Autore di quest'articolo

Hongbing Lu
Professore & Capo Dipartimento Associato per il Graduate Program (Corso di Laurea)
Louis A. Beecherl Jr. Chair
Dipartimento di Ingegneria Meccanica 
Università del Texas di Dallas

Il Cliente

Università del Texas di Dallas

Dipartimento di Ingegneria Meccanica

Problema:

Progetto sponsorizzato dallo Office of Naval Research per comprendere il comportamento della sabbia ed il suo assorbimento di energia per migliorare la progettazione delle armature dei soldati. 

 

Soluzione:

Gli ingegneri usano un sistema di acquisizione dati Genesis HighSpeed DAQ munito di sensore per rilevare i dati di emissione acustica da correlare con la deformazione dei granelli di sabbia ed il numero di granelli che si sono fratturati.

 

Vantaggi:

Queste informazioni aiutano gli ingegneri a progettare corazzature migliori per i veicoli militari.

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Il Registratore Dati Portatile Misura la Frattura dei Granelli di Sabbia dopo le Esplosioni

Le pallottole non possono penetrare i sacchetti di sabbia perciò, comprendere il comportamento dei materiali granulari quali la sabbia ed il loro assorbimento di energia durante un'esplosione, è fondamentale per la progettazione delle armature corporee dei soldati. A tal scopo, quale parte del progetto "Soil Blast Modeling and Simulations" (Modellazione e Simulazioni di Esplosioni al Suolo) sponsorizzato dallo Office of Naval Research’s Multidisciplinary University Research Initiative (MURI), il nostro laboratorio condusse centinaia di esperimenti utilizzando un registratore dati portatile per determinare il comportamento meccanico dei granelli di sabbia che scivolano l'uno sull'altro dopo le esplosioni.

Il modo più efficace per comprendere questo comportamento meccanico è lo studio delle emissioni acustiche (AE) della sabbia durante un'esplosione. Le AE hanno vita breve, alta frequenza ed onde elastiche generate dal rapido rilascio dell'energia immagazzinata. In questo caso, la sorgente della AE sono la frizione di scivolamento e rotolamento fra i granelli di sabbia. Le emissioni acustiche trasportano in tempo reale le informazioni concernenti la locazione, l'intensità ed i meccanismi di deformazione che si verificano nel materiale.

Le immagini soprastanti sono state acquisite con la fotocamera Cordin 550-62 sulla sabbia avente densità iniziale della massa di 1,58 g/cm3. La figura a sinistra mostra il provino di sabbia prima dell'impatto, quella a destra lo mostra durante l'impatto.
La figura soprastante mostra il segnale d'ingresso della barra incidente, il segnale di uscita della barra di trasmissione e la deformazione circonferenziale del cilindro di zaffiro.

Correlazione dei Picchi di AE con le Deformazioni dei Granelli di Sabbia

Nei nostri esperimenti abbiamo acquisito i dati di AE (Emissione Acustica) usando un registratore dati portatile Genesis HighSpeed della HBM, Inc. Questa società fornisce soluzioni per applicazioni di prova e misura quali i sensori, i trasduttori, gli estensimetri, gli amplificatori, i registratori dati ed i sistemi di acquisizione dati (DAQ), oltre al software per l'analisi della durevolezza strutturale. 

In primo luogo abbiamo versato la sabbia in un cilindro cavo e posizionato ai bordi del materiale un sensore di emissione acustica (dispositivi piezoelettrico che trasforma l'onda di pressione in un segnale elettrico). Il sensore di AE fu collegato ad un amplificatore di carica la cui tensione di uscita a sua volta collegata al Genesis. 

Per replicare le forze dell'esplosione usammo una barra cilindrica per applicare la compressione alla sabbia. La pressione applicata causa la deformazione dei granelli di sabbia fino all'effettiva frattura di alcuni granelli. Gli eventi di AE risultanti hanno dimensioni che vanno dai sub-micron ai mm e generavano segnali con frequenza nel campo da 10 kHz a parecchi MHz. 

Inoltre, per ottenere dati AE aggiuntivi, abbiamo compresso anche la parte esterna del cilindro ed usato un estensimetro collegato al registratore dati per misurare la deformazione laterale. Il collegamento dell'estensimetro al Genesis fu effettuato mediante un ponte di Wheatstone alimentato a 10 V=. Il segnale fu innalzato da un amplificatore di misura. La tensione proveniente dall'amplificatore fu ulteriormente convertita dal Genesis tramite un altro circuito. Perfino con la rapida cadenza di campionamento di 10 MS/s le letture del registratore dati erano accurate e ad alta risoluzione. Anche i condizionatori di segnale con amplificazione x10 integrati nel registratore hanno contribuito a garantire l'alta qualità dei dati.

Poi correlammo i picchi di AE nella frequenza mostrata dal Genesis con la deformazione dei granelli di sabbia ed il numero di granelli di sabbia che si erano fratturati. Si osservarono due comportamenti completamente differenti. I granelli di sabbia che scivolavano fra loro causavano un onda sonora a bassa frequenza e bassa ampiezza, mentre i granelli che si fratturavano causavano un onda sonora ad alta frequenza e alta ampiezza. 

Elaborazione dei Segnali

L'elaborazione dei segnali, quale il calcolo dell'energia della sorgente di emissione acustica, fornisce le informazioni concernenti i processi ed i meccanismi di deformazione. In questo caso, abbiamo scritto un codice speciale per catturare i dati, salvarli in un'unità USB e poi farli girare nel software matematico di un calcolatore per contare il numero di granelli che si sono fratturati. Questa informazione ci ha consentito di dedurre la magnitudo dell'esplosione. Fondamentalmente, i dati sulle frequenze dei segnali di AE ed il rateo di frattura delle particelle di sabbia ci dicono quale tipo di esplosione di sabbia si possa prevedere.

Diversamente da altri sistemi, il registratore dati Genesis HighSpeed possiede un  dispositivo elettronico integrato che non richiede l'impiego di un calcolatore separato. L'intero pacchetto pesa solo 25 libbre (12,34 kg) per cui si trasporta più facilmente da un luogo all'altro di altri registratori. Inoltre, sebbene lo strumento sia piccolo, esso dispone di fino a 96 ingressi completamente configurabili. Un'ampia interfaccia utente intuitiva rende facile la scelta del modo di registrazione desiderato — registrazione continua o spazzolata triggerata.

Il nostro team ha fornito ad altri gruppi di progettazione le informazioni raccolte dai nostri esperimenti. Il team ha poi utilizzato i dati per simulare le esplosioni su un calcolatore per meglio comprendere come l'onda dell'esplosione interagisca con la sabbia e di come si propaghi per colpire potenzialmente i soldati ed i loro veicoli. Le conclusioni delle informazioni elaborate dal registratore Genesis si sono dimostrate utili agli ingegneri progettisti per sviluppare armature corporee per il personale militare.

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