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 Kvantifisering Bruke 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-feltet blast last måling presenterer et problem for mange sensortyper som de må tåle svært aggressive miljøer og være i stand til å måle trykk opp til mange hundre megapascal. I denne forbindelse enkelhet av Hopkinson trykk bar har en stor fordel i at mens målingen slutten av Hopkinson bar kan tåle og bli utsatt for tøffe forhold, strekklappen montert baren kan være festet et stykke unna. Dette gjør det mulig beskyttende mantler som skal benyttes som beskytter deformasjonsmåleren men forstyrrer ikke målingen anskaffelse. Bruken av en oppstilling av presstengene gjør at trykk-tidshistorier ved diskrete kjente punkter som skal måles. Denne artikkelen beskriver også interpole rutine brukes til å utlede trykk-time historier på un-instrumentert steder på flyet av interesse. For tiden teknikken er blitt brukt til å måle lasting av høy-eksplosiver i fri luft og begravet grunt i forskjellige jordsmonn.

Introduction

Karakteriserer produksjonen av sprengladninger har mange fordeler, både militære (forsvar mot begravet improviserte eksplosive innretninger i aktuelle konfliktsoner) og sivile (designe strukturelle komponenter). I nyere tid dette emnet har fått stor oppmerksomhet. Mye av kunnskapen samlet har rettet mot kvantifisering av produksjonen fra avgifter for å muliggjøre utforming av mer effektive beskyttelsesstrukturer. Hovedproblemet her er at hvis målingene er gjort ikke er av høy fidelity da mekanismene for lastoverføring i disse eksplosive hendelsene fortsatt uklare. Dette i sin tur fører til problemer som validerer numeriske modeller som er avhengige av disse målingene for validering.

Uttrykket nærfeltet blir brukt for å beskrive oppvirvling med skalerte avstander, Z, mindre enn ~ 1 m / kg 1/3, hvor Z = R / W 1/3, R er avstanden fra sentrum av sprengstoffet, og W er lade massen uttryktsom en ekvivalent masse av TNT. I dette regimet laste er vanligvis preget av ekstremt høy magnitude, svært romlig og tidsmessig ikke-uniforme laster. Robust instrumentering er derfor nødvendig for å måle de ekstreme presset forbundet med nær-feltet lasting. På skalert avstander Z <0,4 m / kg 1/3, direkte målinger av blåse parametrene er enten ikke-eksisterende eller svært få ett og semi-empiriske prediktive data for denne serien er basert nesten utelukkende på para studier. Dette innebærer å bruke semi-empiriske prediksjoner gitt av Kingery og Bulmash 2, som er utenfor forfatterens ment omfang. Mens verktøy basert på disse spådommer 3,4 tillate for gode førsteordens beregninger av laste de ikke fullt ut fange mekanikken i nær-felt hendelser, som er fokus for dagens forskning.

Nær-feltet blast målinger har i det siste fokusert på å kvantifisere OUTPutca fra begravet kostnader. De anvendte metoder varierer fra å vurdere deformasjon forårsaket en strukturell mål 5-7 til å lede globale impuls måling 8-13. Disse metodene gir verdifull informasjon for validering av beskyttende system design, men er ikke i stand til fullt ut å undersøke mekanikerne av belastningsoverføring. Testing kan gjøres på begge laboratorie skalaer (1/10 fullskala), eller i nærheten av fullskala (> 1/4), med pragmatiske grunner som kontrollerende overdekning eller sikre noen iboende form av sjokk fronten er generert av bruk av detonatorer i stedet for bare kostnader 14. Med begravet kostnader grunnforholdene må være svært kontrollert for å garantere repeterbarhet av test 15.

