49
A FROM O ABS M THE 86 ORLANDO, ST TH SHOCK A ,FLORIDA S TRA AND VIBR A |OCTOB PONSORED BY: AC RATION SY BER 5–8 CTS YMPOSIUM 8, 2015 S M

ABS A ST TRA ACCTS S - Shock and Vibration Exchange Symposium/86th Abstract Book.pdf · Modeling and Simulation with User Material Models using ABAQUS ... Investigation of an Extension

Embed Size (px)

Citation preview

AFROM

O

ABSM THE 86ORLANDO,

STTH SHOCK A, FLORIDA

S

  

   

 

 

TRA 

AND VIBRA | OCTOB

  

PONSORED BY:  

ACRATION SYBER 5 – 8

CTSYMPOSIUM

8, 2015 

S M 

CONTENTS SESSION 1: UNDEX I 

Response of Composite Plates to Near Field Underwater Explosions Including Polyurea Coating Effects ................... 1 

An Experimental Study of Loading from UNDEX Bubble Collapse ................................................................................. 1 

Application of the Coupled Eulerian‐Lagrangian (CEL) technology in Abaqus/Explicit for near field UNDEX ............... 1 

Physics Based Modeling & Simulation For Shock & Vulnerability Assessments; Navy Enhanced Sierra Mechanics (NESM) ........................................................................................................................................................................... 2 

Equipment and Deck Fixture Response Prediction Using A 2‐DOF Oscillator ............................................................... 2 

SESSION 2: STRUCTURAL RESPONSE 

Progress on Verification and Acceptance of the Residual Mass Dynamic Design Analysis Model ................................ 2 

AT Planner for Bridges: Computationally Efficient Software For Assessing The Response Of Bridge Components Subjected To Blast Loads ............................................................................................................................................... 2 

Detailing of Steel Structures Subjected to Blast Loading ............................................................................................... 3 

Shock Optimized Foundation Designs ........................................................................................................................... 4 

Precision Guidance Kit (PGK) Power Electronics Module Gun Launch .......................................................................... 4 

The Damage Procedure of a H‐type Beam to a Inclined Dynamic Force ....................................................................... 4 

SESSION 3: MATERIAL CHARACTERIZATION AND EVALUATION UNDER MECHANICAL SHOCK 

Development of a Dynamic Mechanically Matched Explosive Simulant for Shock Testing Embedded Electronic Components .................................................................................................................................................................. 5 

Shock Testing of Conductive and Electronic Materials .................................................................................................. 5 

Polymeric Composite Characterization Using Embedded Instrumentation in High‐G Loading ..................................... 5 

Evaluation of Damage Induced by Embedded Masses in Polymeric Composites ......................................................... 6 

Wave Propagation Methods for Modeling Pyrotechnic Shock Attenuation across Material and Joints ....................... 6 

SESSION 4: MECHANICAL SHOCK: ADVANCED MODELING AND TESTING METHODS 

Medium Weight Shock Machine (MWSM) Equipment Kill Criteria: Test Results .......................................................... 7 

Medium Weight Shock Machine (MWSM) Equipment Kill Criteria: Model Development ............................................ 7 

An Updated Medium Weight Shock Machine And Ballasted Spring Deck Fixture FEA Model ...................................... 7 

Effects Of Geometric Nonlinearity On Shock Response Of The Antenna Structure ...................................................... 7 

Response Limited Shaker Shock Testing ........................................................................................................................ 8 

Development of a Single Input Multiple Output (SIMO) Input Derivation Algorithm for Oscillatory Decaying Shocks 8 

SESSION 5: ISOLATION 

A New Short Mount for Barge Shock Isolation .............................................................................................................. 8 

Selection of Shock Tech IIsolation Systems for Populated 901d Racks ......................................................................... 9 

Design and Evaluation of a Support Platform for a Bulkhead Mounted Electronic Unit ............................................... 9 

Using Wire Rope Isolators for Seismic Protection ....................................................................................................... 10 

Modelling The Response to Underwater Explosions of Internal Platforms Resiliently Mounted with Rubber Shock Isolators ....................................................................................................................................................................... 10 

ii 

Wire Rope vs. Elastomer Isolators for Naval Applications ........................................................................................... 11 

SESSION 6: UNDEX ANALYSIS APPLICATIONS 

Analysis of an Implosion Mitigation Device ................................................................................................................. 11 

Proof‐of‐Concept Testing for Implosion Mitigation Device ......................................................................................... 12 

Computational Modeling of Shock Initiated Implosion of a Metal Tube within a Closed Tube .................................. 12 

Testing and analysis of a Water‐Borne IED (WBIED) to characterize the above and below waterline explosive loading environment ................................................................................................................................................... 12 

Determination of a Design Pressure for External Volumes to Resist Implosion Failure when Subjected to Combined Shock and Submergence Loading ................................................................................................................................ 12 

SESSION 7: MECHANICAL SHOCK USING ENERGY METHODS 

Use of Energy & Temporal Duration to Synthesize SRS Compatible Acceleration ...................................................... 13 

Shock sequence at a forward location in a large boat‐ analysis and generation of a laboratory simulation regime .. 13 

Mechanical Shock Failure Predictions of a Cantilever Structure Using Energy Response Spectra Methods .............. 14 

A Method for Extrapolating Haversine Shock Test Input Levels .................................................................................. 14 

Calculation of the Dissipated Energy Spectrum from a Fourier Amplitude Spectrum ................................................ 15 

SESSION 8: VIBRATION AND ACOUSTIC TESTING/ANALYSIS 

6 DOF Shock and Vibration: Testing and Analysis ....................................................................................................... 15 

Phase Influence on the Response of a Slender Beam Structure under Combined Rotational and Transverse Base Excitations ................................................................................................................................................................... 16 

The Derivation of Multiple‐Input‐Multiple Output (MIMO) Acoustic Test Specifications to Simulate a Missile Flight ..................................................................................................................................................................................... 16 

The Effects Of Vibration On Measurement Microphones ........................................................................................... 16 

The Use of Quaternions to Compensate for Geometric Distortion in Dynamic Seismic and Satellite Testing ............ 17 

SESSION 9: EXPERIMENTAL TESTING METHODS AND INSTRUMENTATION IN HIGH‐G ENVIRONMENTS 

Using Multiple G‐Switches for Target Detection ......................................................................................................... 17 

Mechanical Survivability of Embedded Mass in Quasi‐Static and Dynamic High‐Pressure Environment ................... 17 

Experimental Evaluation of Additively Manufactured Supports Under High‐g Loads ................................................. 18 

Measuring Embedded Dynamic Pressure: Design, Characterization and Implementation ......................................... 18 

SESSION 10: ADVANCED DATA ANALYSIS IN VIBRATION 

The Solution to Random Over‐Testing ........................................................................................................................ 18 

Employing Monte Carlo Techniques to Explore the Spectral Density Matrix Solution Space ..................................... 19 

Natural Frequencies of Layered Beams Using a Continuous Variation Model ............................................................ 19 

Tactical Transportation Vibration Characterization and Comparison to MIL‐STD‐810G ............................................. 20 

SESSION 11: RESPONSE TO DETONATIONS / ANALYSIS OF DETONATIONS 

Development of a Scalable/Selectable Wall Breaching Munition ............................................................................... 21 

Analysis of Blast Overpressure from Ammunition Compartment Events ................................................................... 21 

Analysis of Craters from Large Buried Charges ........................................................................................................... 21 

A Lagrangian particle formulation for modeling fragmentation processes ................................................................. 22 

iii 

Simulation of experiments which show that reflection pressure time history from ground shock depends on the reflected structure's stiffness and mass ...................................................................................................................... 22 

SESSION 12: THE NAVY ENERGETIC MODELING ORACLE (NEMO) 

Introducing The Navy Energetic Modeling Oracle (NEMO) ......................................................................................... 23 

Sierra Mechanics & Its Critical Contributions to NESM ............................................................................................... 23 

NEMO Parallel Code Communication & The Navy Standard Coupler (NSC) ................................................................ 23 

Approach to Fluid‐Structure Interactions within a Fixed Eulerian CFD Grid ............................................................... 24 

Verification & Validation of NEMO .............................................................................................................................. 24 

SESSION 13: AIRBLAST TESTING AND M&S OF SYSTEMS / MODELING FOR STRUCTURAL RESPONSE 

Experimental Series to Evaluate the Performance of the Modular Protective System (MPS) Against Airblast Loading ..................................................................................................................................................................................... 24 

Development and Experimental Evaluation of the Modular Protective System (MPS) Multi‐Purpose Guard Tower 25 

The Role of Geometric Imperfections on Quasi‐static Axial Crushing of Bisected Honeycomb Structures ................ 25 

Steady State Response of Pipes with Various End Supports and Geometric Imperfections ....................................... 26 

Simplified Model Generation for Exodus II .................................................................................................................. 26 

SESSION 14: ACOUSTIC AND VIBRATION ENVIRONMENTS: CHARACTERIZATION AND ANALYSIS 

Performance Evaluation of Flow Induced Noise Models for a Cylinder in Axial Flow ................................................. 27 

The Derivation of Appropriate Laboratory Vibration Test Durations and Number of Shock Hits from Non Stationary Field Test Data ............................................................................................................................................................. 27 

Analysis of the vibration measured during exposure of a launcher to an in‐laboratory simulated dynamic regime at the rear of a fast boat .................................................................................................................................................. 27 

Vibrations at an aft location on a large boat‐ analysis and generation of a laboratory simulation regime ................ 28 

SESSION 15: BALLISTICS EFFECTS: MODELING AND TESTING 

Modeling and Simulation with User Material Models using ABAQUS ......................................................................... 29 

Variables Impacting the Projectile Dynamics near Muzzle Exit ................................................................................... 29 

Stress Testing of Mortar Baseplates – Method and Validation ................................................................................... 29 

Weapon Ricochet as a Continuously Decaying Process ............................................................................................... 30 

SESSION 16: UNDEX ASSESSMENT TOOLS / NAVY SHOCK REQUIREMENTS AND TESTING 

Decision‐Aid Software for UNDEX Qualification and Optimization ............................................................................. 31 

ADQUES Validation ...................................................................................................................................................... 31 

Shock Environment Comparison Methods .................................................................................................................. 31 

Investigation of an Extension of DDAM for External Components .............................................................................. 32 

Impact of Recent Revision of US Navy Instruction and Standard on Navy Ship Equipment Shock Qualification and Navy Ship Shock Hardness Certification ...................................................................................................................... 33 

A Practical Band Based Approach for Determination of Shock Response Frequence (SRF) of Class II Equipment for use with MIL‐S‐901E in Cases Where SRF is Useful for Optimal Shock Qualification Testing of Class II Equipment ... 33 

