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 Kwantificering Met behulp van 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

Nabije veld blast belastingsmeting geeft een probleem bij vele typen sensoren mocht zeer agressieve milieus moeten ondergaan en in staat om druk te meten tot vele honderden Mpa. In dit opzicht is de eenvoud van de Hopkinson drukstang heeft een groot voordeel, dat terwijl de eindwaarde van de Hopkinson bar kan verdragen en worden blootgesteld aan zware omstandigheden, de spanningsmeter bevestigd aan de staaf kan op enige afstand aangebracht. Hiermee beschermende behuizingen worden gebruikt waarop de spanningsmeter te beschermen, maar niet interfereren met de meting acquisitie. Het gebruik van een array van drukstaven kan de druk in de tijd in discrete bekende punten te meten. Dit artikel beschrijft ook de interpolatie routine gebruikt om de druk in de tijd af te leiden at-un geïnstrumenteerde locaties op het vlak van belang. Momenteel de techniek is gebruikt voor het laden van hoge explosieven in vrije lucht meten en ondiep begraven in verschillende bodems.

Introduction

Karakteriseren van de output van explosieve ladingen heeft vele voordelen, zowel militaire (verdediging tegen begraven geïmproviseerde explosieven in de huidige conflictgebieden) en civiel (het ontwerpen van structurele componenten). In de afgelopen tijd heeft dit onderwerp veel aandacht gekregen. Veel van de kennis die is gericht op het kwantificeren van de output van kosten voor het ontwerpen van doeltreffende veiligheidsvoorzieningen structuren mogelijk. Het belangrijkste punt hier is dat als de metingen zijn niet van high fidelity dan de mechanismen van de belasting overdracht in deze explosieve gebeurtenissen onduidelijk blijven. Dit leidt tot problemen valideren numerieke modellen die gebaseerd zijn op deze metingen voor validatie.

De term nabije-veld wordt gebruikt voor ontploffing met geschaalde afstanden, Z, minder dan ~ 1 m / kg 1/3, waarbij Z = R / W 1/3, R de afstand van het centrum van het explosief en W beschrijven wordt de lading massa geuiteen equivalente massa van TNT. In deze regeling wordt de laad- doorgaans gekenmerkt door een zeer grote omvang, zeer ruimtelijk en in tijd niet-uniforme belastingen. Robuuste instrumentatie is dus nodig om de extreme druk in verband met near-field lading te meten. Bij geschaalde afstanden Z <0,4 m / kg 1/3, directe metingen van de ontploffing parameters zijn ofwel onbestaande of zeer weinig 1 en de semi-empirische voorspellende data voor deze serie is vrijwel volledig gebaseerd op parametrische studies. Dit gaat met behulp van de semi-empirische voorspellingen gegeven door Kingery en Bulmash 2, die zich buiten het toepassingsgebied van de auteur. Terwijl hulpmiddelen op basis van deze voorspellingen 3,4 zorgen voor een uitstekende eerste orde schattingen van het laden ze niet volledig vastleggen van de mechanica van near-field gebeurtenissen, die de focus van het huidige onderzoek.

Near-field ontploffing metingen hebben in de afgelopen tijd gericht op het kwantificeren van de output van begraven kosten. De methodieken gebruikt variëren van het beoordelen van de vervorming veroorzaakt aan een structureel doel 5-7 aan de wereldwijde impuls meting 8-13 richten. Deze methoden leveren waardevolle informatie voor de validatie van beschermende systeemontwerpen maar kunnen geen volledig onderzoek naar de mechanismen van lastenoverdracht. Testen kan op laboratorium- schaal (1/10 volledige schaal), of nabij volle schaal (> 1/4), met praktische redenen zoals het controleren of ingraafdiepte zodat er geen inherente vorm van de schokgolf wordt opgewekt door de gebruik van ontstekers in plaats van kale kosten 14. Met begraven lasten hebben de bodemgesteldheid in hoge mate worden gecontroleerd om de herhaalbaarheid van de test 15 te garanderen.