Uavhengig av hvorvidt ladningen anbringes i fri luft eller er begravet, den mest grunnleggende problem i å måle den resulterende eksplosjon er å sikre gyldigheten av målingene gjort av instrumenter deployed. I designet testapparatet 16 en fast "stiv" sikteplate brukes til å skjerme Hopkinson presstengene 17 (HPBs), mens på samme tid sikre at endene av stengene kan bare ta opp fullt ut er reflektert trykk. Forfatterne har tidligere vist at måling av reflektert press fra en rigid mål er mer nøyaktige og repeterbare enn hendelsen, eller "gratis-felt 'målinger 18-20. Geometrien til denne platen er slik at en hvilken som helst trykkavlastnings som genereres ved å fjerne eller vannstrømmen rundt målet kanten 21 vil være ubetydelig. Denne nye testapparat er konstruert på 1/4 skala. På denne skalaen stram kontroll over grav forhold og eksplosiver kan sikres, med fullskala kostnad størrelse på 5 kg skalert ned til 78 g, med en overdekning på 25 mm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Rigid Reaksjon Frame

  1. Bestemme skalert avstand ved hvilken testing vil finne sted ved bruk av ligning 1, hvor R er avstanden fra midten av sprengstoffet, og W er ladningen massen, uttrykt som en ekvivalent masse av TNT.
    Z = R / W 1/3 (1)
  2. Beregn omtrentlig maksimal impuls denne ordningen vil generere via numerisk modellering (se vedlegg A) eller spesifikke verktøy som ConWep tre.
    Merk: Bruken av ConWep 3 er kun gyldig for fri luft blast, hvis en estimering av presset som genereres fra nedgravde kostnader kreves det mer avansert numerisk modellering er påkrevd.
  3. Sjekk den estimerte lasting fra modellering vil ikke generere in-plane forskyvninger av mer enn 0,5 mm i sikteplate.
  4. Øke laste beregnet med en faktor på 10 for å ta hensyn til unøyaktigheter i modelleringen og for å legge til fleksibilitet for fremtidig tesTing.
  5. Designe en stiv ramme reaksjon for å være i stand til å motstå den maksimale laste beregnet 16. I en Engineering avdeling, utføre disse beregningene i huset; ellers søke tjenester av en Structural Engineer.
    1. Anskaffe stive reaksjons rammer, kontrakt en spesialist entreprenør til å dikte og installere rammene til design av bygningsingeniør.
  6. Anskaffe sikteplate, kontrakt en spesialist stål trykkeri.
    Legg merke til at platen må være montert på lastceller (hvis det brukes), og at hullene for HPBs (utformet i avsnitt 3) vil trenge å bli boret gjennom platen før montering.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk av testen rammen. (A) samlet ordning, (B) plan av sikteplate, (C) nærbilde av sikteplate. Than Hopkinson presstengene henger fra baren forsamlingen mottakeren slik at de sitter i flukt med ansiktet av skyteskiven. Dette gjør det fullt reflektert trykket som virker på skyteskiven for å bli registrert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. Legg Cell Design

  1. Anskaffe eller dikte veieceller (hvis det brukes). Disse kan enten være off-the-sokkel universal (kompresjon / strekk) strekkmåler canister modeller eller innebygd i huset ved hjelp av deler av tykk vegg mild stålrør sveiset til monteringsplater med strekklapper festet i en Wheatstone bro formasjon som vist i figur 2.
  2. Dersom veieceller har blitt fabrikkert i huset, kan du sende dem til en ekstern entreprenør for kalibrering.

Figur 2
Figur 2. Skisse av in-house fabrikkert veieceller. (A) Side høyde, (B) end høyde. Den mørke grå sylinder er en tykk vegg stålrør som stammer under belastning. Denne belastningen er tatt opp med et enkelt strekklapp som ingen rotasjon oppleves under lasting. Fra kalibrering av lastcellen belastningen kan relateres tilbake til stress brukes. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3. Hopkinson Pressure Bar Design