SESSION 17: INSTRUMENTATION AND MEASUREMENTS 

Yield Estimate of Wasp Prime Using Digitized Nuclear Fireball Films ......................................................................... 33 

Assessment of Dynamic Performance Characteristics of Piezoelectric Strain Gauges ................................................ 34 

iv 

Contamination of and Solution for Cable Generated Noise in Accelerometer Signals ............................................... 34 

Acoustic Measurements In Air Flow ............................................................................................................................ 34 

Dynamic Materials Testing to Blast Testing, Equipment Qualifications ...................................................................... 34 

SESSION 18: FLIGHT SYSTEM TESTING / TESTING METHODS AND CORRELATION 

Finite Element Simulation of a Direct‐Field Acoustic Test of a Flight System Using Acoustic Source Inversion ......... 35 

The Significance of Combined Vibration and Acceleration Environments for Flight Testing ...................................... 35 

The Future of Testing in Combined Environments for Flight Hardware ...................................................................... 35 

Analysis of the Crack Strain Difference of Two Size Experiment Specimen to Shock Load ......................................... 36 

SESSION 19: POST BLAST FORENSIC 

Investigation of Relationships between Crater Geometry and Soil Type and Condition ............................................ 36 

Experimental Analysis of Vehicle‐Borne Improvised Explosive Devices ...................................................................... 37 

Investigation of Key Parameters for Post‐Blast Crater Analysis .................................................................................. 37 

Effect of Barrier Wall Shielding on the Relationship between Overpressure and Dynamic Pressure from a Detonation ................................................................................................................................................................... 38 

Forensic Characterization of Small Arms and Propelled Munitions using Image, Chemical, and Metallurgical Analysis ..................................................................................................................................................................................... 38 

SESSION 20: UNDEX II 

The recovery method of the measured signal curve of an underwater explosion shock pressure ............................. 38 

The Coupling Effect Of The Static And Shock Load On The Responses Of A Ring‐Stiffened Cylinder .......................... 39 

Study for Effective Shock Analysis Methodology with UNDEX Experimental Data using Down Scale Ship Model ..... 39 

The equivalence of shock environments of the real ship and the SFSP to a heavy resilient mount equipment ......... 40 

Shock Analysis of an Antenna Structure Subjected to Underwater Explosions .......................................................... 40 

SESSION 21: BLAST RISKS TO VEHICLES AND STRUCTURES 

Comparison of Results from Experiments with Impulse Measuring Device that Quantify Effects of Soil Placement Parameters on Aboveground Impulse ......................................................................................................................... 41 

Comparisons of Results from Experiments and Simulations with Impulse Devices that Quantify Effects of Charge Parameters, Depth of Burial, and Soil Type ................................................................................................................. 41 

Dual State Energy Absorbing Mechanism to Mitigate Vertical Shock Loading ............................................................ 41 

SESSION 22: MECHANICAL SHOCK: INSTRUMENTATION AND MODELING/SIMULATION 

Analysis of Various Simulations of Complex Components under Mechanical Shock .................................................. 42 

The Effect of Boundary Condition Assumptions on the Predicted Dynamic Response of Packaged Electronic Assemblies ................................................................................................................................................................... 42 

Characterization of the Endevco 7280A Transverse Sensitivity Performance to Full Scale Range .............................. 42 

Characterization of Meggitt Sensing Systems’ Updated Hopkinson Bar Capability .................................................... 43 

A Novel Micro‐CT Data Based Finite Element Modeling Technique to Study Reliability of Densely Packed Fuze Assemblies ................................................................................................................................................................... 43 

 

 

AB‐1 

 

UNDEX I 

 RESPONSE OF COMPOSITE PLATES TO NEAR FIELD UNDERWATER EXPLOSIONS INCLUDING POLYUREA COATING EFFECTS Dr. James LeBlanc, Naval Undersea Warfare Center, Division Newport  The  response  of  composite  plates,  including  polyurea  coatings,  subjected  to  near  field  underwater explosion  (UNDEX)  loading  has  been  studied  through  experiments  and  corresponding  numerical simulations. A water filled blast tank is used for the conduct of all experiments with the transient plate response captured through the use of high speed photography coupled with Digital Image Correlation.  Improved plate response is observed through the use of a thicker plate or through the application of a polyurea  coating,  although  there  is  a weight  penalty  associated with  the  additional material which should  be  considered.  Computational models  of  the  experiments  have  been  developed  utilizing  the commercial finite element code LS‐Dyna. A high level of correlation is observed between the numerical simulations and the experimental data.    AN EXPERIMENTAL STUDY OF LOADING FROM UNDEX BUBBLE COLLAPSE Mr. John M. Brett, Defence Science & Technology Mr. George Yiannakopoulos, Defence Science & Technology Mr. Andrew Krelle, Defence Science & Technology  The  loading  experienced  by  a  submerged  structure  in  close  proximity  to  an  underwater  explosion  is complex and  sensitive  to  the distance of  the explosion  from  the  structure. To  study  this  loading,  the authors have conducted experiments in which small scale charges were detonated in close proximity to a  flat plate  target  instrumented with  an  array of  surface mounted  pressure  transducers. High  speed imaging was used to track the dynamics of the gas bubble as  it  interacted with and  loaded the target structure. In this paper we describe the experiment and present some preliminary results detailing the complex loading phenomena at play, including cavitation collapse, the bubble pulse, pressure wave and water jetting.  APPLICATION  OF  THE  COUPLED  EULERIAN‐LAGRANGIAN  (CEL)  TECHNOLOGY  IN  ABAQUS/EXPLICIT  FOR  NEAR  FIELD UNDEX Mr. Mike Sasdelli, Dassault Systemes SIMULIA Corp Mr. Dave Woyak, Dassault Systemes SIMULIA Corp  UNDEX  applications  can  be  broadly  classified  as  near  field  (close‐in)  or  far  field.  From  a  simulation standpoint,  the  proximity  of  the  blast  to  the  structure  (i.e. whether  far‐field  or  near‐field)  dictates whether an acoustic based modeling approach can be taken or whether it is necessary to go to a more detailed modeling approach which may  include direct modeling of  the explosive charge and modeling approaches  to  allow  for moderate  to  significant  deformation  of  the  structure  and  associated  fluid‐structure  interface.  In  Abaqus,  the  acoustic  based modeling  approach  has  been  utilized  for  far‐field UNDEX applications  since  its  introduction  in Abaqus  version 6.1,  released  in 2001. Earlier  releases of Abaqus used a coupling to the 3rd‐party USA code for modeling of underwater shock applications.  This study investigates the use of the Coupled Eulerian‐Lagrangian (CEL) approach in Abaqus/Explicit for near  field  blast,  and  in  this  initial work  focuses  on  the  characterization  of  the  explosive  and water materials to accurately capture the shock pulse without a structure included. The results are compared to analytical and experimental data. 

 

AB‐2 

PHYSICS  BASED MODELING &  SIMULATION  FOR  SHOCK & VULNERABILITY ASSESSMENTS; NAVY  ENHANCED  SIERRA MECHANICS (NESM) Dr. E. Thomas Moyer, NSWC Carderock   No abstract provided.  EQUIPMENT AND DECK FIXTURE RESPONSE PREDICTION USING A 2‐DOF OSCILLATOR Mr. Rick Griffen, HII‐NNS Mr. Matt Davis, HII‐NNS 

 An effort  to develop equipment design  spectra  for  the Deck  Simulator  Fixtures used with  the MIL‐S‐901D Floating Shock Platform required assessment of several hundred equipment and DSF  frequency, mass and damping combinations.   Such a parametric study can be accelerated  if this test arrangement can be  adequately  simulated by  a  simple  two degree of  freedom particle model.    Several models of simulated equipment attached to the midspan of a uniform pinned‐end beam driven by a measured FSP inner bottom motions  established  a  set of baseline  responses.   Comparison  to  varied  2‐DOF models established  that  a  base  oscillator with mass  equaling  81%  of  the  deck mass  provides  a  reasonable equipment  response  approximation provided  the  equipment  fixed base  frequency  is not  significantly greater  than  the deck  frequency.    For higher  frequency equipment,  the  response of a  second model representing the deck third bending mode must be applied.  

STRUCTURAL RESPONSE 

 PROGRESS ON VERIFICATION AND ACCEPTANCE OF THE RESIDUAL MASS DYNAMIC DESIGN ANALYSIS MODEL Mr. Rick Griffen, Huntington Ingalls Industries – Newport News Shipbuilding  The standard naval shock analysis methodology for the assessment of equipment and foundations is the Dynamic  Design  Analysis Method  (DDAM).   This method  is  an  evolution  of  the  response  spectrum analysis  technique  developed  for  earthquake  assessment.   Some  procedures  for  implementing  this method set modal mass recovery requirements that are difficult to meet  in many common models.  A modification of this method, called RM‐DDAM, was presented at the 83rd Shock & Vibration Symposium that offers to resolve this issue by altering the DDAM such that its evaluation phase always includes the full  model  mass  through  the  assignment  of  all  unrecovered  residual  modal  mass  to  an  additional synthetic  n+1 mode.  This  short  topic  presents  progress  to  date  in  a National  Shipbuilding  Research Program  task  to  verify  the  utility  of  the  RM‐DDAM  approach  and  define  a  procedure  for  its implementation.  AT  PLANNER  FOR  BRIDGES:  COMPUTATIONALLY  EFFICIENT  SOFTWARE  FOR  ASSESSING  THE  RESPONSE  OF  BRIDGE COMPONENTS SUBJECTED TO BLAST LOADS Dr. Eric Williamson, University of Texas at Austin Mr. Eric L. Sammarco, Protection Engineering Consultants Mr. Joeny Q. Bui, Protection Engineering Consultants Dr. David J. Stevens, Protection Engineering Consultants Dr. C. Kennan Crane, US Army Corps of Engineers, ERC  Terrorist attacks against transportation infrastructure have generated significant interest in the topic of bridge  security. The protective design of bridges  involves unique  loading and  response characteristics 

 