Onafhankelijk van de vraag of de lading wordt geplaatst in de vrije lucht of is begraven, de meest fundamentele probleem in het meten van de resulterende explosie is het waarborgen van de geldigheid van de metingen die door de instrumentatie deployed. In het ontworpen testapparaat 16 vaste 'rigide' target plaat wordt gebruikt om de Hopkinson druk bars 17 (HPbs), terwijl schermen tegelijkertijd ervoor te zorgen dat de uiteinden van de balken alleen het volledig tot uiting druk kan opnemen. De auteurs hebben eerder aangetoond dat de meting van gereflecteerd druk uit een rigide doel meer nauwkeurige en herhaalbare dan incident, of "vrije-field" metingen 18-20. De geometrie van deze plaat is zodanig dat elke drukverlaging gegenereerd door het opruimen of stroming rond het doel rand 21 verwaarloosbaar zou zijn. Deze nieuwe testapparatuur is gebouwd op 1/4 schaal. Op deze schaal strakke controle over de begrafenis omstandigheden en de explosieven kan worden gewaarborgd, met de volle schaal lading grootte van 5 kg verkleind tot 78 g, bij een begrafenis diepte van 25 mm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Stijve Reaction Frame

  1. Bepaal geschaalde distance waarvan tests gebruikt Vergelijking 1, waarbij R de afstand van het centrum van het explosief te nemen, en W de lading massa uitgedrukt als equivalente massa TNT.
    Z = R / W 1/3 (1)
  2. Bereken bij benadering maximale impuls deze regeling zal via numerieke modellering te genereren (zie bijlage A) of specifieke instrumenten zoals ConWep 3.
    Opmerking: Het gebruik van ConWep 3 is alleen geldig voor vrije luchtstroom, als een schatting van de druk gegenereerd op basis van begraven kosten vereist de meer geavanceerde numerieke modellering is vereist.
  3. Controleer de geschatte het laden van het model zal niet het genereren van in-plane verplaatsingen van meer dan 0,5 mm in het doel plaat.
  4. Verhoog de belasting berekend met een factor 10 om rekening te houden onnauwkeurigheden van de modellen en flexibiliteit voor toekomstige tes toevoegenTing.
  5. Ontwerp een stijf frame reactie kunnen de maximale belasting berekende 16 weerstaan. In een afdeling Engineering, het uitvoeren van deze berekeningen in huis; anders zoeken naar de diensten van een Structural Engineer.
    1. Procure rigide reactie frames, contract een specialist aannemer te fabriceren en de frames te installeren om de ontwerpen van de constructeur.
  6. Procure richtplaat, contract een specialist stalen fabricator.
    Merk op dat de plaat moet worden aangebracht op krachtopnemers (indien gebruikt) en gaten voor de HPbs (ontworpen punt 3) moet worden geboord door de plaat voor de montage.

Figuur 1
Figuur 1. Schematische voorstelling van de test frame. (A) Totale regeling, (B) plan van de richtplaat, (C) close-up bekijken van richtplaat. THij Hopkinson druk bars zijn opgehangen aan het barsamenstel ontvanger, zodat ze zitten gelijk met het gezicht van het doel plaat. Dit maakt het volledig tot uiting druk die op het doel plaat op te nemen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Load Ontwerp van de cel

  1. Procure of fabriceren load cellen (indien gebruikt). Deze kan zowel off-the-shelf universele (druk / spanning) rekstrookje- bus modellen of ingebouwde intern uit delen dikwandige zacht stalen buis gelast montageplaten rekstrookjes aangebracht op een Wheatstone brugvorming zie figuur 2.
  2. Als de belasting cellen zijn vervaardigd in-house, stuur ze naar een externe contractant voor de kalibratie.

Figuur 2
Figuur 2. Schematische weergave van het in-huis vervaardigd load cells. (A) zijaanzicht (B) eindaanzicht. De donkergrijze cilinder is een dikwandige stalen buis die stammen onder belasting. Deze soort is opgenomen met een spanningsmeter als geen rotatie wordt ervaren tijdens het laden. Uit de kalibratie van de load cell de stam kan terug worden gerelateerd aan de toegepaste spanning. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Hopkinson Pressure Bar Design