  1. Bestem varigheten av innspillingen, ligning 9 , Som kreves for å fange opp hele lasting fra eksplosjonen. Minimum varighet kreves er den tiden det tar i numerisk modell (1.2) for press for å gå tilbake til null, etter den første trykk pigg. Her bruker 1,2 msek.
  2. Decide på materialet av valget for HPBs. Dette påvirker elastiske bølgehastighet, ligning 10 , I baren, som er gitt ved ligning 11 hvor ligning 12 er Youngs modul og ligning 13 er tettheten. For å måle et høyt trykk støt stive materialer som stål; hvor som om en svakere støt er forventet, bruke mindre stive materialer, slik som en magnesiumlegering eller nylon.
  3. Velge posisjonen på HPB at deformasjonsmåleren vil bli plassert, å være så nær som mulig til den lastede flate av den HPB for å minimere spredning. I dagens oppsett tykkelsen av skyteskiven og manøvrerbarhet som kreves for å passe til stolpene på plass betydde at målerne kan bare monteres 250 mm fra det belastede ansiktet.
  4. Beregn HPB lengden nødvendig hjelp ligning 14 , hvor ligning 15 er avstanden fra den lastede flate av HPB til strekkmåleren og ligning 16 (3,25 m).
  5. Bestem nødvendig HPB radius for å ha tilstrekkelig båndbredde til å fange hendelsen ved hjelp av: ligning 17 kHz, hvor ligning 18 er den HPB radius i mm 22,23 (5 mm).
  6. Bestemme den romlige oppløsningen som kreves for å fange opp trykkfordeling over platen. Dette er vanligvis så nær som mulig og samtidig opprettholde den strukturelle integriteten til skyteskiven. I dagens arbeid, bruker 25 mm.
  7. Bor hull i sikteplate til å montere HPBs (dette kan være en del av fabrikasjon prosessen). Et tett passform er nødvendig withoUT HPBs å være i kontakt med platen. Her bruker 0,5 mm toleranse med 17 hull som bores i en kryssform (figur 1b).
  8. Anskaffe HPBs (17), og pass på å ha de distale ender gjengede å tillate suspensjon i baren forsamlingen mottaker (figur 3A).

4. Forsøksoppsett og Data Acquisition

Bemerk: Med reaksjons rammen, målplate, lastceller og HPBs utformet og fabrikkert, kan sammenstillingen begynne som vist i figur 1, og er utformet i protokoll avsnitt 1.

  1. Fest halvledere strekklapper til HPBs (Figur 3B) og veieceller ved hjelp cyanoacrylate, er forsiktig med å sikre kontinuitet i jorden gjennom all kabling. Et eksempel på Wheatstone-bro som brukes for HPBs er vist i figur 3C.
    1. Bekreft alle jordkablene er festet for å sikre kontinuitet i jorden. Vel jordet testapparat vil forbedresignalkvalitet spesielt.
  2. Sikre ledninger er tilstrekkelig lang til å sørge for at oscilloskopet kan plasseres i en eksplosjon fritt område (skjermet kabling skal brukes som har tilstrekkelig signal båndbredde).
  3. Monter sikteplate til den stive reaksjon ramme, ved hjelp av valgfrie veieceller hvis det finnes (figur 1C).
  4. Hang HBPs fra baren montering mottakeren, passerer lastet enden gjennom riktig hull i sikteplate. Henge HPBs fritt fra en mutter skrudd på den gjengede ytre ende av HPB.
  5. Sørg barer er vertikale med vater (justere mottakeren tilsvarende).
  6. Sjekk ansiktene til HPBs er nivå med målet plate, justere mutteren tilsvarende.
  7. Still trim på den variable motstand i kondisjoneringskretsen (figur 3C) for å holde spenningen innenfor grensene av oscilloskop under testing. Gjør dette gjennom prøving og feiling tar sikte på å sette ut av balanse for hver kanalsom sett på det digitale displayet på forsterkeren boksene til null.
  8. Koble det forsterkede utgangsmåleren til et passende digitalt oscilloskop. Konfigurere til å ha en samplingsfrekvens (1,56 MHz), opptakstid (28,7 msek) med en pre-trigger varighet på 3,3 msek.
    1. Sett opptaks å utløse når spenningen i pausen ledningen kanal (som selv er koblet inn i oscilloskop) overstiger en "ut-vinduet". Vanlig spenning for hver måler tilkoblet (22 totalt, 17 HPBs, 4 veieceller og pause wire) og tid.