AB‐3 

that  cannot  be  easily  adopted  from  the wealth  of  information  that  already  exists  for  the  protective design  of  buildings.  Over  the  past  decade,  research  on  bridge  security  has  addressed  vulnerability assessments,  risk‐based  prioritization  methods,  characterization  of  blast  loads  on  different  bridge components, computational modeling, and blast mitigation techniques. Although much research  is still needed,  the  field  has matured  to  the  point where  it  is  appropriate  to  start  incorporating  protective design principles in the design of bridges. Hence, research results must be made available to appropriate users within the bridge analysis and design community. The objective of the research described  in this presentation  is  to  develop  user‐friendly  and  computationally  efficient  software  that,  given  a  threat scenario and structural bridge component of interest, characterizes demand on the selected component and  provides  an  estimate  of  peak  dynamic  response  and  incurred  damage.  Such  software will  allow practicing bridge engineers to assess the vulnerability of critical bridge components without having  to rely on more  time‐consuming,  costly,  and  complex  resources  such  as physical  testing or high‐fidelity finite  element  simulations.  In  this  presentation,  a  general  overview  of  the  software,  including  a discussion of the available threats and bridge components, will be provided. Results obtained from the software will be compared with test data and detailed nonlinear finite element models to demonstrate its accuracy for the considered cases.  DETAILING OF STEEL STRUCTURES SUBJECTED TO BLAST LOADING Mr. David A. Holgado, M. Sc., P.E. Ms. Rachel Stansel, Ph. D., ABS Consulting Mr. Darrell Barker, P.E., ABS Consulting  Structures in petrochemical facilities or DoD installations are often used in areas that may be subjected to blast loading. In most cases, steel structures are preferred for their ductile capability during dynamic response.  A structure subjected to blast  loading that  is adequately designed and detailed can achieve very  large deformations  prior  to  reaching  its  limit  capacity.  These  large  deflections  generate  secondary  effects which are not normally addressed in conventional design. These secondary effects include: a) large axial forces generated  in all components, b) framing nodes displaced producing dynamic eccentricity, and c) additional moments at the supports due to the latter, e.g. P‐delta effects.  The  tensile  axial  force built  into  the  system due  to  the  large‐deflection effect not only  stretches  the components but also  the support connections and component splices. Even a small axial deformation along  the component axis could produce significant  tensile  force  in  that same component. During  the analysis,  if some of the axial deformation could be relieved fully or partially  incorporating the stiffness connection concept the axial force along the component and connection could also be reduced.  Structural systems designed  for conventional  loading are always  restricted  to deflection  limits, mainly intended  for  serviceability  (i.e.,  small  deflection).  Conventional  detailing  addresses  effects  related  to only small deflections in the system.  Furthermore,  depending  of  the  demand  on  the  structural  system  under  blast  loading,  the material response  could be beyond  the  yielding  limits. The  commonly used  Single Degree of  Freedom  (SDOF) approach assumes ideal material non‐linear behavior (i.e. elastic ‐ perfect plastic). However, depending of the grade of steel, the steel tensile strength could be 25% – 30% higher than the yielding one. Then, using only the yielding stress could be conservative enough for designing the component  itself but un‐conservative for the corresponding connection design. 

 

AB‐4 

Depending on  the provided detailing, components  supports may generate  tensile  forces,  shear  forces and moments which vary  in  time. Those  forces and moments will produce  interactions of stresses on each  connection  element.  When  using  a  more  refined  analysis  such  as  Multi‐Degree  of  Freedom (MDOF),  the  internal  forces  output may  be  inappropriate while  neglecting  that  dynamic  interaction which will result in an inadequate connections design.  Therefore, the detailing of steel structures subjected to blast  loading has not been properly addressed by blast standards and design guidelines. This paper intends to highlight the possible effects that could generate  secondary  effects  in  the  analysis  on  the  main  framing  as  well  as  secondary  framing. Furthermore,  several  recommendations  are  provided  on  how  to  address  those  highlighted  effects through proposed detailing.  SHOCK OPTIMIZED FOUNDATION DESIGNS Mr. Carlos, de Lima, Altair Engineering Mr. Danie, Pusey, Altair Engineering 

 Underwater  explosions may  cause dynamic  loads  that  can  structurally damage essential  components and equipment on board submarines and naval vessels. In order to design these items for military use, they must be qualified for underwater shock loads. DDAM (Dynamic Design Analysis Method) is a form of response spectrum analysis developed by the US Navy to evaluate the structural performance of such components. It estimates the dynamic response of a component to a shock load caused by the motion of  the hull.  In  this paper, optimization will be used  to drive  the design of  a  foundation model using DDAM as a validation criteria. OptiStruct  is a commercially available simulation software that not only can  validate  structures  using  DDAM,  but  has  unique  built  in  optimization  capabilities  to  effectively maximize  performance  while  reducing  weight,  cost  and  design  cycles.  Results  will  be  compared  to baseline model and optimization methods and definitions will be discussed  PRECISION GUIDANCE KIT (PGK) POWER ELECTRONICS MODULE GUN LAUNCH Mr. Miroslav Tesla, US ARMY ARDEC Mr. Eric Marshall, US ARMY ARDEC Mr. Michael Hollis, US ARMY ARDEC  As part of a root cause analysis, modeling and simulation was used to predict strains of a printed wiring board (PWB) during cannon launch environment. Predicted strains were used to asses if the capacitors on the PWB would be at risk of mechanical failure. The PWB  is a power conditioning board used  in an artillery  system.  There  are  nine  capacitors  of  interest  on  the  particular  PWB.  Capacitors  were  not physically modeled;  instead elements at the  location of the capacitors were selected and the principle strains were monitored. The  failure criteria was  to compare  the  strain magnitude with a  strain  range that was based on work performed at the Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) University of Maryland. Results from the analysis predict that the capacitor which failed is at a location on the PWB that exceeds the strain failure criteria.  THE DAMAGE PROCEDURE OF A H‐TYPE BEAM TO A INCLINED DYNAMIC FORCE Mr. Haikun Wang, China Ship Scientific Research Center Mr. Jianhu Liu, China Ship Scientific Research Center 

 Most of ship hull structures can be simplified as a H‐type beam when dealing with the local damage to blast. Nowadays some new explosion protection structures are employed the membrane mechanism to 

 

AB‐5 

enhance  the anti‐shock  capability and  this  structure can usually endure  large deformation. When  the ship hull jointed with the membrane structure is exposed to strong explosion loads, the joint structure is the  key  point  to  damage.  The  damage  of  the  membrane  part  of  the  joint  structure  has  widely investigated previously, however, the damage of the H‐type beam has rarely studied and  it  is typically loaded by an inclined dynamic force. If the H‐type beam suffers an inclined load, there will be bending moment,  shearing  force  and  axial  force  inside  the  beam  and  an  obvious  coupling  effect  between dynamic elastic‐plastic buckling and yield  rupture  is existed  that  is of very  important  influence  to  the ultimate loading capability. In order to set up the criteria of a H‐type beam to inclined dynamic loading, the damage procedures are the primary item that can find the main cause of the damage. The damage procedure  of  H‐type  beam  under  a  inclined  dynamic  force  was  investigated  by  experimental  and numerical method, and the influence of beam section geometry, beam span, loading position and incline angle  on  the  damage  procedure were  investigated. On  this  basis,  the  failure  criterion  and  ultimate loading  capability  evaluating method  of H‐type  beam  structure were  proposed  that  can  be  used  for improving the hull structure strength to explosions.  

DEDICATED SESSION: MATERIAL CHARACTERIZATION AND EVALUATION UNDER MECHANICAL SHOCK 

  

DEVELOPMENT  OF  A  DYNAMIC  MECHANICALLY  MATCHED  EXPLOSIVE  SIMULANT  FOR  SHOCK  TESTING  EMBEDDED 

ELECTRONIC COMPONENTS Dr. Tammy Metroke, AFRL, Dr. Jacob Dodson, AFRL, and Dr. Janet Wolfson, DTRA  No abstract provided.   SHOCK TESTING OF CONDUCTIVE AND ELECTRONIC MATERIALS Mr. Curtis McKinion, Doolittle Institute/AFRL Dr. Jason Foley, AFRL/RWMF  

AFRL  is performing research on how  integrated circuits and electronics perform  in extremely transient mechanical environments.  In an effort to develop resilient electronics, conductive polymer composites are being developed as electronic interconnects. Conductive polymers are evaluated as solder material for electronic components surface mounted to printed circuit boards (PCB). Test articles consist of PCBs with commercial off‐the‐shelf (COTS) components such as transistors and capacitors. These test articles are subjected to increasing shock levels from an MTS drop tower; peak accelerations up to 40,000 g are achieved.  The  conductive  polymer  material  is  then  compared  to  COTS  solder  material  via  strain, acceleration, and electrical measurements at the point of failure of components. High‐speed imaging is also implemented to observe component failure under shock.  POLYMERIC COMPOSITE CHARACTERIZATION USING EMBEDDED INSTRUMENTATION IN HIGH‐G LOADING Dr. Jacob Dodson, Air Force Research Laboratory Lt. Hayley Chow, Air Force Research Laboratory   Dr. Janet Wolfson, Air Force Research Laboratory  Understanding the relative movement of the  fill  in weapon systems  in harsh dynamic environments  is crucial for effective fuzing systems. The movement of the fill inside the case can generate large internal forces  and  pressures  on  both  hard mounted  and  embedded  electronic  components. While  existing computational models  can  give  some  idea  about  the  dynamic  state  in  the  explosive  fill,  there  are 

 

AB‐6 

currently no existing experimentally validated models which accurately capture energy attenuation  in high‐g events in polymer composites.  AFRL is leading a continuing effort to develop the tools and characterize the dynamic material response of  the  embedded  environment  in  polymer  composites  subject  to  high‐g  loadings.  These  tools  utilize laboratory  and  field  tests  to:  experimentally  measure  the  embedded  response  (acceleration  and pressure)  in  operational  loadings, measure  the  severity of  the  shock  and  vibration  in  the  embedded mechanical environment, and use the experimental data to calculate the amplitude dependent energy attenuation  and  propagation  properties  of  polymeric  composites.  This  presentation will  discuss  the current status of the tools characterizing the environment and the material properties determined from the operational response of the polymer composite.  EVALUATION OF DAMAGE INDUCED BY EMBEDDED MASSES IN POLYMERIC COMPOSITES Lt. Hayley Chow, AFRL/RWMF  It  is  critical  to be aware of  the mechanical  interaction between embedded  fuze  components and  the explosive  fill  to  support  the  development  of  revolutionary  hard  target  fuzing  designs.    In  a  dynamic event the motion of embedded fuze components may plastically deform the surrounding filler material, while the system’s  internal pressure has the potential to crush the embedded  fuze’s external housing.  Primary design  considerations  include  the density  tolerance and  the optimal  shape of  the embedded components.  In  order  to  define  density  tolerance  for  embedded  fuzes,  AFRL/RW  is  developing  a methodology  to assess  the mechanical survivability of  the surrounding polymer composite using embedded masses of differing  densities.    RWMF  researchers  utilize  cannon  testing  with  subscale  projectiles  fired  into concrete walls to subject the embedded masses to large dynamic environments.  Pre and post x‐rays are compared  to determine any movement of  the embedded mass during  the  test. Then,  the embedded masses are extracted from the polymer composite and examined for damage.  In upcoming tests, a drop tower will be used  to  subject  a  fixture,  filled with  a polymer  composite  and potential  shapes of  the embedded  components,  to  high  impact  events.  The  final  goal  is  to  determine  the  embedded mass density  tolerance  and  optimal  shape  that  does  not  damage  the  surrounding media.  This  paper will discuss  the current  status,  including polymeric composite density measurements, and  future work on developing an optimal embedded mass shape for operational functionality.   WAVE PROPAGATION METHODS FOR MODELING PYROTECHNIC SHOCK ATTENUATION ACROSS MATERIAL AND JOINTS Mr. Tom Irvine, Vibration Data  This  paper  uses  wave  methods  to  model  distance  and  joint  attenuation  for  pyrotechnic  shock propagation.  A key objective to provide an analytical basis for historical NASA attenuation factors which were compiled from empirical data in the 1960s era.  This legacy data is still widely used today but often with a lack of understanding of the assumptions and limitations.            

