Explosion Quantification Utilisation des barres de pression Hopkinson
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
Champ proche mesure de la charge de l'explosion présente un problème à de nombreux types de capteurs, car ils doivent supporter des environnements très agressifs et être capable de mesurer des pressions allant jusqu'à plusieurs centaines de mégapascals. A cet égard, la simplicité de la barre de pression de Hopkinson a un avantage majeur en ce que tandis que l'extrémité de mesure de la barre Hopkinson peut supporter et être exposés à des conditions difficiles, la jauge de contrainte montée sur la barre peut être fixée à une certaine distance. Cela permet aux boîtiers de protection qui doivent être utilisés qui protègent la jauge de contrainte, mais ne pas interférer avec l'acquisition de la mesure. L'utilisation d'un réseau de barres de pression permet à la pression-temps historiques à certains points discrets à mesurer. Cet article décrit également la routine d'interpolation utilisée pour obtenir des histoires en temps de pression à des endroits un-instrumenté sur le plan de l'intérêt. Actuellement, la technique a été utilisée pour mesurer le chargement d'explosifs à l'air libre et enterré peu profondément dans divers sols.
Introduction
Caractériser la sortie de charges explosives a de nombreux avantages, à la fois militaire (défense contre enterré des engins explosifs improvisés dans les zones de conflit actuelles) et civile (conception de composants structurels). Ces derniers temps, ce sujet a reçu une attention considérable. Une grande partie des connaissances acquises a destiné à la quantification de la sortie de charges pour permettre la conception de structures de protection plus efficaces. Le principal problème ici est que si les mesures effectuées ne sont pas de la haute fidélité alors les mécanismes de transfert de charge dans ces événements explosifs restent floues. Cela conduit à des problèmes de validation des modèles numériques qui reposent sur ces mesures pour la validation.
Le terme de champ proche est utilisé pour décrire les explosions avec des distances mises à l' échelle, Z, inférieure à environ 1 m / kg 1/3, dans laquelle Z = R / W 1/3, R est la distance du centre de l'explosif et W est la charge exprimée en massecomme une masse équivalente de TNT. Dans ce régime, la charge est généralement caractérisée par une très forte magnitude, hautement spatiale et temporelle pour des charges non uniformes. instrumentation robuste est donc nécessaire de mesurer les pressions extrêmes associées à champ proche chargement. A des distances écaillé Z <0,4 m / kg 1/3, des mesures directes des paramètres de souffle sont soit inexistantes ou très peu 1 et les données prédictives semi-empiriques pour cette gamme est basée presque exclusivement sur des études paramétriques. Cela implique d' utiliser les prédictions semi-empiriques données par Kingery et Bulmash 2, qui est en dehors de la portée prévue de l'auteur. Alors que les outils basés sur ces prédictions 3,4 permettent d' excellentes estimations de premier ordre de chargement , ils ne saisissent pas entièrement la mécanique d'événements en champ proche, qui font l'objet de la recherche actuelle.
Champ proche des mesures de souffle ont récemment mis l'accent sur la quantification de la output de charges enterrées. Les méthodes utilisées varient d'évaluer la déformation provoquée à une cible structurelle 5-7 pour diriger la mesure de l' impulsion globale 8-13. Ces méthodes fournissent des informations précieuses pour la validation de la conception des systèmes de protection, mais ne sont pas en mesure d'enquêter pleinement les mécanismes de transfert de charge. Le test peut être effectué à deux échelles de laboratoire (1/10 à pleine échelle), ou à proximité de la pleine échelle (> 1/4), avec des raisons pragmatiques telles que le contrôle profondeur d'enfouissement ou d'assurer aucune forme inhérente du front de choc est générée par le utilisation de détonateurs plutôt que charges nues 14. Avec des charges enterrées les conditions du sol doivent être hautement contrôlé pour garantir la répétabilité des essais 15.
Indépendamment du si la charge est placée à l'air libre ou est enterré, la question la plus fondamentale dans la mesure de l'explosion qui en résulte est d'assurer la validité des mesures effectuées par le deplo d'instrumentationyed. Dans l'appareil d'essai conçu 16 une plaque cible «rigide» fixe est utilisé pour protéger les barres de pression Hopkinson 17 (HPBS) , tandis que dans le même temps veiller à ce que les extrémités des barres ne peuvent enregistrer que les pressions pleinement réfléchies. Les auteurs ont déjà montré que la mesure de la pression réfléchie par une cible rigide mesures «champ libre» 18-20 plus précis et reproductible de l' incident, ou. La géométrie de cette plaque est telle que tout allégement de la pression générée par la compensation ou l' écoulement autour du bord cible 21 serait négligeable. Ce nouvel appareil d'essai a été construit à l'échelle 1/4. A cette échelle, un contrôle serré sur les conditions d'inhumation et les explosifs peut être assurée, avec la taille de charge de la pleine échelle de 5 kg réduite afin de 78 g, à une profondeur de 25 mm d'enfouissement.
Protocol
Representative Results
Discussion
En utilisant le protocole décrit ci-dessus, les auteurs ont montré qu'il est possible d'obtenir des mesures de haute fidélité de la charge très variable d'une charge explosive, en utilisant un tableau de Hopkinson barres de pression. Utilisation de la routine d'interpolation décrit les discrètes histoires en temps de pression peuvent être transformé en un front de choc continue qui est utilisable directement comme la fonction de chargement dans la modélisation numérique ou comme données de va…
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).