Figur 3
Figur 3 (A) Diagram av en HPB montert inn i måleplaten, (B) snitt gjennom HPB ved manometeret er plassert, (C) eksempel Wheatstone-bro krets. To strekkmålere blir brukt i Wheatstone-bro, slik at og bøyning av Hopkinson-stang er cancelled ut. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

5. Eksplosiv forberedelse

  1. Bestem på sprengladningen masse og stand-off å bli brukt i testene (100 g PE4 ved 75 mm).
  2. Avgjør om kostnadene er å bli detonert i fri luft eller i et annet medium (jord, vann osv). For fri luft tester en sfærisk kostnad formen er vanligvis brukt mens med nedgravde kostnader standarden er en 3: 1 knebøy sylinder 24,25.
  3. For fri luft tester:
    1. Heng opp ladning under skyteskiven i riktig stand-off (75 mm). Oppnå dette med en tynn tømmer strimler eller ved å plassere kostnaden på et ark av polyeten.
    2. Plasser ladningen koaksialt med målingen matrisen for å sikre at gyldige avlesninger.
    3. For fri luft tester bruker en elektrisk detonator, med detonatoren blir plassert halvveis inntillegget fra basen. Gjør dette i siste øyeblikk før avfyring, og når området er allerede gjort trygt.
  4. For begravet tester:
    1. Dikte en egnet beholder for mediet. For jord, bruker dagens testing 1/4 skala beholdere 23.
    2. Bestemme på jordtype som skal benyttes, og de ​​geotekniske forhold: fuktighetsinnhold og tørr tetthet av jord, se ref 15 for mer informasjon..
    3. Bestem på overdekning til bruk i testing. Dette er vanligvis 100 mm i en fullskala test, som dagens tester er gjort på ¼ skala betyr dette en 25 mm overdekning.
    4. Bland jorden grundig med en passende størrelse konstruksjon mikser for å oppnå målet fuktighetsinnhold. For sanden blande tid som kreves er 10 min.
      1. Kontroller fuktighetsinnholdet i blandingen ved å fjerne en liten mengde, og veie det å beregne den totale masse, ligning 19 . Tørkeden fjernede jord og re-veie for å beregne massen av vann, ligning 20 . Geotekniske fuktighetsinnhold er spesifisert i form av gravimetrisk vanninnhold, ligning 21 .
      2. Hvis fuktighetsinnholdet er innenfor toleranse fortsette, ellers blande jord. En toleranse på ± 0,05 til 0,1% er blitt oppnådd i den aktuelle jobb.
    5. Veie den tomme beholderen jord og beregne volumet for å muliggjøre beregning av jord tetthet når full (trinn 5.4.7).
    6. Kompakt jord i lag, tynn nok til å garantere målet tetthet, slik at massen til jord kommer inn i beholderen, er kjent. For Leighton Buzzard Sand 15 dette gjøres i to lag.
    7. Når beholderen er full, kontrollerer at tettheten av jordsmonnet i er i toleranse (± 0,2%). Målet tørrtetthet i alle tester med Leighton Buzzard Sand var 1,6Mg / m 3. Beregn tørr tetthet, ved hjelp ligning 22 , Hvor ρ d er tørrtettheten, M er den totale masse av jord tilføres beholderen, V er volumet av jord beholderen og w er fuktighetsinnholdet.
    8. Grave et lite hull ≈50 mm slik at avgiften skal plasseres med toppen overflaten på riktig overdekning (25 mm).
    9. Plasser en ikke-elektrisk detonator inn i bunnen av ladningen, og grave ut en passende kanal til den side av beholderen for å sikre at den øvre overflaten av beholderen er uavbrutt når jordsmonnet er skiftet ut.
    10. Plasser kostnad og detonatoren til de utgravde hullet, sjekke overdekning er riktig. Tilbake fylle hullet med det utgravde materiale.

