Tilastollisten menetelmien vertailu energeettisten materiaalien isku- ja hankausherkkyyden määrityksessä
Ahponen, Jenni (2022)
2022
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-10-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202209297350
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202209297350
Tiivistelmä
Energeettisten materiaalien ominaisuuksia voidaan tutkia herkkyystestausten avulla, joilla saadaan tietoa aineiden syttymistodennäköisyydestä. Herkkyystestauksilla tutkitaan esimerkiksi isku- ja hankausherkkyyttä, joiden suorittamiseen on erilaisia laitteita sekä menetelmiä. Tässä työssä modernimpien tilastollisten menetelmien Three-Phase Optimal Design (3POD) ja Neyer D-Optimal toimivuutta verrattiin herkkyystestauksissa yleisimmin käytettyyn Bruceton Up-and-Down menetelmään. Bruceton- ja Neyer-menetelmät ovat NATO-standardoituja, mutta 3POD ei ole. Bruceton-menetelmällä saadaan luotettavasti selville ainoastaan 50 % syttymistodennäköisyys, mutta 3POD- ja Neyer-menetelmillä voidaan saada tietoa koko herkkyyskäyrästä.
Työn kokeellinen osuus suoritettiin tekemällä isku- ja hankausherkkyystestejä BAM (Bundesanstalt für Materialprüfung Apparatus) iskuvasara- ja hankausherkkyyslaitteistoilla. Tutkimuksessa käytettiin sotilasräjähteisiin kuuluvia pentriittiä (PETN) sekä heksogeeniä (RDX), niiden herkkyysominaisuuksien takia. Opinnäytetyön kokeellisen osuuden testit päädyttiin suoritta-maan Bruceton- ja 3POD-menetelmillä sekä tutkimaan vain 50 % syttymistodennäköisyyttä. 3POD valikoitui muiden tutkimusten perusteella saaduista tuloksista, joiden mukaan 3POD on Neyerin menetelmää tarkempi. Laitteistojen ja menetelmien avulla selvitettiin syttymisen aiheuttavat iskuenergiat (J) sekä hankausenergiat (N). Työssä selvitettiin menetelmien eroja toisiinsa nähden sekä 3POD:n käytettävyyttä laboratoriotyössä. Työssä tutkittiin myös kameran ja hydrofonin käyttöä syttymisten todentamisessa sekä millaisia hyötyjä ja haasteita niiden käytössä voi ilmetä.
Testejä suoritettiin kummallakin räjähdysaineella ja kummallakin menetelmällä useita. Brucetonilla tehdyistä iskuherkkyystesteistä saatiin 50 % syttymistodennäköisyydeksi keskimäärin PETN:lle noin 5,5 J ja RDX:lle noin 14,5 J. 3POD:lla vastaavasti PETN:lle 5,8 J ja RDX:lle 15 J. Hankausherkkyydestä Brucetonilla saatiin PETN:lle keskimäärin noin 98,5 N ja RDX:lle 247 N. 3POD:in arvot olivat hieman pienemmät, sillä PETN:lle saatiin keskimäärin 88 N ja RDX:lle 203 N. Brucetonin tulokset siirrettiin 3POD- ja Neyer-menetelmiin, ja suurin ero tulosten välillä oli noin 34 %, pienin alle 1 %. 3POD-tulokset siirrettiin myös Neyerin menetelmään ja tulosten välillä eroa oli noin 2–3 % verran.
Kameran ja hydrofonin käytön tutkimisessa auttoi runsas mittauksien lukumäärä. Iskuherkkyystesteistä kameralla saatiin todennettua 86,8 % syttymisistä ja hydrofoni toimi lähes 100-prosenttisesti. Hankausherkkyydestä saatuja hydrofonin tuloksia ei voida puolestaan pitää luotettavina, sillä hydrofoniin aiheutui vetokaapin sisäpuolella suoritettavien testien aikana tärinästä ja ilmavirtauksesta häiriötä. Kameran ja hydrofonin käyttö iskuherkkyyden määrityksessä oli hyötyä, mutta testien suorittamisen ja tulosten todentamisen kannalta niiden käyttö ei kuitenkaan ole välttämätöntä.
