nylon.
  3. Välja position på HPB att töjningsgivaren kommer att positioneras, att vara så nära som möjligt till den laddade ytan av HPB att minimera dispersion. I den nuvarande utformningen tjockleken på målplattan och manövrerbarhet krävs för att passa staplarna på plats innebar att mätarna endast kunde installeras 250 mm från den laddade ytan.
  4. Beräkna HPB längd som krävs med hjälp av ekvation 14 , var ekvation 15 är avståndet från den laddade ytan av HPB till töjningsgivaren och ekvation 16 (3,25 m).
  5. Bestäm krävs HPB radien för att ha tillräckligt med bandbredd för att fånga händelsen med hjälp av: ekvation 17 kHz, där ekvation 18 är HPB radie i mm 22,23 (5 mm).
  6. Besluta om den rumsliga upplösning som krävs för att fånga fördelningen av trycket över plattan. Detta är i allmänhet så nära som möjligt under bibehållande av den strukturella integriteten av måltavla. I det pågående arbetet, använder 25 mm.
  7. Borra hål i måltavlan att montera HPBs (detta kan vara en del av tillverkningsprocessen). En tät passning krävs without de HPBs är i kontakt med plattan. Här använder 0,5 mm tolerans med 17 hål som borras i en korsform (Figur 1b).
  8. Anskaffa HPBs (17), och se till att ha de distala ändarna gängade för att möjliggöra suspension i stånganordningen mottagaren (figur 3A).

4. Experimentell Setup & Data Acquisition

Obs: Med reaktionsramen, måltavla, lastceller och HPBs utformade och tillverkade, kan monteringen börja som visas i figur 1, och utformas i protokollenheten 1.

  1. Fäst halvledar trådtöjningsgivare till HPBs (Figur 3B) och lastceller med hjälp av cyanoakrylat, vara noga med att säkerställa kontinuitet i jorden genom alla kablar. Ett exempel på Wheatstone-bryggan som används för de HPBs visas i figur 3C.
    1. Kontrollera att alla jordkablar är fästa för att säkerställa kontinuiteten i jorden. Ordentligt jordad testapparat kommer att förbättrasignalkvaliteten särskilt.
  2. Se till att kablarna är tillräckligt lång för att se till att oscilloskopet kan placeras i en viskning fri yta (skärmad ledningar bör användas som har tillräcklig signalbandbredd).
  3. Montera måltavlan till den stela reaktionsramen med hjälp av valfria lastceller i förekommande fall (Figur 1C).
  4. Hang HBPs från stånganordningen mottagaren, passerar den laddade änden genom rätt hål i måltavlan. Hänga de HPBs fritt från en mutter skruvas på den gängade distala änden av HPB.
  5. Säkerställer barer är vertikala hjälp av ett vattenpass (justera mottagaren därefter).
  6. Kontrollera ansikten HPBs är i nivå med måltavlan, justera muttern i enlighet därmed.
  7. Ställa klädseln på det variabla motståndet i konditioneringskretsen (fig 3C) för att hålla spänningen inom gränserna för oscilloskop under testning. Gör detta genom trial and error som syftar till att ställa in ur balans för varje kanalsom kan ses på den digitala utläsningen på förstärkaren rutorna till noll.
  8. Anslut den förstärkta mätare utgång till en lämplig digitalt oscilloskop. Konfigurera att ha en samplingsfrekvens (1,56 MHz), inspelningstid (28,7 msek) med en pre-trigger varaktighet 3,3 ms.
    1. Ställ in inspelnings att utlösa när spänningen i pausen trådkanalen (som själv fast i oscilloskopet) överstiger en "out-fönstret". Rekord spänning för varje mätare är ansluten (22 totalt, 17 HPBs, 4 lastceller och bryta tråd) och tid.

Figur 3
Figur 3. (A) Diagram av en HPB inpassad i måltavlan, (B) sektion genom HPB vid gauge läge, (C) exempel Wheatstone-bryggkrets. Två töjningsgivare används i Wheatstone-bryggan så att och böjning av Hopkinson bar är cancelled ut. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