 

AB‐7 

MECHANICAL SHOCK: ADVANCED MODELING AND TESTING METHODS 

 MEDIUM WEIGHT SHOCK MACHINE (MWSM) EQUIPMENT KILL CRITERIA: TEST RESULTS Mr. Brian Lang, NSWC Carderock Mr. Chris Szczur, American Society of Engineering Education  No abstract provided.  MEDIUM WEIGHT SHOCK MACHINE (MWSM) EQUIPMENT KILL CRITERIA: MODEL DEVELOPMENT Mr. Brian Lang, NSWC Carderock Mr. Chris Szczur, American Society of Engineering Education  No abstract provided.  AN UPDATED MEDIUM WEIGHT SHOCK MACHINE AND BALLASTED SPRING DECK FIXTURE FEA MODEL Mr. Matt Davis, Newport News Shipbuilding Mr. Rick Griffen, Newport News Shipbuilding  This effort discusses refinements to a Medium Weight Shock Machine and Ballasted Spring Deck Fixture finite‐element prediction model  to  extend  its utility  to both  lower  and  higher  frequency  equipment.  Model modifications to date in this on‐going effort included a nonlinear force‐deflection representation of the air jacks and a two‐mode anvil representation.  Testing was conducted with varying equipment masses and frequencies. The rationale for these changes are discussed and preliminary test comparisons are presented that show good correlation across a wide frequency range.  EFFECTS OF GEOMETRIC NONLINEARITY ON SHOCK RESPONSE OF THE ANTENNA STRUCTURE 

Mr. Yunus Ozcelik, ASELSAN  Antenna  structures  used  in  electronic  warfare,  radar,  naval,  satellite,  spacecraft  systems  encounter mechanical  shock  from  various  sources  such  as  near miss  under  water  explosion,  pyrotechnic  and ballistic shocks. Since most of the antenna structure has  larger dimension  in  longitudinal direction and experience  high  frequency,  high  amplitude  shock  energy,  geometric  nonlinearity  become  crucial  to predict dynamic behavior in real life. In this study, the antenna structure is modeled by Euler‐Bernoulli beam theory in order to validate finite element simulation with ANSYS, which is one of the commercial finite  element  software.  After  that,  shock  response  of  the  antenna  structure  including  geometric nonlinearity  is  investigated.  The  results  for  the  linear  system  obtained  from  time  integration  and approximate methods such as Absolute Method, Square Root of Sum of Squares (SRSS), Naval Research Method,  Combined  Quadratic  Combination  (CQC)  and  Shock  Response  Spectrum Method  (SRS)  are compared to the nonlinear ones.   Moreover, these results are compared with the ones obtained from experimental results from a drop test table.      

 

AB‐8 

RESPONSE LIMITED SHAKER SHOCK TESTING Mr. Troy J. Skousen, Sandia National Laboratories Mr. Ronald G. Coleman, Sandia National Laboratories Mr. David O. Smallwood, Consultant  When conducting dynamic testing on shakers is often prudent to limit the response of the test article to protect  the  unit  from over  test  and  to more  closely  represent  the  environment.  This  is  an  accepted practice with  random vibration  testing. A methodology will be presented  for  response  limiting shaker shock  testing. The method allows multiple  response  limit  channels with  independent  shock  response spectra  limit profiles. The notches  to  the  input  shock  response  spectra are determined with  iterative solutions of the inputs with the system transfer functions to the responses with limits.  DEVELOPMENT  OF  A  SINGLE  INPUT MULTIPLE  OUTPUT  (SIMO)  INPUT  DERIVATION  ALGORITHM  FOR  OSCILLATORY 

DECAYING SHOCKS Mr. Chad A Heitman, Sandia National Laboratories Mr. Jack B. Reid, Sandia National Laboratories Mr. Vit Babuska, Sandia National Laboratories  During shaker shock testing of a complex system it may be desirable to match a Shock Response Spectra (SRS) at one  location while controlling  the  test at a different  location. Further,  it may be desirable  to match SRSs at multiple  locations.   This paper describes an algorithm  for deriving an optimum  shaker shock  input such that a weighted combination of the responses for multiple  locations  is matched with respect  to  the  field  data measured  at  those  locations.  This work  assumes  the  shock  environment  is characterized  by  a  SRS.    Since  the  SRS  is  a  nonlinear  transformation  of  the  underlying  acceleration waveform, the optimization process will be based on the decayed sine synthesis algorithms developed by David Smallwood.  

ISOLATION 

 A NEW SHORT MOUNT FOR BARGE SHOCK ISOLATION Mr. Kevork Kayayan, Shock Tech Mr. JJ Osmecki, Shock Tech Inc  A new series of short,  low profile, high capacity Seamounts™ has been developed at Shock Tech  that meet  allowable  deflection  in  less  space  than with  the  original  tall  Arch mounts while  still  achieving effective  shock  reduction  in  the Navy’s  barge  test.    These  newer mounts makes  it    possible  to  gain additional  space  [1U  /  1.75  inch]  for  equipment within  the  rack.  This was  a main  objective  for  the isolator’s  design.  The  short mount  is  reviewed  in  this  presentation  and  its  development  program  is described.   The mounts are molded of Shock Damp™ – a proprietary Shock Tech elastomer. The short mount is 5 plus inches high versus 7.5 inches for the tall isolator. In one example, calculations using base and stabilizer short mounts with a 1124 lb cabinet showed 3.0 inch in compression and 15.12 g’s at the cg  ‐  14  hz  barge  test.  The  new  series  of mounts  has  been  released  to  production,  additionally  has broadly enlarged the Shock Tech product line, and has extended isolator applications to the protection of electronics and  special machinery  in other  severe  shock environments.   Test data and engineering characteristics of the mount are given.   In  its  development,  along with  reduced  height,  focus was  on meeting  acceleration  criteria  in  barges shock as well ensuring stability to off‐axis loads.  Additionally, the ongoing development work at Shock 

 

AB‐9 

Tech has resulted in improved Seamount™ design for increased energy capacity in limited space, closer control  of  dynamic  to  static  stiffness  characteristics,  and more  predictable  load  deflection  range  at temperature extremes. Multi‐axis stiffness and hysteretic curves of the newer family of Seamounts are presented and calculated response to barge test shock is reviewed.   SELECTION OF SHOCK TECH IISOLATION SYSTEMS FOR POPULATED 901D RACKS Mr. Herb LeKuch, Consultant– 901D and Shock Tech Mr. Neil Donovan, Shock Tech  In  this presentation we highlight  Shock Tech’s newer  isolation  systems  and  rugged 901d  lightweight, stiffened racks to successfully protect COTS equipment to the Navy’s barge shock test.  We also describe typical problems and load amplification at equipment that can occur with improperly designed isolated rack/mount systems.  Simulation models and test data are used to show the shock response of isolated racks to different deck conditions  We review several tests from Shock Tech/901d’s highly successful history in protecting equipment from barge shock. For example – a  low  frequency  isolated  rack system qualified  for  the 8 hz deck can also satisfactorily meet 14 hz and stiffer deck tests in many installations.  It then has universal application on a  variety  of  ships  and  locations.  Engineering  considerations,  dynamic  modeling  and  interaction  of coupled modes are reviewed. In addition, data from several recent tests is presented.  A highlight of this presentation includes calculations and visuals using Shock Tech’s proprietary (STI) software for vibration and  shock  analysis  of  isolation  systems.    Case  studies  include modeling,  calculations  and  display  of accelerations,  deflections  and  relative motion.    Capabilities  of  the  new  software  are  shown.  The  STI software  is an advance  in the analysis of  isolated rack performance to a variety of shock  loads. It  is an example  of  what  we  are  doing  to  improve  and  being  new  analytical  techniques  to  the  design  of electronic enclosures and isolation systems  DESIGN AND EVALUATION OF A SUPPORT PLATFORM FOR A BULKHEAD MOUNTED ELECTRONIC UNIT Mr. Fred Sainclivier, 901d Mr. Aldric Seguin, 901d  Small  enclosures  and  special  machinery  are  sometimes  bulkhead  mounted  onboard  ship.  In  this arrangement the equipment is fixed to the bulkhead or support structure by means of an adapter fixture or platform.   Shock  isolation mounts can be  installed between the bulkhead and platform or between platform  and  equipment.  In  this  presentation  we  describe  a  shelf‐supported  base  and  stabilizer mounted isolation design for a small enclosure with equipment weighing less than 200 lbs.  The design involved a fabricated structural frame and an arrangement of two base mounts in compression and two stabilizer mounts in roll to a vertical load. The isolators are from among Shock Tech’s Arch series. The L‐shaped frame was directly bolted to the bulkhead support.   The  shelf,  its mounts,  their  axial  and  cross‐axis  stiffness  and  damping  characteristics  are  described. Stiffness and strength of the shelf are  important to the performance of the mounts. The  input at each isolator can vary because the barge shock input at the elevated location of the unit on the bulkhead can be significantly different from measured deck input. This can affect the stability of the unit and ability to correctly calculate the expected response. The flexibility of the shelf and/or the degree to which the unit and  shelf becomes dynamically unbalanced also  influences  the  shock  response of  the unit. Results of FEA and SV analysis are given. Test specifications are Mil‐Std‐167 Vibration and Mil‐S‐901D Barge Shock, 14 hz deck 

 