  1. Over de duur van de opname, vergelijking 9 , Die nodig is om de volledige lading van de ontploffing te vangen. De minimale duur die nodig is de tijd die in het numerieke model (sectie 1.2) de druk naar nul terug na de begindruk piek. Hier, gebruik 1.2 msec.
  2. Decide op het materiaal voor de HPbs. Dit beïnvloedt de elastische golf snelheid, vergelijking 10 , In de bar, die wordt gegeven door vergelijking 11 waar vergelijking 12 is de Young's modulus en vergelijking 13 de dichtheid. Voor het meten van een hoge druk schok Gebruik stijve materialen zoals staal; waarbij als een zwakkere schok wordt verwacht, gebruiken minder stijve materialen zoals een magnesiumlegering of nylon.
  3. Kies de positie op de HPB de spanningsmeter wordt geplaatst, die zo dicht mogelijk bij het geladen oppervlak van de HPB om dispersie te minimaliseren. In de huidige set-up van de dikte van het doel plaat en de wendbaarheid die nodig is om de staven passen in plaats betekende dat de meters kon alleen worden geïnstalleerd 250 mm uit de geladen gezicht.
  4. Bereken de HPB vereiste lengte met behulp vergelijking 14 waar vergelijking 15 de afstand van het geladen oppervlak van de HPB de spanningsmeter vergelijking 16 (3,25 m).
  5. Bepaal nodig HPB straal om voldoende bandbreedte om het evenement vast te leggen met behulp van hebben: vergelijking 17 kHz, waarbij vergelijking 18 de straal in mm HPB 22,23 (5 mm).
  6. Beslissen over de ruimtelijke resolutie nodig is om de drukverdeling in de plaat vast te leggen. Dit is in het algemeen zo dicht mogelijk behoud van de structurele integriteit van de trefplaat. In het huidige werk, gebruik maken van 25 mm.
  7. Boorgaten in de richtplaat de HPbs monteren (dit kan onderdeel zijn van het fabricageproces). Een nauwe pasvorm is vereist without de HPbs in contact staat met de plaat. Hier, gebruik 0,5 mm tolerantie met 17 gaten geboord in een kruisvorm (figuur 1b).
  8. Procure de HPbs (17), en zorg ervoor dat de distale einden schroefdraad om voor schorsing in het barsamenstel ontvanger (figuur 3A) te hebben.

4. experimentele opstelling & Data Acquisition

Let op: Met de reactie frame, richtplaat, load cellen en HPbs ontworpen en gefabriceerd, kan de assemblage beginnen zoals weergegeven in figuur 1, en ​​ontworpen in dienst Protocol 1.

  1. Bevestig halfgeleider rekstrookjes om HPbs (Figuur 3B) en load cellen met behulp van cyanoacrylaat, let daarbij goed op de continuïteit van de aarde te verzekeren door alle bekabeling. Een voorbeeld van de Wheatstone brug voor de HPbs wordt getoond in figuur 3C.
    1. Controleer of alle aarde kabels worden bevestigd om de continuïteit van de aarde te verzekeren. Goed geaarde testapparatuur zal verbeterenkwaliteit van het signaal in het bijzonder.
  2. Zorg ervoor dat de bedrading is voldoende lang om ervoor te zorgen dat de oscilloscoop is plaatsbaar in een blast vrije ruimte (afgeschermde bekabeling moet worden gebruikt die voldoende signaal bandbreedte heeft).
  3. Breng het doel plaat om de starre reactie frame, met behulp van de optionele loadcellen indien aanwezig (figuur 1C).
  4. Hang HBPS van het barsamenstel ontvanger, het passeren van de geladen uiteinde door het juiste gat in het doel plaat. Hang de HPbs vrij uit een moer geschroefd op het van schroefdraad voorziene distale uiteinde van de HPB.
  5. Zorg ervoor dat bars zijn verticaal met behulp van een waterpas (dienovereenkomstig aanpassen van de ontvanger).
  6. Controleer de gezichten van de HPbs zijn niveau met de doelgroep plaat, dienovereenkomstig aanpassen van de moer.
  7. Stel de trim van de variabele weerstand in de conditioneringschakeling (figuur 3C) om de spanning binnen de grenzen van oscilloscoop tijdens het testen te houden. Doe dit door middel van trial and error gericht op het uit balans voor elk kanaal instellengezien op de digitale uitlezing van de versterker dozen op nul.
  8. Sluit de versterkte meter uitvoer naar een geschikte digitale oscilloscoop. Configureren voor een bemonsteringsfrequentie (1,56 MHz), opnameduur (28,7 msec) met een pre-trigger duur van 3,3 msec hebben.
    1. Stel de opname te triggeren wanneer de spanning in de pauze draad kanaal (die zelf is bedraad in de oscilloscoop) een 'out-window' overschrijdt. Record spanning voor elke meter aangesloten (22 in totaal, 17 HPbs, 4 load cellen en de break draad) en tijd.