5. Explosiv beredning

  1. Besluta om sprängladdningen massan och stand-off för att användas i testerna (100 g PE4 på 75 mm).
  2. Besluta om avgifterna ska detoneras i fri luft eller inom ett annat medium (jord, vatten etc.). För fri luft testar en sfärisk laddnings form är normalt används, medan med nedgrävda avgifter standarden är en 3: 1 knäböj cylinder 24,25.
  3. För fri luft tester:
    1. Avbryta laddningen under måltavlan på rätt stand-off (75 mm). Uppnå detta med en tunn trä remsa eller genom att placera laddningen på ett ark av polyeten.
    2. Placera laddnings koaxiellt med mätningen array för att säkerställa giltiga avläsningar.
    3. För fria luft tester använder en elektrisk detonator, med detonator placeras halvvägs inladdningen från basen. Gör detta i sista stund innan bränning och när serien har redan gjorts säker.
  4. För begravda tester:
    1. Tillverka en lämplig behållare för mediet. För jordar, använder den aktuella testa 1/4 skala behållare 23.
    2. Bestäm jordart som skall användas och de geotekniska förhållanden: fukthalt och torr densitet av marken, se ref 15 för mer information..
    3. Besluta om begravning djup att använda i testningen. Detta är vanligtvis 100 mm i ett fullskaleprov, eftersom de nuvarande tester görs på ¼ skala innebär detta en 25 mm begravning djup.
    4. Blanda jorden noggrant med en lämplig storlek konstruktion blandare för att uppnå målet fukthalt. För sand blandningstiden som krävs är 10 min.
      1. Kontrollera innehållet i blandningen fukt genom att ta bort en liten mängd och väg den för att beräkna den totala massan, ekvation 19 . Torrden avlägsnade jorden och åter väga för att beräkna massan av vatten, ekvation 20 . Geotekniska fuktinnehåll beskrivs i termer av gravimetrisk fukthalt, ekvation 21 .
      2. Om vattenhalten ligger inom tolerans fortsätter annars remix jorden. En tolerans på ± 0,05-0,1% har uppnåtts i det pågående arbetet.
    5. Väg den tomma jorden behållaren och beräkna volymen för att möjliggöra beräkning av jordens densitet gång fullt (steg 5.4.7).
    6. Kompaktera marken i skikt, tunna nog för att garantera målet densitet, säkerställa att jordmassa som kommer in i behållaren är känd. För Leighton Buzzard Sand 15 detta görs i två skikt.
    7. När behållaren är full, kontrollera att densiteten av marken inom är i tolerans (± 0,2%). Målet torrdensitet i alla tester med Leighton Buzzard Sand var 1,6Mg / m3. Beräkna torrdensitet, genom att använda ekvation 22 , Där ρ d är den torra densiteten, M är den totala massan av jorden till behållaren, V är volymen av jorden behållaren och w är vattenhalten.
    8. Gräv ett litet hål ≈50 mm för att tillåta vilken avgift som skall placeras med den övre ytan på rätt fyllningshöjd (25 mm).
    9. Placera en icke-elektrisk sprängkapsel in i botten av avgiften, och gräva en lämplig kanal till sidan av behållaren för att säkerställa den övre ytan av behållaren är oavbruten gång jorden ersätts.
    10. Placera laddning och detonator i den utgrävda hålet, kontrollera begravning djupet är korrekt. Tillbaka fylla hålet med det utgrävda materialet.

6. Tänd sekvens

Notera: det finns en liten mängd av överlappning med protokollsektionen 5 på grund av den nature av testningen. Tändföljden bör syfta till att minimera risk och bör endast utföras av lämpligt utbildad personal.

  1. För fri luft tester:
    1. Ordna kostnadsfri support under måltavlan på rätt stand-off (75 mm).
    2. Stänga intervallet. Distribuera vaktposter för att säkerställa intervallet är klart under bränning.
    3. Placera avgift på stöd koaxial till instrumenteringen. Fäst paus kabeln till detonatorn och placera detonatorn i avgiften.
  2. För begravda tester:
    1. Placera marken behållaren så att laddningen placeras koaxial till HPB array.
    2. Stänga intervallet. Distribuera vaktposter för att säkerställa intervallet är klart under bränning.
    3. Anslut paus tråd, se till att den lindas runt periferin kostnad (detta ger en mer repeterbar tid av detonation i nedgrävda avgifter).
  3. Flytta till skjutplatsen och bekräfta instrumentering är igång.
  4. Leverera ström till pausen tråden. Kontrollera med vaktposterdet är säkert att fortsätta med bränning.
  5. Initiera sprängämnen. Gör testområdet säker.
  6. Ladda ner och säkerhetskopiera data.
  7. Re-öppna testområdet.