3POD-menetelmän todettiin soveltuvan hyvin etenkin iskuherkkyyden testaamiseen. Vaikka 3POD suoriutui hankausherkkyystestauksista Brucetonia paremmin, tärkeimpänä havaintona oli menetelmän kankeus Brucetoniin nähden. Ongelmaksi nousi hankausenergian säätämisen mahdollisuus ja 3POD:in pyytämien mittapisteiden asettaminen. Tämä ratkaistiin mittaamalla lähimmästä mahdollisesta hankausenergian asetuspisteestä. Vastaavaa ongelmaa ei syntyisi portaattomalla hankausenergian säädöllä. Tulosten perusteella todettiin, että Brucetoniin verrattuna 3POD-menetelmällä voidaan pienemmällä testimäärällä saavuttaa hyväksytty tulos. The properties of energetic materials can be studied with the help of sensitivity tests which provide information on the probability of ignition of substances. Different equipment and methods can be used to study impact and friction sensitivity of energetic materials. In this study, the more modern methods Three-Phase Optimal Design (3POD) and Neyer D-Optimal were compared to Bruceton Up-and-Down method which has been the most used method in sensitivity testing. The Bruceton and Neyer methods are NATO standardized but 3POD is not. With Bruceton method it is possible to get only 50 % ignition probability but with the 3POD and Neyer methods, information can be obtained from the entire sensitivity curve.
In the experimental part of this study, impact and friction sensitivity tests were performed using a BAM (Bundesanstalt für Materialprüfung Apparatus) impact hammer and the BAM friction sensitivity equipment. Military explosives pentrite (PETN) and hexogen (RDX) were used in the research because of their sensitivity properties. In the experimental part of this thesis, it was decided to use only the Bruceton and 3POD methods, focusing to the 50 % ignition probability. 3POD was selected based on the results of other studies, according to which 3POD is more accurate than Neyer’s method. With the help of equipment and methods, the impact energy (J) and friction energy (N) that cause ignition were determined. In this study the differences between the methods were studied and the usability of the 3POD in laboratory work. The verification of ignitions and which kind of benefits and challenges can arise when camera and hydrophone are used during the tests were also studied.
Several tests were performed with both explosives using Bruceton and 3POD methods. The impact sensitivity tests performed with Bruceton method gave an average 50 % ignition probability for PETN was approximately 5.5 J and for RDX approximately 14.5 J. An average 50 % ignition probability with 3POD, respectively 5.8 J for PETN and for RDX 15 J. The friction sensitivity results for Bruceton were about 98.5 N for PETN and approximately 247 N for RDX. The friction sensitivity results with 3POD were slightly smaller than with Bruceton, for PETN it was about 88 N and for RDX 203 N. Bruceton results were also transferred to 3POD and Neyer methods, and the biggest difference between the results was about 34 % and the smallest was less than 1 %. The 3POD results were also transferred to Neyer’s method and the difference between the results were about 2-3 %.
Large number of measurements helped the study of the use of the camera and hydrophone. During the impact tests the camera and hydrophone worked well. 86.8 % of the ignitions were verified with the camera and the hydrophone worked almost 100 % of the time. The results about hydrophone obtained from friction tests cannot be considered reliable. Hydrophone was disturbed by vibration and air flow during the tests carried out inside a fume cupboard. The use of the camera and hydrophone were useful during the impact tests but in the terms of performing the tests and verifying the results their use is not necessary.
The 3POD method was found to be particularly suitable for impact sensitivity testing. Although 3POD performed better than Bruceton’s method in friction sensitivity tests, the most important observation was the stiffness of the method compared to Bruceton. The problem was the possibility of adjusting the friction energy and setting the measurement points requested by 3POD. This problem would not appear with a stepless adjustment of the friction energy. With Bruceton there is no same problem because stimulus levels are chosen differently. The problem was solved by measuring the closest possible stimulus level. Based on the results, it was concluded that, compared to Bruceton, the 3POD method can achieve acceptable results with less testing.
Työn kokeellinen osuus suoritettiin tekemällä isku- ja hankausherkkyystestejä BAM (Bundesanstalt für Materialprüfung Apparatus) iskuvasara- ja hankausherkkyyslaitteistoilla. Tutkimuksessa käytettiin sotilasräjähteisiin kuuluvia pentriittiä (PETN) sekä heksogeeniä (RDX), niiden herkkyysominaisuuksien takia. Opinnäytetyön kokeellisen osuuden testit päädyttiin suoritta-maan Bruceton- ja 3POD-menetelmillä sekä tutkimaan vain 50 % syttymistodennäköisyyttä. 3POD valikoitui muiden tutkimusten perusteella saaduista tuloksista, joiden mukaan 3POD on Neyerin menetelmää tarkempi. Laitteistojen ja menetelmien avulla selvitettiin syttymisen aiheuttavat iskuenergiat (J) sekä hankausenergiat (N). Työssä selvitettiin menetelmien eroja toisiinsa nähden sekä 3POD:n käytettävyyttä laboratoriotyössä. Työssä tutkittiin myös kameran ja hydrofonin käyttöä syttymisten todentamisessa sekä millaisia hyötyjä ja haasteita niiden käytössä voi ilmetä.
