Tragbarer Datenrekorder misst Bruchverhalten von Sandkörnern nach Explosionen

Geschosse können Sandsäcke nicht durchdringen. Daher ist das Verständnis des Verhaltens von körnigem Material, wie z.B. Sand und dessen Energieaufnahme bei einer Explosion von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Schutzwesten für Soldaten.

Im Rahmen des Projekts “Soil Blast Modeling and Simulations” (Modellierung und Simulation von Explosionen im Erdreich), gefördert durch die multidisziplinäre Forschungsinitiative (Multidisciplinary University Research Initiative - MURI) des Büros für Marineforschung (Office of Naval Research), führte unser Labor Hunderte von Versuchen mit einem tragbaren Datenrekorder durch, um das mechanische Verhalten von Sandkörnern und wie sie sich nach Explosionen gegeneinander bewegen zu erforschen.

Die Untersuchung der Schallemissionen von Sand während einer Explosion ist die wirkungsvollste Methode, um dieses mechanische Verhalten zu verstehen. Schallemissionen sind durch die schnelle Freisetzung gespeicherter Energie ausgelöste kurzzeitige, hochfrequente elastische Wellen. In diesem Fall sind Gleitreibung und Rollbewegungen zwischen den Sandkörnern die Quelle der Schallemissionen. Schallemissionen liefern Echtzeitinformationen über in einem Material auftretende Lageänderungen, deren Intensität und Verformungsmechanismen.

Die Bilder oben zeigen den Sand mit einer ursprünglichen Massendichte von 1,58 g/cm3, aufgenommen mit einer Cordin 550-62-Kamera. Das linke Bild zeigt die Sandprobe vor dem Aufprall, das rechte Bild bei erfolgtem Aufprall..

Frequenzspitzen der Schallemissionen im Vergleich mit der Zahl verformter Sandkörner

The figure above shows the input signal from the incident bar, the output signal from transmission bar and the circumferential strain on the sapphire tube.

In unseren Versuchen erfassten wir die Schallemissionsdaten mit einem tragbaren Datenrekorder der Serie Genesis HighSpeed von HBM.

Zuerst füllten wir einen Hohlzylinder mit Sand und platzierten einen Sensor für Schallemissionen (ein auf dem piezoelektrischen Prinzip basierendes Gerät, das die Druckwelle in ein elektrisches Signal umwandelt) am Rand des Materials. Der Sensor für Schallemissionen wurde an einen Ladungsverstärker angeschlossen, mit dessen Ausgangssignal das Genesis-Gerät gespeist wurde. Mit einem zylindrischen Stab übten wir Druck auf den Sand aus, um Explosionskräfte nachzubilden.

Durch den aufgebrachten Druck verformten sich die Körner, bis manche tatsächlich brachen. Die resultierenden Schallemissionsereignisse bewegten sich im Bereich von einigen Sub-Mikrometern bis Millimetern und generierten Signale mit Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis einigen MHz.

Zusätzlich verdichteten wir die Außenseite des Zylinders und setzten einen an den Datenrekorder angeschlossenen Dehnungsmessstreifen ein, um durch Messung seitlicher Verformungen weitere Schallemissionsdaten zu erhalten.

Über eine mit 10 Volt Gleichspannung gespeiste Wheatstone Brücke schlossen wir den Dehnungsmessstreifen an das Genesis-Gerät an. Ein Signalverstärker verstärkte das Signal. Mit dem Genesis wurde über einen anderen Stromkreis die Spannung des Signalverstärkers gewandelt. Selbst mit einer schnellen Datenerfassungsrate von 10 MS/s waren die Werte am Datenrekorder genau und mit hoher Auflösung abzulesen.

Auch die im Rekorder eingebauten 10fach Verstärker/Wandler-Signalwandler trugen dazu bei, hohe Qualität zu gewährleisten.

Als nächstes setzten wir die am Genesis angezeigten Frequenzspitzen der Schallemissionen mit der Verformung von Sandkörnern und der Anzahl zerbrochener Sandkörner in Beziehung. Es stellte sich heraus, dass die Ereignisse zwei völlig verschiedene Handschriften aufwiesen. Sich gegeneinander bewegende Sandkörner verursachten eine Welle mit niedriger Frequenz und Amplitude der Schallschwingung, während das Brechen von Körnern eine hochfrequente Welle und eine Schallschwingung mit großer Amplitude auslöste.

Signalverarbeitung

Die Signalverarbeitung, wie z.B. das Berechnen der Energie der Schallemissionsquelle, lieferte Informationen über die Verformungsprozesse und -mechanismen. In diesem Fall schrieben wir einen speziellen Code für die Datenerfassung, speicherten die Daten auf einem USB-Speicherstick und ließen sie dann auf einem PC mit mathematischer Software laufen, um die Anzahl zerbrochener Sandkörner zu zählen.

Auf Basis dieser Informationen konnten wir auf die Größenordnung der Explosion schließen. Im Prinzip konnten wir anhand der Daten über die Signalfrequenzen der Schallemissionen und Anteile gebrochener Sandkörner Aussagen darüber machen, welche Arten von Explosionen Sand abwenden kann.

Im Gegensatz zu anderen Systemen ist der Datenrekorder Genesis HighSpeed ein integriertes elektronisches Gerät, das ohne den Einsatz eines weiteren PCs auskommt. Das gesamte System wiegt nur etwas mehr als 11 kg, wodurch es leichter von Einsatzort zu Einsatzort zu tragen ist als andere Datenrekorder. Und obwohl das Gerät klein ist, bietet es bis zu 96 frei konfigurierbare Eingangskanäle. Dank einer großen, leicht lesbaren und intuitiven Benutzeroberfläche ist das Auswählen der gewünschten Betriebsart für die Datenaufzeichnung einfach - kontinuierlich oder transient.

Unser Team stellte die in den Versuchen gesammelten Informationen einem anderen Projektteam zur Verfügung. Auf einem PC simulierte das Team dann mit den Daten Explosionen, um besser zu verstehen, wie Explosionswellen auf Sand wirken und sich weiter ausbreiten, um eventuell Soldaten und ihre Fahrzeuge zu treffen.

Fazit: Die verarbeiteten Informationen des Genesis erweisen sich als hilfreich für die Entwicklung von Schutzwesten für militärisches Personal.

Autor dieses Beitrags

Hongbing Lu
Professor & Associate Department Head for Graduate Program
Louis A. Beecherl Jr. Chair
Department of Mechanical Engineering
The University of Texas at Dallas

Der Kunde

University of Texas in Dallas

Department of Mechanical Engineering

Problem:

In diesem Projekt sollte das Verhalten von Sand und seiner Energieabsorption während einer Explosion besser untersucht werden, um so das Design von Schutzausrüstungen zu verbessern.

 

Lösung:

Die Ingenieure verwendeten ein Genesis HighSpeed-Messdatenerfassungssystem, ausgestattet mit einem akustischen Sensor. Die so gewonnenen Daten wurden dann mit der Verformung von Sandkörnern und der Zahl der zerstörten Sandkörner in Beziehung gesetzt.

 

Vorteil:

Die gewonnenen Daten helfen Ingenieure, bessere Schutzausrüstungen für militärische Fahrzeuge zu entwickeln.

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