6. Firing sekvens

Merk: det er en liten mengde av overlapping med protokollen punkt 5 på grunn av nature av testing. Skytingen sekvensen bør ta sikte på å minimere risiko og bør kun utføres av trenet personale.

  1. For fri luft tester:
    1. Ordne kostnad støtte under skyteskiven i riktig stand-off (75 mm).
    2. Lukk rekkevidde. Distribuer vaktposter for å sikre serien er klart under avfyring.
    3. Plasser kostnad på støtte koaksial til instrumentering. Fest pause ledningen til detonatoren, og plasser detonatoren i tiltalen.
  2. For begravet tester:
    1. Plasser jord container slik at ladningen er plassert koaksial til HPB array.
    2. Lukk rekkevidde. Distribuer vaktposter for å sikre serien er klart under avfyring.
    3. Koble pause wire, slik at den er pakket rundt periferien av omkostninger (dette gir en mer repeterbare tid av detonasjon i nedgravde kostnader).
  3. Flytt til standplass og bekreft instrumentering er i gang.
  4. Levere strøm til pause wire. Sjekk med vaktposterdet er trygt å fortsette med skyting.
  5. Initiere eksplosiver. Gjør testen området trygt.
  6. Last ned og sikkerhetskopiere data.
  7. Re-åpen test rekkevidde.

7. Numerisk interpolering for en 1D HPB matrise

  1. Importer data fra rådatafiler til Matlab.
  2. Tids forskyve alle data i radial retning, slik at topptrykket for hver søyle ankommer samtidig som spisstrykket av det sentrale tverr ved å bruke ligning 2 (figur 4B).
    ligning 23 (2)
  3. Interpolere trykket ved en hvilken som helst radial avstand fra figur 4B.
  4. Plott ankomsttider ( ligning 24 ) Som brukes til å justere peak trykk og passe en kubisk ligning gjennom dataene (Figur 4C).
  5. Time-shift de interpolerte data til å passe de ankomsttider, slekterting en kontinuerlig sjokk foran (figur 4D).
  6. Gjenta for hver enkelt sett av testdata.

Figur 4
Figur 4. interpolasjon sekvens for 1D HPB array. (A) Originaldata, (B) tidsforskjøvet data, (C) sjokkere foran ankomsttider, og (D) endelig interpolert trykktidsdata 16. Den diskrete natur press tids historier kan tydelig sees i (A) med at det er ingen kontinuitet mellom de travleste presset på hver av de fem måle steder. Når justert ved topptrykk som i (b) interpolering av trykk ved en hvilken som helst radial avstand (forutsatt at den samme ankomsttid) er mulig. Ved å lagre time shift nødvendig å justere topp presset ankomsttid av sjokk foran kan beregnes som shegne i (C). Dette gjør da ankomsttid og press tid historie skal beregnes for alle radielle avstanden være interpolering av press fra (B) og tid fra (C) som gir den endelige interpolert trykket som sett i (D). Klikk her for å se et større versjon av denne figuren.

8. Numerisk interpolering for en 2D HPB matrise

Merk: Koden brukes til å kjøre interpole i Matlab er gitt sammen med et eksempel resultater fil som vil bli nevnt i denne paragraf.