figuur 3
Figuur 3. (A) Schematische weergave van een HPB aangebracht in het doel plaat, (B) doorsnede door HPB op maat locatie, (C) voorbeeld Wheatstone brug circuit. Twee rekstrookjes worden gebruikt in de Wheatstone brug zodat en buigen van de Hopkinson bar cancelled out. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

5. Explosieve voorbereiding

  1. Beslissen over de explosieve lading massa en stand-off voor gebruik in de testen (100 g PE4 bij 75 mm).
  2. Beslissen of de kosten moeten worden ontploft in de vrije lucht of binnen een ander medium (bodem, water enz.). Voor de vrije lucht test een sferische vorm lading wordt normaal gebruikt terwijl bij begraven kosten van de standaard is een 3: 1 squat cilinder 24,25.
  3. Voor de vrije lucht testen:
    1. Hang de lading onder het doel plaat op de juiste stand-off (75 mm). Dit te bereiken met een dunne houten strook of door het plaatsen van de lading op een blad van polyethyleen.
    2. Plaats de lading coaxiaal met de meting array waarborgen geldige metingen.
    3. Voor de vrije lucht testen maken gebruik van een elektrische ontsteker, met de ontsteker wordt halverwege geplaatst inde lading van de basis. Doe dit op het laatste moment voor de ontploffing en wanneer het bereik is al veilig gesteld.
  4. Voor begraven testen:
    1. Fabriceren een geschikte container voor het medium. Voor bodems, de huidige test maakt gebruik van 1/4 schaal containers 23.
    2. Beslissen over de grondsoort worden benut en de geotechnische voorwaarden: vochtgehalte en de droge dichtheid van de bodem, zie ref 15 voor meer informatie..
    3. Beslis over de ingraafdiepte te gebruiken bij het testen. Dit is meestal 100 mm in een full scale test, als de huidige tests worden gedaan op ¼ schaal betekent dit een 25 mm begrafenis diepte.
    4. Meng de bodem grondig met een geschikt formaat constructie mixer om de doelstelling vochtgehalte te bereiken. Voor zand het mengen benodigde tijd 10 min.
      1. Controleer het vochtgehalte van het mengsel door het verwijderen van een kleine hoeveelheid en wegen van de totale massa te berekenen, vergelijking 19 . Droogde bodem verwijderd en opnieuw wegen van de massa van water te berekenen, vergelijking 20 . Geotechnische vochtgehaltes zijn gespecificeerd in termen van gravimetrisch vochtgehalte, vergelijking 21 .
      2. Wanneer het vochtgehalte binnen de tolerantie blijven, anders remixen de bodem. Een tolerantie van ± 0,05-0,1% is bereikt in het huidige werk.
    5. Weeg de lege bodem container en bereken het volume op de berekening van de bodem dichtheid eenmaal vol (stap 5.4.7) mogelijk te maken.
    6. Verdichten de grond in lagen dun genoeg om de doelstelling dichtheid waarborgen, zodat de grondmassa die in de houder bekend. Voor Leighton Buzzard Sand 15 gebeurt dit in twee lagen.
    7. Zodra de container vol is, controleer dan of de dichtheid van de bodem binnen in de tolerantie (± 0,2%). Het doelwit droge dichtheid in alle tests met Leighton Buzzard Sand was 1,6Mg / m3. Bereken droge dichtheid, met behulp vergelijking 22 Waar ρ d de droge dichtheid is M het totale grondmassa toegevoegd aan het vat, V het volume van de bodem houder en w is het vochtgehalte.
    8. Graven een klein gaatje ≈50 mm zodat de kosten voor het bovenoppervlak op de juiste ingraafdiepte (25 mm) geplaatst.
    9. Plaats een niet-elektrische detonator in de basis van de lading en graven een geschikte kanaal aan de zijkant van de houder te garanderen het bovenvlak van de houder niet onderbroken zodra de grond komt.
    10. Plaats de lading en detonator in het uitgegraven gat, het controleren van de begrafenis diepte is correct. Terug vul het gat met de opgegraven materiaal.