Testejä suoritettiin kummallakin räjähdysaineella ja kummallakin menetelmällä useita. Brucetonilla tehdyistä iskuherkkyystesteistä saatiin 50 % syttymistodennäköisyydeksi keskimäärin PETN:lle noin 5,5 J ja RDX:lle noin 14,5 J. 3POD:lla vastaavasti PETN:lle 5,8 J ja RDX:lle 15 J. Hankausherkkyydestä Brucetonilla saatiin PETN:lle keskimäärin noin 98,5 N ja RDX:lle 247 N. 3POD:in arvot olivat hieman pienemmät, sillä PETN:lle saatiin keskimäärin 88 N ja RDX:lle 203 N. Brucetonin tulokset siirrettiin 3POD- ja Neyer-menetelmiin, ja suurin ero tulosten välillä oli noin 34 %, pienin alle 1 %. 3POD-tulokset siirrettiin myös Neyerin menetelmään ja tulosten välillä eroa oli noin 2–3 % verran.
Kameran ja hydrofonin käytön tutkimisessa auttoi runsas mittauksien lukumäärä. Iskuherkkyystesteistä kameralla saatiin todennettua 86,8 % syttymisistä ja hydrofoni toimi lähes 100-prosenttisesti. Hankausherkkyydestä saatuja hydrofonin tuloksia ei voida puolestaan pitää luotettavina, sillä hydrofoniin aiheutui vetokaapin sisäpuolella suoritettavien testien aikana tärinästä ja ilmavirtauksesta häiriötä. Kameran ja hydrofonin käyttö iskuherkkyyden määrityksessä oli hyötyä, mutta testien suorittamisen ja tulosten todentamisen kannalta niiden käyttö ei kuitenkaan ole välttämätöntä.
3POD-menetelmän todettiin soveltuvan hyvin etenkin iskuherkkyyden testaamiseen. Vaikka 3POD suoriutui hankausherkkyystestauksista Brucetonia paremmin, tärkeimpänä havaintona oli menetelmän kankeus Brucetoniin nähden. Ongelmaksi nousi hankausenergian säätämisen mahdollisuus ja 3POD:in pyytämien mittapisteiden asettaminen. Tämä ratkaistiin mittaamalla lähimmästä mahdollisesta hankausenergian asetuspisteestä. Vastaavaa ongelmaa ei syntyisi portaattomalla hankausenergian säädöllä. Tulosten perusteella todettiin, että Brucetoniin verrattuna 3POD-menetelmällä voidaan pienemmällä testimäärällä saavuttaa hyväksytty tulos.
In the experimental part of this study, impact and friction sensitivity tests were performed using a BAM (Bundesanstalt für Materialprüfung Apparatus) impact hammer and the BAM friction sensitivity equipment. Military explosives pentrite (PETN) and hexogen (RDX) were used in the research because of their sensitivity properties. In the experimental part of this thesis, it was decided to use only the Bruceton and 3POD methods, focusing to the 50 % ignition probability. 3POD was selected based on the results of other studies, according to which 3POD is more accurate than Neyer’s method. With the help of equipment and methods, the impact energy (J) and friction energy (N) that cause ignition were determined. In this study the differences between the methods were studied and the usability of the 3POD in laboratory work. The verification of ignitions and which kind of benefits and challenges can arise when camera and hydrophone are used during the tests were also studied.
Several tests were performed with both explosives using Bruceton and 3POD methods. The impact sensitivity tests performed with Bruceton method gave an average 50 % ignition probability for PETN was approximately 5.5 J and for RDX approximately 14.5 J. An average 50 % ignition probability with 3POD, respectively 5.8 J for PETN and for RDX 15 J. The friction sensitivity results for Bruceton were about 98.5 N for PETN and approximately 247 N for RDX. The friction sensitivity results with 3POD were slightly smaller than with Bruceton, for PETN it was about 88 N and for RDX 203 N. Bruceton results were also transferred to 3POD and Neyer methods, and the biggest difference between the results was about 34 % and the smallest was less than 1 %. The 3POD results were also transferred to Neyer’s method and the difference between the results were about 2-3 %.
Large number of measurements helped the study of the use of the camera and hydrophone. During the impact tests the camera and hydrophone worked well. 86.8 % of the ignitions were verified with the camera and the hydrophone worked almost 100 % of the time. The results about hydrophone obtained from friction tests cannot be considered reliable. Hydrophone was disturbed by vibration and air flow during the tests carried out inside a fume cupboard. The use of the camera and hydrophone were useful during the impact tests but in the terms of performing the tests and verifying the results their use is not necessary.
The 3POD method was found to be particularly suitable for impact sensitivity testing. Although 3POD performed better than Bruceton’s method in friction sensitivity tests, the most important observation was the stiffness of the method compared to Bruceton. The problem was the possibility of adjusting the friction energy and setting the measurement points requested by 3POD. This problem would not appear with a stepless adjustment of the friction energy. With Bruceton there is no same problem because stimulus levels are chosen differently. The problem was solved by measuring the closest possible stimulus level. Based on the results, it was concluded that, compared to Bruceton, the 3POD method can achieve acceptable results with less testing.