AB‐10 

USING WIRE ROPE ISOLATORS FOR SEISMIC PROTECTION Mr. Claude Prost, Vibro /Dynamics LLC Mr. Joshua Partyka, Vibro /Dynamics LLC  Wire rope isolators are well known for shock and vibration protection of sensitive equipment in defense applications.  Their unique  features  and predictable  response by means of numerical  simulation have made them a standard solution for many shock and vibration problems.  Less known are their capabilities in seismic applications, although the same equations and methodology apply.  Through  extensive  studies  over  the  years,  a  vast  amount  of  data  on  earthquakes  has  been gathered.   Accordingly,  the  shock  and  vibration  community,  including  involved  governmental entities and contractors,  is becoming  increasingly aware of the need for better  isolation products against such hazards, among which wire rope isolators are gaining popularity.  One widely accepted design consisting of un‐damped springs with snubbers in seismic applications may result  in substantial magnification of the seismic  input when  the snubbers are engaged. This  is not an issue  in terms of safety, but may lead to special reinforcement of the equipment at high cost, which  is contradictory to today's approach of reducing cost with the use of off‐the‐shelf components (COTS). The advantage of coil springs is the capability to offer better vibration isolation, which makes them suited for generating sets, pumps, and compressors.  Another solution is to reinforce the equipment to avoid the earthquake frequencies, which is impractical or at least very costly in most cases.  Wire rope  isolators offer substantial damping, which reduces the unavoidable magnification of seismic inputs at low frequencies. The shock response spectrum is a widely used concept and clearly shows that damping  is of paramount  importance for seismic protection, but doesn't provide sufficient  insight  into the dynamic behavior of a system under seismic conditions.  Therefore,  it  is  ideal  to  conduct  a  dynamic  analysis  using  time  histories  and  a  non‐linear  numerical model.  It  is  the  purpose  of  this  paper  to  present  briefly  two  physical  case  studies  from  Socitec's  large application track record with wire rope isolators, a circuit breaker and an electronics cabinet.  Both cases have been installed by highly known international contractors.  Input /output diagrams and animations will be presented, along with comparisons of calculated response with experimentally measured data.   MODELLING  THE  RESPONSE  TO  UNDERWATER  EXPLOSIONS  OF  INTERNAL  PLATFORMS  RESILIENTLY MOUNTED WITH 

RUBBER SHOCK ISOLATORS Mr. Steven De Candia, Australian Maritime College Dr. Craig Flockhart, Defence Science & Technology  Rubber elastomer materials are commonly employed  in passive shock  isolator mounts used on board naval  vessels  to  protect  sensitive  systems  and  equipment  from  shock  loading.  UNDEX  (underwater explosion) experiments were  conducted on a  scaled  cylindrical vessel  to measure  the  response of an internal platform/raft  structure. Tests were  conducted with  the platform  in  a hard‐mounted  (bolted) configuration  and when  shock  isolated using  commercially  available  filled  rubber mounting blocks  to support  the platform. Measured platform  acceleration  and  velocity data were  compared  against  FEA simulations  using  the  coupled USA/LS‐Dyna  codes.  The  FEA  results  for  hard‐mounted  configurations showed good correlation with the experiment. Modelling, however, of the shock isolated configuration 

 

AB‐11 

proved more challenging due to the requirement for a rubber constitutive model capable of accurately describing the nonlinear large strain, visco‐elastic, strain rate and cyclic strain dependency of the rubber material.  It  is  also  required  that  the  finite  element  type  used  for  analysis  be  compatible  with  the material model and allow the almost incompressible volumetric behaviour of the rubber material to be captured without  introducing numerical  instabilities.  In  this paper,  results will be presented  from  the UNDEX tests as well as a description of the author’s current progress and remaining challenges towards developing  validated modelling  procedures  for  the  UNDEX  shock  assessment  of  resiliently mounted platforms incorporating rubber shock isolators.  WIRE ROPE VS. ELASTOMER ISOLATORS FOR NAVAL APPLICATIONS Mr. Claude Prost, Vibro /Dynamics LLC Mr. Joshua Partyka, Vibro /Dynamics LLC  Shock  and  Vibration  have  always  been  a  concern  in  commercial  and  naval  vessels, whether  for  the comfort  of  passengers  or  simply  as  a  matter  of  survivability  for  the  ship.  While  shipbuilding  has benefited from many technological improvements over the years, the level of vibration and shock inputs to which onboard equipment aboard are subjected have not substantially decreased, due  to  the ever increasing capability of vessels. In addition, the widespread use of non‐rugged commercial off the shelf (COTS) equipment has made shock and vibration isolation even more necessary.  A ship  is exposed to many different  inputs, such as shock from underwater explosions (UNDEX) or the vibration  induced  by  its’  propellers, main  and  auxiliary  engines.  An  isolation  system  that  supports equipment on the ship is required to protect against both types of input.  A shock isolator requires a certain amount of dynamic displacement capability in order to cope with the induced displacement step subsequent to the above mentioned type of shock, while a vibration isolator should exhibit a low dynamic stiffness in order to achieve the required amount of isolation. Selection of a shock and vibration  isolator  typically  requires a  tradeoff between both, which makes  it critical to completely understand all isolator characteristics during the selection process.   This paper will discuss two well‐known technologies used on naval ships, wire rope and elastomer shock and vibration  isolators. The benefits and drawbacks of each type will be detailed through a number of application cases  involving the medium weight shock testing machine of MIL‐S‐901D and  its modelling with Socitec software SYMOS..  

UNDEX ANALYSIS APPLICATIONS 

 ANALYSIS OF AN IMPLOSION MITIGATION DEVICE Dr. Joseph Ambrico, Naval Undersea Warfare Center Mr. Ryan Chamberlin, Naval Undersea Warfare Center Mr. Stephen Turner, Naval Undersea Warfare Center  Implosion within a confined space is analyzed using equations and numerical methods.  When an object implodes within  a  flooded  space partially or  totally  confined by  structure,  the  structure  restricts  the water  flow.   This can dramatically alter the pressure waves that result  from  the  implosion.   Simplified equations  are written  to  describe  a  particular  confined  implosion  case.    The  equations  are  used  to investigate methods  to mitigate  the  implosion  pressure waves.   Additionally,  detailed  computational 

 

AB‐12 

simulations are used to investigate a few mitigation methods.  Results are included to show the trends for the effectiveness in reducing the implosion pressure waves.    PROOF‐OF‐CONCEPT TESTING FOR IMPLOSION MITIGATION DEVICE Mr. Stephen Turner, NUWC  Previous experiments have demonstrated that underwater implosion within a confined space can cause severe water hammer  loading.   Hydrostatic  implosion of unstiffened aluminum alloy 6061‐T6 cylinders within a flooded confined space has resulted in large amplitude pressure waves, which travel within the confined  space.    In an effort  to  reduce  the magnitude of  the pressure waves, NUWC engineers have designed  and  tested  several  implosion mitigation  device  concepts.    Results  of  the  testing  program, which  directly  compare  pressure  waves  with  and  without  the  implosion  mitigation  device,  will  be presented.  COMPUTATIONAL MODELING OF SHOCK INITIATED IMPLOSION OF A METAL TUBE WITHIN A CLOSED TUBE Dr. Emily Guzas, Naval Undersea Warfare Center, Division Newport Dr. Joseph Ambrico, Naval Undersea Warfare Center, Division Newport Dr. James LeBlanc, Naval Undersea Warfare Center, Division Newport  The Office of Naval Research is currently funding a collaborative effort between NUWCDIVNPT and the University of Rhode  Island  to perform  implosion experiments within a  confining  tube and  to develop computational models of implosions occurring within a tube. This paper covers computational modeling of  a  series  of  experiments  investigating  the  shock  initiated  implosion  of  a metal  tube  (implodable volume) occurring within a closed outer tube. Experiments were carried out within a cylindrical tank (7 in  diameter  by  72  in  length)  at  the  University  of  Rhode  Island,  and  involved  concentrically  placed aluminum 6061‐T6 implodable volumes. For each test, the implodable volume is hydrostatically loaded to a fraction of the critical collapse pressure before being subjected to a shock wave generated by a RP‐80 detonator cap in the fluid. At certain hydrostatic pressures, the resulting shock wave initiates collapse of the implodable volume. The pressure histories generated by the explosion and resulting implosion are captured  using  dynamic  pressure  transducers  mounted  on  the  inner  surface  of  the  outer  tube. Computational  models  of  the  implosion  experiments  were  developed  using  the  DYSMAS  software package, and  the  computational pressure profiles as well as  collapsed  shapes were  compared  to  the experimental data.  TESTING  AND  ANALYSIS  OF  A WATER‐BORNE  IED  (WBIED)  TO  CHARACTERIZE  THE  ABOVE  AND  BELOW WATERLINE 

EXPLOSIVE LOADING ENVIRONMENT Mr. Ken Nahshon, NSWC Carderock Division Mr. N. Reynolds Mr. D.T. Wilson 

 No abstract provided.  DETERMINATION OF A DESIGN PRESSURE FOR EXTERNAL VOLUMES TO RESIST IMPLOSION FAILURE WHEN SUBJECTED TO COMBINED SHOCK AND SUBMERGENCE LOADING Mr. Christopher Abate, Electric Boat Corporation Mr. Dashiell Parsons, Electric Boat Corporation  No abstract provided.  

 

AB‐13 

MECHANICAL SHOCK USING ENERGY METHODS 

 USE OF ENERGY & TEMPORAL DURATION TO SYNTHESIZE SRS COMPATIBLE ACCELERATION Mr. J. Edward Alexander, BAE Systems  The  Shock Response  Spectrum  (SRS) has been used  as  a  structural dynamics method  to  characterize seismic and mechanical shock  for the past eight decades.   Conceived by Maurice Biot  (Biot, 1932) the SRS is a method to characterize a transient acceleration in terms of the peak response of a single degree of freedom (SDOF) systems as a function of frequency.  Early research of the SRS was conducted in the 1950's by the seismic community  (Hudson, 1956),  (Housner, 1959) to study the behavior of structures during  earthquakes.    Since  then,  the  use  of  the  SRS  has  become  pervasive  and  is  now  used  by  the seismic,  aerospace  and  defense  communities.  The  SRS  is  frequently  employed  to  specify  the requirements  for  the  structural dynamic environment  that a physical  system must  survive  (Bureau of Ships, DDAM, 1961), (MIL‐STD‐810G, 2008), (NASA‐STD‐7003, 1999), (NASA‐HDBK‐7005, 2001).   When  structural  dynamic  requirements  are  specified  in  terms  of  a  design  shock  response  spectrum, termed  SRSD,  the  ability  of  the  structure  to meet  this  requirement  can  be  demonstrated  by  either analysis or test.   When the system to be shock qualified can be represented by a  linear structure (i.e., linear  equations  of motion),  a mode‐superposition  analysis  can  be  performed  directly  using  SRSD  to estimate the dynamic response of the structure.  However,  if  the  structure  is  be  shock  qualified  by  testing  on  an  electro‐dynamic  shaker,  or  if  the structure  is  nonlinear  (nonlinear  equations  of motion),  the  SRSD  cannot  be  used  directly.    In  these instances, an SRSD compatible base acceleration must be synthesized to either: 

drive the armature of an electro‐dynamic test machine, or 

be used in conjunction with a nonlinear transient analysis The  synthesis  of  SRS  compatible  accelerations  is  not  difficult  and  numerous  procedures  have  been documented  which  do  this.    However,  past  research  has  demonstrated  that  synthesis  of  an  SRSD compatible acceleration  time‐history does not, by  itself, guarantee  that  the dynamic  response of  the structure will be accurate, either by analysis or test.  The motivation for the research described herein is to augment  the acceleration synthesis process  in order  to  improve physical model response accuracy.  Additional constraints beyond that of compatibility with SRSD have been added to the synthesis process.  These are: 

Improved  matching  the  energy  input  to  the  structure  based  on  synthesized  acceleration's compatibility with an Energy Input Spectrum (EIS).  