  1. Importer data fra rådatafiler til Matlab. For eksempel testdata, dobbeltklikk på test_data.mat filen, og klikk deretter "Fullfør" i veiviseren for import.
  2. Åpne interpolation2d.m Matlab skript.
  3. Definer en vanlig rutenett over hvilken interpolasjonen vildrives ved å endre mesh. Sikre dette er samme oppløsning som maskene i eventuelle fremtidige numerisk modellering 26,27. Dette er satt i '% mesh opplysninger på koden.
  4. Kjør interpolation2d.m Matlab skript. Legg merke til følgende trinnene er implementert i koden og er listet her for klarhet.
    1. Time-shift alle HPB trykk spor etter ligning 24 (Ligning 2). Opprinnelige dataene er vist for ligning 25 mm i figur 5B, med det samme datatidsforskjøvet i figur 5C.
      Merk: time shift er nødvendig for å tillate at interpolering rutine for å kunne lokalisere sjokk foran til enhver tid. Dette innebærer i hovedsak å samkjøre data for hver radial matrise slik at alle de maksimale trykk justere.
    2. Beregn radius, ligning 26 Og ang le, ligning 27 for et gitt punkt av interesse på risten, som vist i figur 5A.
    3. Påfør 1D interpolering til de to HPB arrays nærmest severdig for gjeldende radius ligning 26 (til ligning 28 interpolasjonen ville bruke ligning 29 og ligning 30 arrays).
    4. Interpolere lineært mellom de 2 presset basert på ligning 31 (Igjen for en ligning 28 vekt ville være 50% av ligning 29 og 50% av 12eq30.jpg "/> rekke beregnet press).
    5. Beregne den øyeblikkelige belastning ved å multiplisere den interpolert trykk av gitteravstanden (område) for å gi lasten.
    6. Multiplisere belastningen av tiden trinn av prøvetaking for å oppnå den momentane impuls.
    7. Gjenta for alle steder og tider (summere momentant impulsen til å gi den totale impuls).
    8. Time-shift trykket tid historie for hver plassering basert på kubikk interpolering av sjokk ankomsttid (figur 5D).

Figur 5
Figur 5. interpolasjon sekvens for 2D HPB array. (A) Registrer konvensjoner som brukes, (B) opprinnelige data ligning 35 mm, (C) tidsforskjøvet data412 / 53412eq36.jpg "/> mm, og (d) ankomsttider for hver radial retning 16. For en 2D rekke barer trykket tid historie på noe punkt er avhengig av både radial avstand og hvilken kvadrant severdigheten ligger . Hvis eksplosjonen var helt symmetrisk deretter presset i (B) vil danne vertikale linjer som vist i (C). i (B) kan det ses at støtfronten er nådd 50 mm plassering på ligning 30 aksen først.
Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Et effektivt stiv ramme reaksjon må gis. I dagens teste en total meddelt impuls av flere hundre Newton sekunder må være imot med minimal nedbøyning. En illustrasjon av den stive ramme reaksjonen anvendes er gitt i figur 1. I hver ramme en 50 mm stål "akseptor" platen er støpt inn i bunnen av tverrbjelker. Mens det ikke er uttrykkelig nødvendig, gir mulighet for enkel fiksering av veieceller / måleplate og gir ekstra beskyttelse til den flate av betongbjelken. Den nærmeste skalert avstand for tiden gjennomført har vært 0,15 m / kg 1/3.

Den aktuelle ramme er blitt testet opp til 500 Ns, og har 500 mm firkantede søyler med et 750 mm dyp, 500 mm bred bjelke som strekker seg over søylene som vist i vist i figur 1A. Den kritiske element i design er målet plate som er 100 mm tykke milde steel, dette ble anslått til å deformere 0,3 mm når motstå en 100 g kuleformet fri luft vindkast på 75 mm stand-off (med LS-DYNA 28 rutine load_blast 4). Byggingen av rammene ble utført av en spesialist konkret entreprenør som ga stedet utstyr og forskaling. Faktorene som benyttes i prosjekteringsstadiet meget avhenge av naturen av testingen og hvorvidt ytterligere sikkerhetsfaktorer vil bli anvendt ved struktur ingeniør. En sikkerhetsfaktor på 10 ble anvendt i den aktuelle jobb.

Indikasjoner på utstyret som brukes er gitt i de viktigste protokoll seksjoner der det er hensiktsmessig. For å gi representative resultater en enkelt test med 17 HPBs konfigurert i et 2D-matrise som vist i figur 1B ble utført. I dagens arbeid stolpene benyttes er 3,25 m lang med en radius på 5 mm, med strekklappen er festet 0,25 m fra den belastede ansikt, som vist i figur 3A. Avstanden mellom HPBs i målet ble valgt til å være 25 mm som vist i figur 1B.