6. Firing sequentie

Opmerking: Er is een kleine hoeveelheid overlap met protocol deel 5 door de nature proeven. Het afvuren volgorde moet erop gericht zijn om risico's te minimaliseren en mag alleen worden uitgevoerd door speciaal opgeleid personeel.

  1. Voor de vrije lucht testen:
    1. Schik gratis ondersteuning onder het doel plaat op de juiste stand-off (75 mm).
    2. Sluit het bereik. Implementeer schildwachten om ervoor te zorgen bereik is tijdens het bakken duidelijk.
    3. Plaats lading op de drager coaxiale instrumentatie. Bevestig de pauze draad aan de ontsteker, en zet de ontsteker in de lading.
  2. Voor begraven testen:
    1. Plaats de bodem container, zodat de lading wordt geplaatst co-axiale HPB array.
    2. Sluit het bereik. Implementeer schildwachten om ervoor te zorgen bereik is tijdens het bakken duidelijk.
    3. Sluit de pauze draad zodanige wijze moet worden gewikkeld rond de omtrek van lading (dit geeft een meer herhaalbare tijde van de ontsteking in begraven kosten).
  3. Ga naar vuren punt en bevestig instrumentatie loopt.
  4. Leveren macht aan de pauze draad. Neem contact op met schildwachtenHet is veilig om te gaan met het afvuren.
  5. Initiëren explosieven. Maak het testgebied veilig.
  6. Download en back-up van gegevens.
  7. Re-open test bereik.

7. Numerieke interpolatie voor een 1D HPB-array

  1. Importeren de gegevens van de ruwe data bestanden in Matlab.
  2. Tijdverschuiving alle gegevens in de radiale richting, zodat de piekdruk voor elke staaf komt tegelijkertijd de piekdruk van de centrale balk met vergelijking 2 (Figuur 4B).
    vergelijking 23 (2)
  3. Interpoleren de druk op elk radiale afstand van Figuur 4B.
  4. Zet de aankomsttijden ( vergelijking 24 ) Wordt gebruikt om de piekdrukken te lijnen en plaats een derdegraadsvergelijking door de gegevens (Figuur 4C).
  5. Time-shift de geïnterpoleerde gegevens naar de aankomsttijden passen, generating van een continue shock voorzijde (figuur 4D).
  6. Herhaal dit voor elke individuele set van testgegevens.

figuur 4
Figuur 4. Interpolatie sequentie voor 1D HPB array. (A) oorspronkelijke gegevens, (B) in de tijd verschoven data, (C) schokgolf aankomsttijden, en (D) uiteindelijke druk geïnterpoleerde tijdgegevens 16. De discrete aard van de druk in de tijd is duidelijk te zien in (A) met er geen continuïteit tussen de piekdrukken op elk van de vijf meter locaties. Wanneer gericht door piekdruk volgens (B) de interpolatie van druk op een radiale afstand (uitgaande van dezelfde aankomsttijd) mogelijk. Door het opnemen van de tijdsverschuiving nodig is om de piekdrukken lijn de aankomsttijd van de schokgolf kan worden berekend als sheigen in (C). Dit maakt dan de aankomsttijd en de druk tijd de geschiedenis te worden berekend voor elke radiale afstand zijn interpolatie onder druk van (B) en de tijd van de (C) het geven van de laatste geïnterpoleerde druk zoals te zien in (D). Klik hier voor een grotere weergave versie van deze figuur.

8. Numerieke interpolatie voor een 2D-array HPB

Opmerking: De code wordt gebruikt om de interpolatie in Matlab lopen is voorzien, samen met een voorbeeld bestand met resultaten die in dit artikel worden genoemd.