Constraining the synthesized acceleration to match a predefined temporal duration requirement TE defined by a MIL‐STD‐810G, Method 516   

 SHOCK  SEQUENCE  AT  A  FORWARD  LOCATION  IN  A  LARGE  BOAT‐  ANALYSIS  AND  GENERATION  OF  A  LABORATORY SIMULATION REGIME Mr. Zeev Sherf, RAFAEL Environmental Engineering Center Dr. Arie Elka, RAFAEL Environmental Engineering Center  Mr. Philip Hopstone, RAFAEL Environmental Engineering Center Mr. L. Klebanov, RAFAEL Environmental Engineering Center  Methods of non‐stationary time‐series analysis and extreme value counting are applied to a measured shock sequence at a forward  location on a  large boat. The RMS time‐history, PSD matrix, kurtosis and 

 

AB‐14 

probability  of  shock maxima,  shock  duration,  and  of  energy  per  shock were  calculated  by  applying appropriate  analysis  methods.  Laboratory  simulation  programs  have  been  planned,  using  energy considerations  (avoiding  the need of physics of  failure models with unknown parameters),  achieving reduction factors in the number of the shocks to be applied of 18 and 27 respectively.  MECHANICAL SHOCK FAILURE PREDICTIONS OF A CANTILEVER STRUCTURE USING ENERGY RESPONSE SPECTRA METHODS Mr. Vit Babuska, Sandia National Laboratories Mr. Carl Sisemore, Sandia National Laboratories Mr. Jason Booher, Sandia National Laboratories 

 Shock Response Spectra (SRS) are the standard for describing mechanical shock events and are used for design,  analysis,  and  defining  test  specifications.    The  basic  premise  behind  the  SRS  is  that  all  time histories with the same SRS have the same shock damage potential.  Energy response spectra have been used  for  some  time as an alternate approach  to describing mechanical  shock events.   This paper will describe  an  analytical, numerical,  and  experimental  study  that  compares  traditional  SRS with  energy response spectra.  A test structure supporting up to eight 3‐D printed cantilever test rods was designed for either shaker shock testing or drop table testing.   Shock environments are developed such that the cantilever rods are predicted to fail during testing.  Various options for tuning the frequency and failure stress of the test rods are incorporated to enable an adequate study of statistical parameters.  The test results will be compared to the model predictions with a focus on using the test results to evaluate the failure prediction capabilities of the SRS and the energy response spectra for this simple problem.  A METHOD FOR EXTRAPOLATING HAVERSINE SHOCK TEST INPUT LEVELS Mr. Carl Sisemore, Sandia National Laboratories Mr. Troy Skousen, Sandia National Laboratories 

 Fitting a haversine  shock  response  spectrum  to  field  collected  shock data  is an accepted method  for subsequently performing  laboratory  tests or numerical system  level analyses.   However,  in a situation where a system is required to demonstrate performance at one level but asked to simulate or evaluate performance at another, higher  level,  it  is often uncertain how  to extrapolate  the  shock  response  to different severities.  To perform this analysis, an understanding of how the shock response spectrum is changed from one input level to another is necessary.  In this example, a single system level drop shock test was performed in the field.  A haversine shock response spectrum was fit to the experimental data for  use  in  evaluating  the  system  and  sub‐components.    Since  no  further  system  level  testing  was conducted,  an  analytical methodology  for  extrapolating  the  resulting  shock  input  was  required  for evaluation of  the  system at different drop heights.   An analytical method  for extrapolating  the  shock response  spectrum  of  a  system  sub‐component  was  developed  using  the  conservation  of  energy relationships  for  a  system  in  free‐fall.    This  resulted  in  a  shock  response  spectrum  extrapolation technique based on a combined scaling of the  input velocity and shock period.   Subsequent  laboratory testing of a similar  instrumented system at several different shock  input  levels was compared against the extrapolation method to evaluate the proposed scaling methodology.       

 

AB‐15 

CALCULATION OF THE DISSIPATED ENERGY SPECTRUM FROM A FOURIER AMPLITUDE SPECTRUM Mr. Carl Sisemore, Sandia National Laboratories Ms. Julie Harvie, Sandia National Laboratories Mr. Troy Skousen, Sandia National Laboratories 

 The  idea of using energy spectrum metrics  in  the analysis of shock data  is almost as old as  the shock response spectrum.  Work and energy methods for the analysis of shock data was originally proposed in the  1950’s  and  has  gained  increased  acceptance  in  recent  years.    Most  analysis  focuses  on determination of the  input energy spectrum as a measure of the energy  imparted to the system.   The input energy spectra is typically defined as a summation of the kinetic energy spectra, absorbed energy spectra, and dissipated energy spectra.  The calculation of these spectra is typically performed through numerical  integration  in the time domain.   While this works well,  it can be computationally expensive for long, finely sampled time records.  A methodology for calculating the input energy spectrum using a smoothed  Fourier  amplitude  spectrum  was  proposed  several  years  ago.    In  addition  to  being significantly faster computationally, the relationship between the Fourier spectrum and the input energy spectrum  is  important  to  bring  additional  understanding  to  the  problem.    This  paper  presents  the mathematical derivation showing that the dissipated energy spectra can also be derived as a function of a  smoothed  Fourier  amplitude  spectrum.    This  calculation  presents  significant  computational  speed improvement over  time  integration method and again helps  to highlight  the  inter relationships of  the energy and Fourier methods.  

VIBRATION AND ACOUSTIC TESTING/ANALYSIS 

 6 DOF SHOCK AND VIBRATION: TESTING AND ANALYSIS Dr. Brian C. Owens, Sandia National Laboratories Dr. D. Gregory Tipton, Sandia National Laboratories Mr. Matthew McDowell, Sandia National Laboratories 

 Shock  and  vibration  testing  has  long  been  used  for  qualification  of  structural  components  under  a variety  of  environments.  These  environments  are  typically  defined  along  fundamental  axes  of  a component or system. The availability of six degree of freedom (6 DOF) “shaker” hardware allows for a greater flexibility  in test  inputs  in three translational as well as three rotational axes. This allows for a more accurate representation of  true environments  than can be provided by single axis  input.    It also allows  the  response of  a  component  or  system  to be more  accurately  characterized using multi‐axis input.  While  testing  is  often  used  for  qualification  efforts,  it  is  also  an  important  resource  for  model development  and  calibration.  Simulation  allows  for  test  predictions  to  be made  “after  the  fact”  to examine responses at un‐instrumented locations. A calibrated model also allows for the construction of full stress/strain fields in a component. A calibrated model is also of value in designing better tests and investigating responses under various environments. Nevertheless, thorough model calibration requires an understanding of test input and cross‐axis inputs in the case of 6 DOF testing.  This work will discuss experimental  instrumentation and data acquisition methodologies  for  informing model  input from 6 DOF testing. Challenges associated with this type of testing and simulation will be discussed.  Approaches  for  deriving  simulation  input  from  test  data  will  be  demonstrated  and  the 

 

AB‐16 

importance of including full 6 DOF in model predictions will be emphasized. The opportunities for using 6 DOF testing for a more accurate representation of true environments will also be highlighted.  PHASE  INFLUENCE  ON  THE  RESPONSE  OF  A  SLENDER  BEAM  STRUCTURE  UNDER  COMBINED  ROTATIONAL  AND TRANSVERSE BASE EXCITATIONS Dr. Ed Habtour, US Army Research Laboratory Mr. Raman Sridharan, Center for Advanced Life Cycle Engineering, University of Maryland Mr. Abhijit Dasgupta, Center for Advanced Life Cycle Engineering, University of Maryland  The  response  of  a  cantilever  metallic  beam  structure  under  combined  rotational  and  translational harmonic  base  excitation  is  investigated  experimentally.  The  study  demonstrates  the  importance  of cross‐axis coupling, especially as a function of the relative phase angle between the two excitations. The experiments are performed using a unique six degree‐of‐freedom  (6‐DoF) electrodynamic shaker with high degree of controllability. The experimental results show that  increasing the phase angle between the  rotational  and  translational  excitations  from  0‐135deg  increases  the  beam  tip  response  and  the beam  nonlinear  stiffening  effect.  The  combined  excitation  results  are  compared  to  both  uniaxial rotational and translational base vibration. Fatigue damage buildup occurred  in uniaxial and multiaxial excitation experiments, which  is manifested by  a  shift  in  the  resonance  frequency  and  a progressive increase  in  the  response amplitude as a  function of  the accumulated number of vibration cycles. The beam deflection is sensitive to the phase angle; thus, the phase contribution cannot be neglected when assessing fatigue damage. Furthermore, applying the principle of superposition (mathematical addition of the response for each uniaxial excitation) may lead to erroneous dynamic predictions. Exploiting the sensitivity  of  the  phase  angle  between  the  rotation  and  transverse  base  excitation may  also  enable structural control without changing the  loading amplitudes. The experimental results presented  in this paper  are  the  first  to  identify  the  qualitative  and  quantitative  differences  between  three  types  of nonlinear  harmonic  excitations  of  a  cantilever  beam  structure:  transverse  base  excitation,  rotational flexural  base  excitation,  and  combined  rotation  and  transverse with  varying  phase  differences.  This novel set of experimentation has been possible because of the 6‐DoF shaker.  THE DERIVATION OF MULTIPLE‐INPUT‐MULTIPLE OUTPUT  (MIMO) ACOUSTIC  TEST  SPECIFICATIONS  TO  SIMULATE  A 