Testen gjennomføres brukt en 78 g PE4 3: 1 knebøy sylinder begravet på 28 mm i mettet Leighton Buzzard sand 15. Sanden hadde en romvekt på 1,99 Mg / m3 og et fuktighetsinnhold på 24,77%. Den stand-off mellom den ferdige jordoverflaten og skyteskiven var 140 mm.

Når testen var gjennomført de enkelte trykk-tidshistorier ble kjørt gjennom et enkelt punkt 5 glidende gjennomsnitt glattealgoritme for å fjerne eventuell høyfrekvent støy fra dataene. Det ble bemerket når sortere data som de 75 og 100 mm barer i ligning 32 utvalg hadde ikke spilt inn dataene riktig. Dette var sannsynligvis på grunn av limet av strekklappen de-binding fra HPB gi falske avlesninger. For å kompensere for dette dataene fra de 75 og 100 mm ligning 30 Platene ble brukt i stedet. Dataene fra hver av de 4 radiale arrays er plottet i figur 6, med den sentrale (0 mm) HPB er felles for alle plott. I mettet jord en veldig klar sjokk foran er sett, med trykk råtnende sakte med radial avstand.

De registrerte trykk-tidshistorier ble deretter kjørt gjennom 2D interpole rutine, med sonen av interesse blir satt som en firkantet mm 200 x 200 (-100 til 100 mm). Denne sone ble oppdelt i en 5 mm gitter, noe som ble ansett fint nok til å fange opp støt fremre forplantning over skyteskiven nøyaktig. Plott av den interpolerte trykk som virker på skyteskiven ved valgte tider er vist i figur 7. Den ≈ 20 ms forsinkelse på ankomsten av den fremre støt er den tid det tar for sjokkbølgen å dekke than avstand mellom kostnad og skyteskiven. Den asymmetriske naturen til lasting er vist på de registrerte data (figur 6) kan sees tydelig i og ligning 32 akser. Dette er spesielt tydelig på ligning 34 msek.

Figur 6
Figur 6. Innspilt press-time historier for en enkelt test med en 2D HPB utvalg. (A) ligning 29 (B) ligning 30 (C) ligning 37 (D) ligning 38 .Denne figuren viser behandlet spor for hver bar plassering. Den svarte sentral bar spor er felles for alle plott for å indikere ankomsten av den fremre sjokk. Den ikke-kontinuerlige natur av sjokkfronten er igjen klart synlig som det er liten overlapping mellom toppspenningsfeltet for hver stolpe. Jo lavere trykket i de 25 mm ligning 38 Baren har en interessant effekt på formen på sjokk foran som plottet i Figur 7. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Interpolert trykkfordeling tomter på bestemte tidspunkter 16. Den hesteskoform av sjokk foran kan sees i t = 0.22-0.23 plott. Dette er forårsaket av the dip i trykket sett i de 25 mm ligning 38 bar vist i figur 6. Ved 0,3 sek etter detonasjonen sjokket fronten er nesten symmetrisk langs alle akser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved anvendelse av protokollen beskrevet ovenfor forfatterne har vist at det er mulig å få fidelity målinger av svært varierende lasting høy fra en eksplosiv ladning, ved bruk av en oppstilling av Hopkinson presstengene. Bruk av interpolering rutine skissert diskrete press-time historier kan bli forvandlet til en kontinuerlig sjokk foran som er brukbare direkte som lasting funksjon i numerisk modellering eller som valideringsdata for produksjon av slike modeller.

Når du bruker begravet kostnader metodene som er brukt for å forberede jord beholdere som er skissert i protokoll § 5 skal kontrolleres for å sikre tilstrekkelig komprimering energi er gitt for å nå målet tetthet. Dersom målet tettheten ikke er nådd, da løftehøyden må reduseres for å øke effektiviteten av komprimeringen. Fra tidligere forskning har det vist seg at ensartede jordtyper gi mer repeterbare testdata enn tester utført med godt gradert jord 15 15.