  1. Importeren de gegevens van de ruwe data bestanden in Matlab. Voor het voorbeeld testgegevens, dubbelklik op het test_data.mat bestand en klik op 'Finish' in de wizard Importeren.
  2. Open de interpolation2d.m Matlab script.
  3. Definieer een reguliere rooster waarover de interpolatie zalbeheerd door het veranderen van het gaas. Zorg ervoor dat dit is dezelfde resolutie als de mazen in eventuele toekomstige numerieke modellering 26,27. Dit wordt ingesteld in sectie van de code van de '% mesh gegevens'.
  4. Voer het interpolation2d.m Matlab script. Let op de volgende stappen in de code geïmplementeerd en worden hier vermeld voor de duidelijkheid.
    1. Time-shift alle HPB druk sporen door vergelijking 24 (Vergelijking 2). Oorspronkelijke data wordt getoond voor vergelijking 25 mm in Figuur 5B, met dezelfde gegevens tijd verschoven in figuur 5C.
      Opmerking: de tijdverschuiving is vereist om de interpolatieroutine succesvol vind schokgolf op een bepaald moment. Dit houdt in wezen het uitlijnen van de gegevens voor elke radiale reeks dus al de maximale druk uit te lijnen.
    2. Bereken de straal, vergelijking 26 En ang le, vergelijking 27 voor een gegeven bijzondere plaats op de grid, zie figuur 5A.
    3. Breng de 1D interpolatie de twee arrays HPB dichtst bij het aandachtspunt voor de huidige radius vergelijking 26 (voor vergelijking 28 de interpolatie zou gebruiken vergelijking 29 en vergelijking 30 arrays).
    4. Lineair interpoleren tussen 2 drukken op basis van vergelijking 31 (Opnieuw voor een vergelijking 28 de weging zou 50% van de te vergelijking 29 en 50% van de 12eq30.jpg "/> serie berekend druk).
    5. Bereken de momentane belasting van de geïnterpoleerde druk door de grid afstand (gebied) om de lading te vermenigvuldigen.
    6. Vermenigvuldig de belasting op het moment stap van de bemonstering op de momentane impuls krijgen.
    7. Herhaal dit voor alle locaties en tijden (het optellen van de momentane impuls aan de totale impuls te geven).
    8. Time-shift de druk tijd geschiedenis voor elke locatie op basis van kubieke interpolatie van de schok aankomsttijd (figuur 5D).

figuur 5
Figuur 5. interpolatie sequentie voor 2D HPB array. (A) Meld conventies gebruikt, (B) de oorspronkelijke gegevens vergelijking 35 mm, (C) in de tijd verschoven data412 / 53412eq36.jpg "/> mm, en (D) aankomsttijden voor elke radiale richting 16. Voor een 2D-array van bars de druk tijd de geschiedenis op elk punt is afhankelijk van zowel de radiale afstand en welke kwadrant de bezienswaardigheid is gevestigd . als de explosie waren perfect symmetrische dan de druk in (B) zou verticale lijnen zoals getoond in (C). in (B) blijkt dat de schokgolf is bereikt het 50 mm gelegen aan vergelijking 30 as eerste.
Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een effectief stijf reactie kader moet worden verstrekt. In de huidige testen totaal meegedeelde impuls van enkele honderden Newton-seconden moet worden tegengegaan met minimale vervorming. Een illustratie van de stijve reactiemengsel lijst is vervat in figuur 1. In elk frame een 50 mm staal "acceptor" plaat is in de basis van de dwarsbalken geworpen. Hoewel niet expliciet vereist, dit maakt een eenvoudige bevestiging van de weegcellen / richtplaat en biedt extra bescherming aan het vlak van de betonnen balk. De dichtstbijzijnde geschaalde afstand momenteel uitgevoerd is 0,15 m geweest / kg 1/3.

Het huidige beeld is getest tot 500 Ns, en heeft 500 mm vierkante kolommen met een 750 mm diepte, 500 mm brede bundel overspannen de kolommen als getoond in figuur 1A. De kritische element in het ontwerp is het doel plaat, die is 100 mm dik mild steel, deze werd geschat op vervormen 0,3 mm wanneer verzet tegen een 100 g sferische vrije luchtstroom bij 75 mm stand-off (met behulp van de LS-DYNA 28 routine load_blast 4). De bouw van de frames werd uitgevoerd door een specialist concreet aannemer die verstrekt ter apparatuur en bekisting. De toegepast in de ontwerpfase factoren sterk afhangen van de aard van het testen en de vraag of verdere veiligheid factoren zullen door de constructeur worden toegepast. Een veiligheidsfactor van 10 werd gebruikt in de huidige werkzaamheden.

Indicaties van de gebruikte apparatuur hebben gekregen in de belangrijkste protocol secties waar nodig. Representatieve resultaten één proef met 17 HPbs in een 2D-array geconfigureerd zoals getoond in figuur 1B uitgevoerd verschaffen. In het huidige werk de staven gebruikt zijn 3,25 meter lang met een straal van 5 mm, met de spanningsmeter bevestigd 0,25 m van de geladen gezicht zoals getoond in figuur 3A. De afstand van de HPbs in het doel werd gekozen om 25 mm zoals getoond in figuur 1B.