MISSILE FLIGHT Mr. Jerome Cap, Sandia National Laboratories Ms. Shantisa Norman, Sandia National Laboratories Mr. David Smallwood, Consultant  System  level  acoustic  tests  are  often  performed  to  simulate  the  environments  associated  with  the powered flight phase of a missile flight.  The traditional approach is to generate a uniform acoustic field around the structure.  Sandia recently participated in a unique test series for which we derived the input Spectral Density Matrix for a 12 source acoustic system to simulate flight data measured on 12 internal accelerometers  for  three unique phases of  flight: 1)  lift‐off, 2)  transonic,  and 3)  resonant burn.    The paper will discuss the challenges associated with deriving a stable set of inputs for a MIMO acoustic test and show how well the flight responses were reproduced.  THE EFFECTS OF VIBRATION ON MEASUREMENT MICROPHONES Mr. Robert K. O'Neil, GRAS Sound and Vibration  When measurement microphones are exposed  to high  levels of  vibrations or mechanical  shocks,  the influence may vary from small signal degradations, to permanent changes  in sensitivity and frequency 

 

AB‐17 

response  or  permanent  mechanical  destruction  of  the  microphone.  The  effects  on  measurement microphones  from  the  different  excitations will  be  determined  by  the  type  and  size  of  the  specific microphone but also from the choice of materials, mechanical processing grades and assembly method selected.  In  some  cases, mainly  for  free  field  type measurements,  it  is possible  to mount  the microphone and preamplifier combination in vibration insulating supports and this may effectively dampen the vibrations reaching the microphone. In many other situations, especially in dynamic pressure type measurements, the microphone needs to be firmly mounted on a test structure. This may range from aircrafts, vehicles, ship structures and other large, vibrating machinery.  THE USE OF QUATERNIONS TO COMPENSATE FOR GEOMETRIC DISTORTION IN DYNAMIC SEISMIC AND SATELLITE TESTING   Dr. Marcos Underwood, Tutuli Enterprises    Seismic testing waveforms sometimes require significant rotations in the reference waveforms that are used for the tests. When this motion occurs, the control transducers that are mounted on the surface of the  tables  and  that  are used  for  this  type of  testing, will no  longer point  in  the world  (non moving) coordinate system as the table rotates.  Because of  this, X, Y, Z  control  and  auxiliary  accelerometers used during  a MIMO  vibration  test may produce outputs, which contain the effects of significant geometric distortion and thus will not produce acceleration measurements  that are aligned with  the  fixed world coordinates, but rather will produce measurements that are aligned with the moving body coordinates of the table.  If, perhaps because of insufficient actuation resources, unwanted rotations are not being suppressed, a Time‐Dependent  Input/Output  Transformation  capability may  be  needed.  (This may  be  particularly important when Horizontally testing satellites with a high Center of Gravity, which can be prone to large over‐turning  moments.)  Although  MIMO  Control  Systems  function  by  formulating  and  solving  the system Spectral Density Matrix  in real‐time, geometric distortion presents additional complexity  to an already  demanding  control  situation.  Thus,  since  the  representation  of  rotations  by Quaternions  are more  compact,  accurate  and  efficient  to  computationally  compensate  for  the  effects  of  geometric distortion  than  with  the  use  of  rotation matrices,  they  have  found  a  unique  and  highly  successful application in multi‐degree‐of‐freedom control systems as described by this paper.  

DEDICATED SESSION: EXPERIMENTAL TESTING METHODS AND INSTRUMENTATION IN HIGH‐G ENVIRONMENTS 

 USING MULTIPLE G‐SWITCHES FOR TARGET DETECTION Dr. Jeff Hill, Sandia National Laboratories  No abstract provided.  MECHANICAL SURVIVABILITY OF EMBEDDED MASS IN QUASI‐STATIC AND DYNAMIC HIGH‐PRESSURE ENVIRONMENT  Lt Josh Campbell, US Air Force, Dr. Jacob Dodson, AFRL, Dr. Janet Wolfson, AFRL  Understanding  the mechanical  response of  fuze components  in weapon  systems  is critical  to ongoing research, and provides  insight  into the dynamics experienced within high‐pressure environments.   The dynamic movement  of  the  fill  inside  the warhead  can  generate  large  internal  forces  and  pressures 

 

AB‐18 

leading to complex fuzing environments.   For the future applications, the  impact of static and dynamic pressure loading on the mechanical integrity of the fuze housing is critical.  While computational models give some  insight about the dynamic pressure response  inside the explosive fill, there are currently no experimental methods that produce validation data for a high‐pressure dynamic event.  In  order  to  initially  determine mechanical  survivability  of  an  embedded mass  due  to  high  dynamic pressure inside an embedded environment, AFRL/RW designed a quasi‐static high‐pressure experiment. This method utilizes a pressure chamber filled with an inert explosive simulant containing an embedded component. An industrial press is used to incrementally load the simulant up to 40,000 psi. Test design primarily  focuses on  resulting base pressure  in  the  fixture and  internal strain data. Next,  the dynamic high‐pressure event will be replicated. In upcoming tests, a large chamber air gun will shoot a projectile to  impact a  similar  test  fixture. This  test will effectively  simulate  the dynamic  impulse  that  is present during an actual penetration event. The  final goal  is provide validation data  to computational models and  augment our understanding of  the  survivability  envelope  for  current  and  future  embedded  fuze components.  This presentation will discuss  the  current  status,  including  inert  fill measurements,  and future work on developing the dynamic pressure testing method.  EXPERIMENTAL EVALUATION OF ADDITIVELY MANUFACTURED SUPPORTS UNDER HIGH‐G LOADS Dr. Ryan Lowe, Applied Research Associates  No abstract provided.  MEASURING EMBEDDED DYNAMIC PRESSURE: DESIGN, CHARACTERIZATION AND IMPLEMENTATION Dr. Alain Beliveau, Applied Research Associates, Inc Mr. Jonathan Hong, Applied Research Associates, Inc. Lt. Hayley Chow, AFRL Dr. Jacob Dodson, AFRL  AFRL Munitions  Directorate  research  activities  in  fuze  embedded  in  fill material  includes  efforts  in measuring the dynamic pressure in the fill during an impact. Both high deceleration level (thousands of Gs) and  large pressure  (ten thousands of psi) can be present at  the same time. This presentation  first reports  laboratory measurement  of  the  performance  of  various  acceleration  compensated  pressure gages under impact conditions. Results from reverse ballistic impact and sub‐scale cannon tests will also be discussed.   

ADVANCED DATA ANALYSIS IN VIBRATION 

 THE SOLUTION TO RANDOM OVER‐TESTING Mr. Philip Van Baren, Vibration Research Mr. Joel Minderhoud, Vibration Research Mr. Jacob Maatman, Vibration Research 

 Random vibration control systems produce a PSD plot by averaging FFTs. Modern controllers can set the DOF, or number of frames  involved  in the averaged PSD signal. The PSD  is a way to present a random signal—which by nature “bounces” about the mean, at times making high excursions from the mean—in a format that makes it easy to determine the validity of a test. This process takes time as many frames of data are collected  in order to generate the PSD and a test can appear to be out of tolerance until the 

 

AB‐19 

controller has enough data. Something is awry with a PSD that achieves total  in‐tolerance immediately after starting or during level changes, and this can create dangerous over or under test conditions within specific  frequency  bands  and  should  be  avoided.  This  paper  intends  to  treat  some  of  the  inherent properties  of  the  PSD  and  some  faulty  PSD  methods  that  attempt  to  circumvent  these  inherent properties.   EMPLOYING MONTE CARLO TECHNIQUES TO EXPLORE THE SPECTRAL DENSITY MATRIX SOLUTION SPACE Dr. Luke A. Martin, NSWC Dahlgren Mr. Shawn Schneider, NSWC Dahlgren 

 Multiple exciter vibration testing has been addressed by MIL‐STD‐810 since 2008 with the  inclusion of Method 527, “Multi‐Exciter Testing”.   This method begins the dialog and documentation of the added complexities associated with multiple degree of freedom testing (MDOF) when compared to traditional single degree of freedom (SDOF) testing.  One added complexity in MDOF testing is the requirement to define a spectral density matrix (SDM).    This presentation will  review  required mathematical properties of an SDM  to  insure  the SDM  can be implemented  in a  laboratory test.   Developing SDMs  from measured  field data will be reviewed along with Monte Carlo techniques for finding the suitable solution space from the measured field data.    NATURAL FREQUENCIES OF LAYERED BEAMS USING A CONTINUOUS VARIATION MODEL Dr. Arnaldo J. Mazzei, Jr, Kettering University Mr. Richard A. Scott, University of Michigan  This work  involves  the determination of  the bending natural  frequencies of beams whose properties vary along the  length. Of  interest are beams with different materials and varying cross‐sections, which are  layered  in cells.These can be uniform or not,  leading  to a configuration of stacked cells of distinct materials and size. Here the focus is on cases with two, or three cells, and shape variations that include smooth  (tapering)  and  sudden  (blocktype)  change  in  cross‐sectional  area.  Euler‐Bernoulli  theory  is employed.The  variations  are  modeled  using  approximations  to  unit  step  functions,  here  logistic functions.  The  approach  leads  to  a  single  differential  equation  with  variable  coefficients.  A  forced motion strategy is employed in which resonances are monitored to determine the natural frequencies. Forcing  frequencies  are  changed  until  large motions  and  sign  changes  are  observed.  Solutions  are obtained using MAPLER's differential equation solvers. The overall strategy avoids the cumbersome and lengthy Transfer Matrix method.Pin‐pin and clamp‐clamp boundary conditions are treated. Accuracy  is partially  assessed using  a Rayleigh‐Ritz method  and,  for  completeness,  FEM.Results  indicate  that  the forced motion approach works well for a two‐cell beam, three‐cell beam and a beam with a sinusoidal profile. For example,  in the case of a uniform two‐cell beam, with pin‐pin boundary conditions, results differ less than 1%.         

