Blast Kvantificering Brug Hopkinson Pressure Bars
Summary
This protocol details the use of Hopkinson pressure bars to measure reflected blast loading from near-field explosive events. It is capable of interpolating a pressure-time history at any point on a reflective boundary and as such can be used to fully characterize the spatial and temporal variations in loading produced.
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors wish to thank the Defence Science and Technology Laboratory for funding the published work.
Materials
| 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 | N/A | 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 |
References
- Esparza, E. Blast measurements and equivalency for spherical charges at small scaled distances. Int. J. Impact Eng. 4 (1), 23-40 (1986).
- Kingery, C. N., Bulmash, G. ARBRL-TR-02555. Airblast parameters from TNT spherical air burst and hemispherical surface burst. , (1984).
- Hyde, D. W. . Conventional weapons program (ConWep). , (1991).
- Randers-Pehrson, G., Bannister, K. A. ARL-TR-1310. Airblast loading model for DYNA2D and DYNA3D. , (1997).
- 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).
- Xu, S., et al. An inverse approach for pressure load identification. Int. J. Impact Eng. 37 (7), 865-877 (2010).
- 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).
- Bergeron, D. M., Trembley, J. E. Canadian research to characterize mine blast output. , (2000).
- Hlady, S. L. Effect of soil parameters on landmine blast. , (2004).
- 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).
- Anderson, C. E., Behner, T., Weiss, C. E. Mine blast loading experiments. Int. J. Impact Eng. 38 (8-9), 697-706 (2011).
- 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).
- 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).
- Pope, D. J., Tyas, A. Use of hydrocode modelling techniques to predict loading parameters from free air hemispherical explosive charges. , (2002).
- Clarke, S. D., et al. Repeatability of buried charge testing. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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?. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- NATO Standardisation Agency. Procedures for evaluating the protection level of logistic and light armoured vehicles. Allied Engineering Publication (AEP) 55. 2, (2011).
- Elgy, I. D., et al. . UK ministry of defence technical authority instructions for testing the protection level of vehicles against buried blast mines. , (2014).
- Clarke, S. D., et al. Finite element simulation of plates under non-uniform blast loads using a point-load method: Buried explosives. , (2015).
- Rigby, S. E., et al. Finite element simulation of plates under non-uniform blast loads using a point-load method: Blast wave clearing. , (2015).
- Hallquist, J. O. . LS-DYNA theory manual. , (2006).
- Fay, S. D., et al. Capturing the spatial and temporal variations in impulse from shallow buried charges. , (2013).
- Fay, S. D., et al. Measuring the spatial and temporal pressure variation from buried charges. , (2014).
