便携式数据记录仪测量爆炸后沙粒行为

子弹无法穿透沙包, 因此了解爆炸后粒状物体,如沙子的 能量吸收状态 对于士兵防弹衣设计是至关重要的。因此,作为"爆破模型和仿真" 项目的一部分,使用便携式数据记录仪测量爆炸后沙子的滑动行为。

要了解这种机械行为的最有效的方法是通过在一个爆炸事件研究 沙子的声发射 (AE) 。声发射是短暂,高频率的,短暂时间快速释放能量的弹性波。在这种情况下,和沙子之间的滑动摩擦是声发射的来源。声发射系统位置,强度和材料变形的实时信息。

上面是采用佳能 550-62 相机拍摄的1.58 g/cm3 密度的砂样。左边的是冲击前的状态,右边是冲击下的砂样。

声发射和沙粒变形和碎裂相关

上图显示的是:输入信号为事件,输出信号来自于传输杆和气缸应变

在我们的实验中,我们采用 HBM 的 Genesis HighSpeed 便携式数据记录仪 采集声发射。HBM 不仅提供测试和测量用传感器,应变片和数据采集系统,还包括用于结构疲劳分析的软件。

我们首先把沙粒放入中空圆筒,并放置一个声发射传感器(即转换的压力波转换成电信号的压电型设备)在材料的边缘。AE传感器被连接到电荷放大器,其输出电压被被馈送到 Genesis。

重复爆炸产生的力, 我们施加力到柱形杆推上,杆推再压向沙粒。施加的压力引起沙粒变形,直到沙粒破裂。声发射事件会使沙粒破裂到亚微米刀毫米级别,频率范围为 10 kHz 到数 MHz。

我们同时还向气缸外侧施加压力,以获得更多的声发射数据。通过连接应变片到 Genesis,进行采集放大。即使 快速采样高达 10 MS/s, 数据记录仪 依然可以以极高分辨率进行。

下一步, Genesis 记录到沙粒变形和碎裂的声发射频率。声频率有两种完全不同的类型,沙粒滑动产生低频波和低振幅。碎裂引起高频率高振幅的声波。

信号处理

信号处理,诸如计算声发射源的能量,变形的过程和机制等信息。在这种情况下,我们编写了特殊的代码来捕获数据,并保存数据到一个USB驱动器中,然后再用数学软件计算了断裂晶粒的数量。这些信息帮助我们推断爆炸的幅度。基本上,有关声发射信号的频率和沙粒碎裂发生率的数据告诉我们什么样的爆炸砂可以防止。

Genesis HighSpeed 数据记录仪,和其他系统不同的是,其内置了计算机,并且只有 25 磅,非常易于携带。尽管非常小,但是其提供高达 96 个可配置输入通道,一个大型的触摸屏用户界面非常直观,易于操作。并且其两种记录模式  — 连续记录和触发模式。

我们将信息提供给另外一个项目小组,他们采用这些数据在计算机上模拟爆炸过程,以更好地了解爆炸波与沙子是如何相互作用的,以及它们如何进一步传播给潜在的士兵和车辆。Genesis 处理的信息证明,这些信息对于开发防弹衣非常有用。

文章的作者

Hongbing Lu
教授兼副系主任
Louis A. Beecherl Jr. Chair
机械工程系
达拉斯 Texas 大学

客户

达拉斯 Texas 大学 

机械工程系

问题:

由海军研究办公室资助的一个项目想了解沙子在爆破的行为,以提高装甲或防弹衣的设计和性能。.

 

解决方案:

工程师采用配有声发射传感器的 Genesis HighSpeed 数据采集系统,采集沙粒的变形和沙粒的碎裂数相关的数据。

 

溢出:

此信息有助于工程师设计军事装甲和防弹衣。

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