7. Numerisk interpolering för en 1D HPB array

  1. Importera data från rå datafiler till Matlab.
  2. Återuppspelning all data i den radiella riktningen, så att topptrycket för varje stång anländer samtidigt som topptrycket hos den centrala bar med användning av ekvation 2 (Figur 4B).
    ekvation 23 (2)
  3. Interpolera trycket vid varje radiellt avstånd från figur 4B.
  4. Plotta ankomsttider ( ekvation 24 ) Används för att justera topptrycket och montera en tredjegradsekvation genom data (Figur 4C).
  5. Tids flytta interpolerade data för att passa ankomsttider, släktenting en kontinuerlig chock front (Figur 4D).
  6. Upprepa för varje enskild uppsättning av testdata.

figur 4
Figur 4. Interpolation sekvens för 1D HPB array. (A) Originaldata, (B) tids skiftat data (C) chock främre ankomsttider, och (D) tidsdata 16 slutlig interpolerade tryck. Den diskreta naturen hos tryck tidsangivelserna kan tydligt ses i (A) med det finns ingen kontinuitet mellan topptrycken vid vart och ett av de fem gauge platser. Då de är inriktade med topptryck såsom i (B) interpolationen av trycket vid någon radiellt avstånd (under förutsättning av samma ankomsttid) är möjlig. Genom att registrera tidsförskjutningen som krävs för att anpassa topptrycken ankomsttiden för stöt fronten kan beräknas som shegen i (C). Detta gör då ankomsttid och trycktiden historia som ska beräknas för varje radiella avståndet vara interpolering av trycket från (B) och tid från (C) ger den slutliga interpolerade trycket såsom visas i (D). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

8. Numerisk interpolation för en 2D-HPB array

Obs: Koden används för att köra interpolation i Matlab har försetts tillsammans med ett exempel resultatfilen som kommer att hänvisas till i det här avsnittet.

  1. Importera data från rå datafiler till Matlab. För exemplet testdata, dubbelklicka på test_data.mat filen, och klicka sedan på "Finish" i Import Wizard.
  2. Öppna interpolation2d.m Matlab skriptet.
  3. Definiera en regelbunden rutnät över vilka interpolation kommerdrivs genom att ändra mesh. Säkerställa detta är samma upplösning som maskstorleken i någon framtida numerisk modellering 26,27. Detta ligger i "% mesh detaljer avsnittet av koden.
  4. Kör interpolation2d.m Matlab manus. Observera följande steg genomförs i koden och visas här för tydlighetens skull.
    1. Time-shift alla HPB tryck spår av ekvation 24 (Ekvation 2). Ursprungliga data visas för ekvation 25 mm i figur 5B, med samma datatidsförskjuten i figur 5C.
      Obs: tidsförskjutning krävs för att göra det möjligt för interpolerutinen att framgångsrikt lokalisera chock front vid varje given tidpunkt. Detta innebär i huvudsak att rikta in data för varje radiell array så att alla de maximala trycken justera.
    2. Beräkna radien, ekvation 26 Och ang le, ekvation 27 för en given punkt av intresse på nätet, som visas i figur 5A.
    3. Applicera 1D interpolering till de två HPB arrayer närmast plats av intresse för den aktuella radien ekvation 26 (för ekvation 28 interpole skulle använda ekvation 29 och ekvation 30 arrayer).
    4. Interpolera linjärt mellan 2 trycken baserade på ekvation 31 (Igen för en ekvation 28 viktningen skulle vara 50% av den ekvation 29 och 50% av den 12eq30.jpg "/> array beräknade tryck).
    5. Beräkna den momentana belastningen genom att multiplicera det interpolerade trycket genom rutnätet (område) för att ge lasten.
    6. Multiplicera lasten vid tiden steget av provtagningen för att erhålla den momentana impuls.
    7. Upprepa för alla platser och tider (addera den momentana impulsen att ge total impuls).
    8. Tids förskjuta trycktiden historia för varje plats baserat på kubisk interpolering av stöt ankomsttid (figur 5D).

figur 5
Figur 5. Interpolation sekvens för 2D HPB array. (A) undertecknar konventioner som används, (B) originaldata ekvation 35 mm, (C) tids skiftat uppgifter412 / 53412eq36.jpg "/> mm, och (D) ankomsttider för varje radiell riktning 16. För en 2D utbud av barer trycktiden historia vid någon punkt är beroende av både radiella avstånd och som kvadrant den intressanta ligger . Om explosionen var helt symmetrisk då trycken i (B) skulle bilda vertikala linjer, såsom visas i (C). i (B) kan man se att det stötfronten är når 50 mm läge på ekvation 30 axeln först.
Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En effektivt styv reaktion ram måste tillhandahållas. I den aktuella testa en total förmedlade impuls av flera hundra Newton-sekunder måste motstånd med minimal böjning. En illustration av den stela reaktions ram som används ges i figur 1. I varje ram en 50 mm stål "acceptor" platta har gjutits in i basen av tvärbalkar. Samtidigt inte uttryckligen krävs, ger detta för enkel fixering av lastceller / målplatta och ger extra skydd i ansiktet av betongbalken. Den närmaste skal avstånd för närvarande genomförs har varit 0,15 m / kg 1/3.