De test uitgevoerd gebruik gemaakt van een 78 g PE4 3: 1 squat cilinder begraven bij 28 mm in verzadigde Leighton Buzzard zand 15. Het zand had een stortdichtheid van 1,99 mg / m 3 en vochtgehalte van 24,77%. De stand-off tussen het afgewerkte grondoppervlak en het doel plaat was 140 mm.

Zodra de test werd uitgevoerd aan de individuele druk-time geschiedenissen werden uitgevoerd door middel van een eenvoudige 5-punts voortschrijdend gemiddelde smoothing-algoritme aan een hoogfrequent geluid van de gegevens te verwijderen. Werd opgemerkt toen verzamelen van de gegevens die de staven mm in de 75 en 100 vergelijking 32 serie was niet correct opgenomen op de gegevens. Dit was waarschijnlijk te wijten aan de lijm van de spanningsmeter de-binding van de HPB geeft onjuiste metingen. Om dit te compenseren for wordt de data van de 75 en 100 mm vergelijking 30 staven werden gebruikt in plaats. De gegevens van elk van de 4 radiale arrays zijn uitgezet in figuur 6, met de centrale (0 mm) HPB waarbij alle percelen gemeenschappelijk. In de verzadigde bodem een ​​zeer duidelijke schok voorzijde wordt gezien, met de druk langzaam rottende met radiale afstand.

De opgenomen druk in de tijd waren vervolgens door de 2D-interpolatie routine, met de van belang zijnde zone wordt ingesteld als een vierkante mm 200 × 200 (-100 tot 100 mm). Deze zone is onderverdeeld in een 5 mm raster, wat fijn genoeg om de schok voor verspreiding over het doel plaat nauwkeurig vast te leggen werd geacht. Plots van de geïnterpoleerde druk die op de trefplaat op geselecteerde tijdstippen getoond in figuur 7. De ≈ 20 msec vertraagde komst van de schokgolf is de tijd die de schokgolf t dekkenhij afstand tussen de lading en de richtplaat. De asymmetrische aard van de in de geregistreerde data (figuur 6) loading duidelijk te zien in de en vergelijking 32 assen. Dit is vooral duidelijk bij vergelijking 34 msec.

figuur 6
Figuur 6. Opgenomen druk in de tijd voor een enkele test met een 2D HPB array. (A) vergelijking 29 (B) vergelijking 30 (C) vergelijking 37 (D) vergelijking 38 .Deze figuur toont de verwerkte trace voor elke bar locatie. De zwarte centrale bar trace is gemeenschappelijk voor alle percelen om de komst van de schok voorzijde aan te geven. De niet-continue karakter van de schokgolf is weer duidelijk zichtbaar als er weinig overlap tussen de piekspanning zone per bar. De lagere druk in de 25 mm vergelijking 38 bar heeft een interessant effect op de vorm van de schokgolf zoals uitgezet in figuur 7. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7. geïnterpoleerde drukverdeling percelen bepaalde tijden 16. De hoefijzervorm van de schokgolf te zien in de t = 0,22-0,23 plots. Dit wordt veroorzaakt door The daling in druk gezien in de 25 mm vergelijking 38 bar weergegeven in figuur 6. Met 0,3 seconden na detonatie de schok voorzijde is bijna symmetrisch langs alle assen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Gebruik van het protocol hierboven beschreven de auteurs hebben aangetoond dat het mogelijk is om zeer betrouwbare metingen van de sterk wisselende belasting krijgen van een explosieve lading, onder toepassing van een reeks Hopkinson drukstaven. Met de interpolatieroutine zet de discrete druk in de tijd kan worden omgezet in een continue schokgolf die direct bruikbaar als het laden functie in numerieke modellering of validatiegegevens voor de output van dergelijke modellen.

Bij het gebruik van begraven kosten de voor de voorbereiding van de bodem containers beschreven in protocol paragraaf 5 methodiek moet worden gecontroleerd om voldoende verdichting van energie te garanderen wordt verstrekt om het doel te bereiken dichtheid. Dichtheid als het doel niet wordt bereikt de hefhoogte te verlagen om de doeltreffendheid van de verdichting verhogen. Uit eerder onderzoek is gezien dat een uniforme grondsoorten zorgen voor meer herhaalbare testgegevens dan tests uitgevoerd met een goed gesorteerde bodems 15 15.

