Blast Kvantifiering Använda 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

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.

Protocol

1. Styv Reaktion Frame 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) 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 endas…

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 betongb…

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…

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