For alle tester med eksplosive ladninger har det vært vist i tidligere studier 16,29,30 at plasseringen av detonatoren i nær-felttester er kritisk for å produsere repeterbare tester som er fri fra signalstøy. I dette henseende detonatoren bør alltid være plassert i bunnen av ladningen (lengst fra skyteskiven), slik at eventuelle fragmenter fra den detonerende sammenstillingen ikke skal støte de HPBs i forkant av hoved sjokk foran.

Mens blir alle forsøk på å sikre at testingen er så robust som mulig, tap av data fremdeles forekommer. Dette er vanligvis på grunn av strekklappene delvis de-binding fra HPBs som kan være et særlig problem i kaldt vær (gjeldende apparatet er satt opp i et uoppvarmet bygning). Stor forsiktighet må også tas når du setter oppbryte ledningen da dette ikke bare gjør at innspillingen av detonasjon tid, men gir også signal som utløser data innspillingen. Et tap av dette signalet eller feil i oppsettet kan føre til at alle data fra en test for å være tapt. I forhold til data management, er data fra testene umiddelbart dupliseres fra innspillingen datamaskinen til en USB-stasjon for å sikre at ingen data går tapt når testen er fullført.

I dagens testing av lastcellene feste skyteskiven til den stive reaksjonsplaten og blir brukt til å måle den totale impuls overføres til måleplaten (som HPBs bare dekker et begrenset område). Ved kvantifisering av bare den lokaliserte lasting (og ikke globale data) er nødvendig da skyteskiven kan monteres direkte på den stive ramme reaksjonen.

Med HPB trykk-tidshistorier som bare gjelder for kjente punkter på skyteskiven en interpoleringsrutine er nødvendig for å evaluere trykktidshistorien for hvilket som helst punkt på skyteskiven, og følgelig for å beregne den totale impuls registreres.

Hvis bare en enkelt radial matrise er blitt benyttet i testingen, er interpolasjonen fremdeles mulig ved å forutsette at punkt HPB belastninger å være en indikasjon på laste til enhver polar rotasjon på den samme radius på skyteskiven. Tid forskyvning er også nødvendig for å interpolere tvers av diskontinuerlige data (figur 4A).

Den største fordelen med å bruke et 2D HPB matrise er evnen til å fange asymmetri i trykk-time historier. Dette krever en mer komplisert interpolasjon rutine. I prinsippet denne teori kan anvendes på et vilkårlig antall radielle matriser. I den nåværende forskning har dette vært begrenset til fire matriser ( ligning 29 , ligning 37 , ligning 30 ,ftp_upload / 53412 / 53412eq38.jpg "/>) fra 0 til 100 mm med den sentrale HPB er felles for alle (figur 5A). Totalt 17 HPBs har vært brukt i hver test.

Interpole rutine i form presentert her forutsetter at for hver trykk-tidshistorie det er en enkelt veldefinert trykk pigg som tilsvarer ankomsten av den fremre sjokk. Det kan sees i figur 6 at for alle stolper dette er en god antagelse. I visse testforhold, men denne antakelsen kan ikke være gyldig og så tenkte bør gis om hvordan best å justere trykktidshistorier for å tillate den mest representative interpole press.

Endringer kan lett gjøres for å tilfredsstille ulike skalert avstander (Z) i den aktuelle protokollen ved å flytte ladning lenger bort fra målet plate. Omsorg imidlertid må tas hvis skalert avstand bringes ned under 0,15 for å sikre at loading vil ikke skade ansiktet av HPBs. Formen av sprengstoff og spreng type kan også endres, med det forbeholdet at den første modellerings gjort for å validere den eksperimentell design må bli kontrollert.

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 trykk barer Kolský blast nær feltet begravet kostnader ekstrem belastning fysikk
Blast Kvantifisering Bruke 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