Voor alle testen met explosieven is aangetoond in eerdere studies 16,29,30 dat de locatie van de detonator in dicht bij veldproeven is kritisch voor het produceren herhaalbare testen die vrij van ruis zijn. In dit opzicht is de detonator altijd in de onderkant van de lading (het verst van de trefplaat), zodat alle fragmenten van het ontstekingsmechanisme samenstel niet toegestaan ​​voor de hoofdschokfront zal treffen de HPbs worden ingeschreven.

Hoewel elke poging is gedaan om het testen te waarborgen is zo robuust mogelijk maakt gegevensverlies optreden. Dit is meestal te wijten aan de rekstroken gedeeltelijk de-bonding van de HPbs die met name een probleem bij koud weer kan worden (de huidige apparatuur wordt opgesteld in een onverwarmde gebouw). Grote zorg moet worden genomen bij het opzetten van debreken draad aangezien deze niet alleen kan de opname van de detonatie tijd, maar ook het signaal dat de gegevensregistratie activeert. Een verlies van dit signaal of een fout in de setup kunt alle gegevens veroorzaken van een test om te worden verloren. Met betrekking tot databeheer, worden de gegevens van de proeven direct overgenomen uit de opname computer een USB-station zodat er geen gegevens verloren wanneer de test is afgerond.

In de huidige testen van de meetcellen bevestig de trefplaat de stijve reactieplaat en worden gebruikt om de totale impuls uitgeoefend op de richtplaat meten (als HPbs slechts een beperkt gebied bestrijken). Als kwantificering van uitsluitend de lokale belasting (en niet algemene gegevens) vereist is, wordt de trefplaat kan direct op de stijve reactie frame wordt geplaatst.

De druk HPB-tijdsverloop wordt alleen voor bekende punten op de trefplaat een interpolatieroutine nodig om de druk tijdsverloop voor elk punt op evalueren het doel plaat, en dus aan de totale geregistreerde impuls te berekenen.

Als slechts één radiale matrix is ​​gebruikt in het testen, interpolatie nog mogelijk door aan te nemen het punt HPB beladingen indicatie van de lading tot op elk polair rotatie bij dezelfde straal op de trefplaat. Time shifting moet ook interpoleren in de discontinue data (Figuur 4A).

Het belangrijkste voordeel van een 2D HPB array is de mogelijkheid om asymmetrie in de druk in de tijd vast te leggen. Dit vereist een complexere interpolatieroutine. In principe kan deze theorie worden toegepast op een aantal radiale arrays. In het huidige onderzoek werd dit beperkt tot vier arrays ( vergelijking 29 , vergelijking 37 , vergelijking 30 ,ftp_upload / 53.412 / 53412eq38.jpg "/>) van 0 tot 100 mm met de centrale HPB gemeenschappelijk is voor alle (Figuur 5A). In totaal 17 HPbs zijn gebruikt in elke test.

De interpolatieroutine in de hier gepresenteerde vorm neemt aan dat bij elke druk-tijdsverloop is een goed gedefinieerde druk piek die overeenkomt met de komst van de schokgolf. Men kan zien in figuur 6 dat alle bars is dit een goed aanname. In bepaalde testomstandigheden kunnen echter deze veronderstelling niet geldig te zijn en dus dacht moet worden gegeven over de beste manier om af te stemmen van de druk in de tijd mogelijk te maken voor de meest representatieve interpolatie van de druk.

Modificaties kunnen gemakkelijk worden gemaakt om te voorzien in verschillende geschaalde afstand (Z) in het huidige protocol door het bewegen van de lading verder van de trefplaat. Zorg echter moeten worden genomen indien de geschaalde afstand onder 0,15 is teruggebracht zodat de loading is niet schadelijk voor het gezicht van de HPbs. De vorm van explosieven en explosieve type kunnen ook worden gewijzigd, met het voorbehoud dat de initieel modelleren gedaan proefopzet gevalideerd moet worden gecontroleerd.

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 druk bars Kolský ontploffing in de buurt van het veld begraven kosten extreme belasting fysica
Blast Kwantificering Met behulp van 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