Den nuvarande ramen har testats upp till 500 Ns, och har 500 mm kvadratiska kolonner med en 750 mm djup, 500 mm bred balk som spänner över kolumner som visas i visas i figur 1A. Den kritiska inslag i designen är målplattan som är 100 mm tjocka milda steel, detta uppskattades att deformera 0,3 mm när motstå en 100 g sfärisk fri luftström vid 75 mm dödläge (med hjälp av LS-DYNA 28 rutin load_blast 4). Konstruktionen av ramarna utfördes av en specialist konkret entreprenör som lämnat plats utrustning och formen. De faktorer som används i konstruktionsstadiet beror mycket på vilken typ av tester och huruvida ytterligare säkerhetsfaktorer kommer att tillämpas av byggnadsingenjör. En säkerhetsfaktor på 10 användes i det pågående arbetet.

Indikationer på den utrustning som används har givits i huvudprotokollsektioner där så är lämpligt. Att tillhandahålla representativa resultat ett enda test med 17 HPBs konfigurerade i en 2D matris såsom visas i figur 1B genomfördes. I det pågående arbetet stängerna som används är 3,25 m lång med en radie av 5 mm, med trådtöjningsgivare är fäst 0,25 m från den laddade ytan som visas i figur 3A. Avståndet mellan HPBs i mål-valdes för att vara 25 mm såsom visas i figur 1B.

Testet genomfördes använde en 78 g PE4 3: 1 knäböj cylinder begravd på 28 mm i mättad Leighton Buzzard sand 15. Sanden hade en bulkdensitet av 1,99 mg / m 3 och fukthalt på 24,77%. Stand-off mellan den färdiga jordytan och måltavlan var 140 mm.

När testet hade genomförts de enskilda tryck tidsangivelserna kördes genom en enkel fem poäng glidande medelvärde utjämning algoritm för att ta bort eventuellt högfrekvent brus från data. Det konstaterades när sammanställa de uppgifter som de 75 och 100 mm barer i ekvation 32 array hade inte spelat in data på rätt sätt. Detta var troligen på grund av att limmet av töjningsgivaren de-bindning från HPB ge felaktiga avläsningar. För att kompensera for detta data från de 75 och 100 mm ekvation 30 barer användes i stället. Data från var och en av de 4 radiella arrayer är plottade i fig 6, med den centrala (0 mm) HPB är gemensam för alla diagram. I den mättade marken en mycket tydlig chock främre ses, med trycket ruttnande långsamt med radiellt avstånd.

De inspelade tryck tidsangivelserna kördes sedan genom 2D interpole rutin, med intressanta zonen sätts som en 200 x 200 mm i kvadrat (-100 till 100 mm). Denna zon var uppdelat i en 5 mm rutnät, som ansågs bra nog för att fånga chocken främre utbredning över måltavlan noggrant. Plottar av den interpolerade trycket som verkar på målplattan vid valda tidpunkter visas i figur 7. Den ms fördröjning ≈ 20 i ankomsten av stötframsidan är den tid det tar för tryckvågen att täcka than avstånd mellan avgiften och måltavla. Den asymmetriska naturen hos den belastning som visas i de registrerade data (fig 6) kan ses tydligt i och ekvation 32 axlar. Detta är särskilt tydligt på ekvation 34 msek.

figur 6
Figur 6. registrerade tryck tidsangivelserna för ett enda test med en 2D HPB array. (A) ekvation 29 (B) ekvation 30 (C) ekvation 37 (D) ekvation 38 .Denna figur visar den bearbetade spår för varje bar plats. Den svarta centrala streckraster är gemensam för alla tomter att indikera ankomsten av stötfronten. Den icke-fortlöpande karaktär chocken främre återigen tydligt eftersom det finns liten överlappning mellan toppspänningszonen för varje bar. Det lägre trycket i de 25 mm ekvation 38 bar har en intressant effekt på formen av stötfronten som ritas i Figur 7. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7. Interpolerad tryckfördelnings tomter vid specificerade tider 16. Den hästskoform av stötframsidan kan ses i t = 0.22-0.23 tomter. Detta orsakas av the dopp i tryck sett i 25 mm ekvation 38 bar som visas i figur 6. med 0,3 sekunder efter detonationen chocken front är nästan symmetrisk längs alla axlar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med användning av det protokoll som beskrivs ovan författarna har visat att det är möjligt att få höga fidelity mätningar av mycket varierande belastning från en explosiv laddning, med användning av en matris med Hopkinson Tryckstänger. Använda interpole rutin beskrev diskreta tryck tidsangivelserna kan omvandlas till en kontinuerlig chock front som är användbar direkt som laddningsfunktionen i numerisk modellering eller valideringsdata för produktionen av sådana modeller.

Vid användning av begravda avgifter den metod som används för framställning av jordbehållare som beskrivs i protokollet avsnitt 5 måste kontrolleras för att säkerställa tillräcklig packningsenergi tillhandahålls för att nå målet tätheten. Om målet tätheten inte uppnås då lyfthöjden bör reduceras för att öka effektiviteten av kompaktering. Från tidigare forskning har det visat sig att enhetliga jordarter ger mer repeterbara testdata än tester som utförts med väl graderade jordar 15 15.

För alla tester med explosiva laddningar har det visats i tidigare studier 16,29,30 att placeringen av detonatorn i nära-fälttest är avgörande för att producera repeterbara tester som är fria från signalbrus. I detta avseende detonatorn alltid bör placeras i botten av laddningen (längst bort från målplattan) så att eventuella fragment från den detonerande aggregatet inte kommer att träffa de HPBs framför huvudstötfronten.

Medan varje försök görs för att säkerställa att testningen är så robust som möjligt, sker dataförlust fortfarande. Detta beror vanligtvis på att töjningsgivarna delvis de-bindning från HPBs som kan vara ett särskilt problem i kallt väder (den aktuella apparaten är inställd i en ouppvärmd byggnad). Stor omsorg måste också tas när du ställer inbryta tråd eftersom detta inte bara tillåter inspelning av detonations tid men ger också den signal som utlöser datainsamling. En förlust av denna signal eller fel i installationen kan orsaka all data från ett test som ska förloras. När det gäller datahantering, är data från testerna omedelbart dupliceras från inspelningen datorn till en USB-enhet till att ingen data går förlorad när testningen är klar.

I den aktuella testa lastcellerna fästa målplattan till den stela reaktionsplattan och används för att mäta den totala impulsen överförs på måltavlan (såsom de HPBs endast täcker ett begränsat område). Om kvantifiering av endast den lokaliserade belastning (och inte globala data) krävs då måltavlan kan monteras direkt till den styva reaktionsramen.

Med HPB tryck tidsangivelserna är bara för kända punkter på måltavlan en interpolation rutin som krävs för att utvärdera trycktiden historia för varje punkt på målplattan, och följaktligen för att beräkna den totala inspelade impuls.

Om endast en enda radiell array har utnyttjats i testningen, är interpole fortfarande möjligt genom att anta de punkt HPB belastningar för att vara indikativ för lastning vid någon polär rotation vid samma radie på måltavlan. Tidsförskjutningen krävs också för att interpolera över diskontinuerliga data (Figur 4A).

Den främsta fördelen med att använda en 2D HPB array är förmågan att fånga asymmetri i tryck tidsangivelserna. Detta kräver en mer komplex interpole rutin. I princip kan tillämpas denna teori till valfritt antal radiella arrayer. I den aktuella forskningen detta har begränsats till fyra arrayer ( ekvation 29 , ekvation 37 , ekvation 30 ,ftp_upload / 53.412 / 53412eq38.jpg "/>) från 0 till 100 mm med den centrala HPB är gemensam för alla (Figur 5A). Totalt 17 HPBs har använts i varje test.

Interpolerutin i form presenteras här förutsätter att för varje trycktidshistorik finns det en enda väldefinierad tryckspik som motsvarar ankomsten av stötfronten. Det kan ses i figur 6 att för alla staplar detta är ett bra antagande. I vissa testförhållanden men detta antagande inte kan vara giltigt och så trodde bör ges på hur man bäst kan anpassa tryck tidsangivelserna för att möjliggöra den mest representativa interpolering av trycket.

Ändringar kan lätt göras för att tillgodose olika skalade avstånd (Z) i det nuvarande protokollet genom att flytta laddningen längre bort från måltavlan. Vård måste dock vidtas om den skalade avståndet bringas ned under 0,15 för att säkerställa att loading skadar inte ansiktet på HPBs. Formen på explosiv och explosiv typ kan också ändras, med förbehållet att den första modellering utförts för att validera den experimentella designen måste kontrolleras.

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 tryckstänger Kolsky blast närområdet begravda avgifter extrem belastning fysik
Blast Kvantifiering Använda 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