 

AB‐20 

TACTICAL TRANSPORTATION VIBRATION CHARACTERIZATION AND COMPARISON TO MIL‐STD‐810G Mr. Galit Kipervaser‐Levit, RAFAEL Mr. R. Moshe, RAFAEL Mr. I. Sofer, RAFAEL Mr. L. Klebanov, RAFAEL Mr. Arie Elka, RAFAEL Mr. Zeev Sherf, Consultant  The  paper  describes  the  analysis  of  the  vibration  regime  on  a  launcher  truck.  It was  noted  that  the vibrations  do  not  resemble  the  levels  of  the MIL‐STD  810  guide  lines.  The measured  levels  at  the system's first natural frequency were close to, and at some measurement points, higher than the MIL‐STD810G levels.  The measured  levels vary with driving  speed,  road  type,  loading configurations  (fully/ partially  loaded launcher),  launcher model  and Missile  in Canister  (MIC)  configuration  (dummy,  inert or operational). The overall GRMS increases with speed for all measurement directions.  For similar driving speeds, the GRMS levels are higher on gravel road and at the lower canister loading point. The highest GRMS levels were observed in the transverse direction, contrary to the guidelines and the common understanding of transportation induced vibrations.   Additional measurements were performed on a modified launcher truck; the improvements to the truck resulted in lower GRMS vibration levels, roughly about an order of magnitude in the transverse direction and about 50% in the vertical direction. Different loading configurations of the canisters resulted also in different  vibration  levels.  Regression models  of  the  overall  GRMS were  generated  as  a  function  of driving speed and road type. The regression models served in the definition of the overall GRMS input, for laboratory life cycle simulation conditions.   Kurtosis  time‐histories were  calculated  from  the measured  time‐history.  From  the  kurtosis  statistical analysis it was learned that about 40% of the time, the kurtosis levels were below 2, for about 55% the levels were between 2 and 4, and for the remaining time, kurtosis levels of up to 7 were observed. The kurtosis analysis results indicate only a mild "spiky" behavior of the time‐history.   Following the measured data analysis which showed that the data was almost stationary, functional and endurance testing conditions were defined. For the purpose of generating a vibration testing spectrum, a mean+3σ PSD vibration program that covers 99.7% of the population, was generated. Planning of the system's accelerated life simulation was based on the Miner‐Palmgren hypothesis.  The presentation starts with a short introduction, followed by a description of the measurement setup. Next  the  analysis  results  are  presented  and  discussed  followed  by  the  generation  of  the  simulation program. Several summarizing remarks conclude the presentation.        

 

AB‐21 

RESPONSE TO DETONATIONS/ANALYSIS OF DETONATIONS 

 DEVELOPMENT OF A SCALABLE/SELECTABLE WALL BREACHING MUNITION Mr. Timothy Shelton, US Army Corps of Engineers – ERDC Dr. John Ehrgott, US Army Corps of Engineers ‐ ERDC Mr. Andrew Woetzerl, ARDEC ‐ Picatinny Arsenal  After completion of the Military Operations in Urban Terrain Army Technical Objective (MOUT ATO), the focus of the U.S. Army’s wall breaching effort was directed toward developing an  inert system capable of providing scalable or selectable charges to produce man‐sized breaches in the entire array of MOUT targets and missions. Utilizing the findings of the previous MOUT ATO research and development effort, the  focus  of  the  continued  research was  to  provide  a  single,  lightweight,  packable,  inert  breaching system  that  could  be  tailored  for  particular  targets  or missions  in within  the  entire  array  of MOUT targets using readily available demolition explosives.   Specifically, the objective of the research was to provide  a man portable, one‐time on  target munition  that produces man‐sized breaches  in  common MOUT targets, while minimizing both the safe standoff distance and collateral damage by optimizing the explosive mass and  configuration necessary  for each wall  type. The development of  the  scalable and selectable wall breacher will allow  for  implementation of  the  inert breaching system  into any existing Army breaching kit for use in a variety of situations and potential theatres.  The results of the research executed during this program will be presented.    ANALYSIS OF BLAST OVERPRESSURE FROM AMMUNITION COMPARTMENT EVENTS Mr. James Eridon, General Dynamics Land Systems  Ammunition  compartments are  significant  sources of  risk  to occupants of combat vehicles. The Army Research  Laboratory  recently  published  results  of  a  number  of  experiments  using  simulated  30mm ammunition  in  a  heavily  instrumented,  re‐usable  blast  compartment,  estimating  the  amount  of propellant that reacts promptly as a result of overmatching attack. The results of this work  include an analysis that relies on a model of pressure generated during propellant reaction which is appropriate for internal ballistics (in a gun breech). Recognizing that a compartment environment differs greatly from a gun breech, we have re‐analyzed the test data produced by ARL using a compartment reaction model, and found that it significantly affects the results of the previous work. In particular, the estimates of the amount  of  propellant  reacting  in  each  event  are  greatly  reduced.  In  addition,  the work  indicates  a potential mechanism  to  reduce  the  threat posed by an overmatching event,  thereby  increasing  crew survivability in a compartmented vehicle.  ANALYSIS OF CRATERS FROM LARGE BURIED CHARGES Mr. James Eridon, General Dynamics Land Systems Mr. Tom Zeleznik, General Dynamics Land Systems Mr. Matt Miiller, General Dynamics Land Systems  This paper presents the results of a series of controlled tests conducted with large explosive charges in which a number of threat parameters were systematically varied. After each test, careful measurements were  made  of  the  crater  dimensions.  A  statistical  analysis  was  conducted  in  order  to  relate  the measured crater dimensions to the threat characteristics. The test plan examined the effects of charge size, soil type, shape of the charge, and burial depth. The results of the analysis showed that all of the threat parameters had a significant effect on  the most commonly measured dimension,  the crater  lip diameter. Analysis  of  the  data  shows  that  any model which  attempts  to  estimate  charge  size  based 

 

AB‐22 

solely on crater measurements will necessarily have  large predictive errors, on the order of a factor of two or more.  A LAGRANGIAN PARTICLE FORMULATION FOR MODELING FRAGMENTATION PROCESSES Mr. Youcai Wu, Karagozian& Case Mr. Joseph M Magallanes, Karagozian& Case Mr. Hyung‐Jin Choi, Karagozian& Case 

 A particle formulation is developed for the analysis of fragmentation processes.  The formulation [1, 2] couples the finite element (FE) and reproducing kernel (RK) formulation dynamically.  It starts with the more  computationally  efficient  FE  formulation  and  converts  the  more  computationally  robust  RK formulation when certain triggering criteria are satisfied.  The weak form of the coupled approximation is  integrated uniquely by  the stabilized conforming nodal  integration  technique  (SCNI)  [3, 4] and  thus termed  as  “particle  formulation”.    The  SCNI  not  only  assures  the  efficiency  but  also maintains  the accuracy during the conversion since state variable transition from a Gauss point (which is usually used in  the  standard FE method)  to a node  in  the particle  formulation  is avoided.   State variables  such as material damage or  effective plastic  strain  can be  employed  as  the  triggering  criteria  so  that  the RK approximation is only applied in the highly distorted / cracked regions (i.e., ones exhibiting high damage or effective plastic  strain).   By doing  so,  such a  coupled  formulation  takes advantage of  the benefits afforded by both the FE and RK formulations while minimizes the disadvantages of each.  Moreover, the particulate  nature  of  particle  methods  preserved  by  the  SCNI  is  ideal  for  analyzing  fragmentation processes where  large degree of material damage and separation occurred, which are very difficult for FE method.  The debris evolution, which is of great interest in many impact penetration analyses, can be captured naturally by the particle formulation.  Examples including fragmentation of concrete structures and  steel materials  are  examined  using  the  Lagrangian  form  of  proposed  particle  formulation  and excellent correlation with experimental observations is obtained.  SIMULATION OF EXPERIMENTS WHICH SHOW THAT REFLECTION PRESSURE TIME HISTORY FROM GROUND SHOCK DEPENDS 

ON THE REFLECTED STRUCTURE'S STIFFNESS AND MASS Mr. Leo Laine, LL Engineering AB Mr. Morgan Johansson, ReinertsenSverige AB Mr. Ola Pramm Larsen, CAEwiz Consulting  This paper simulates by using Autodyn, experiments from 1980s conducted by S. Hultgren FORTV where Hultgren studied the structural response of a well‐defined structure, a suspended piston‐spring system buried  in sand subjected  for ground shock  from an explosive charge. The experiments showed  that  if one  increases  the  suspended  mass  of  the  piston,  initial  reflected  pressure  increases.  Similarly  the experiments  showed  that  if  the  stiffness of  the  suspended piston  is  increased  the  reflected pressure time history increases for the latter part of the reflected pressure curve. The aim of the simulations is to find simple analytical relationships for conducting structural response from ground shock  if the ground shock is predicted by simplified relationships such as Conwep and if the protective structure's effective mass and effective stiffness is known, for example a buried concrete wall.      The  sand  is modelled with an Equation of  State  (EOS) designed  for porous  soils was  implemented  in Autodyn. The major benefit with earlier implementations is that the unloading wave speed can easily be made  both  density  and  pressure  dependent.  The  modification  results  in  a  more  accurate  way  to calculate  the  shock wave propagation and attenuation  in dry  sand  compared  to  the Compaction EOS 

 

AB‐23 

found in the standard library. Previously, only an elastic unloading was available in the Compaction EOS in Autodyn by  specifying  the elastic bulk  sound  speed as a  function of density. Currently, a nonlinear modification is available which relates the slope to a user defined bulk module as a function of density. However, neither of these options captures properly the nonlinear behaviour seen  in tri‐axial test data during  unloading  and  how  the  unloading  curve  shape  varies with  both  density  and  pressure. Nor  is attenuation of the shock wave large enough for scaled distances above 1 m/kg1/3 The implementation presented in L. Laine and O. Larsen(2012) SAVIAC uses two main equations to define the unloading wave speed  in  the whole density and pressure  space. The  input data of  the model has been made  flexible which allows fitting to tri‐axial soil stress tests.   

DEDICATED SESSION: THE NAVY ENERGETIC MODELING ORACLE (NEMO) 

 INTRODUCING THE NAVY ENERGETIC MODELING ORACLE (NEMO) Dr. E. Thomas Moyer, NSWC/Carderock Division  No abstract provided.  SIERRA MECHANICS & ITS CRITICAL CONTRIBUTIONS TO NESM Dr. Garth Reese, Sandia National Laboratories Dr. Kendall Pierson, Sandia National Laboratories  

A coupled fluid‐structure application depends upon high performance capabilities in the fluid solver, the structural application and the coupler. Key structural applications capabilities include fundamental tools for modeling complex ship or other structures, managing linear and nonlinear elastic responses, scalable parallel performance and highly accurate solutions.  In addition, capabilities  for structural damage and fragmentation, eigen analysis, frequency response and structural acoustics are necessary for predictive response to a variety of environments.  Effective management of constraints and/or contact is essential. For  integration  into  a  package  like  NESM,  the  structural  application must  be  readily modified  and customized  while  retaining  all  the  software  quality  engineering  (SQE)  capabilities  of  a  production application.  The DOE  Sierra Mechanics  application  addresses  these  requirements by  integrating  solid mechanics and structural dynamics modules. Agile SQE practices provide the engineering framework for development. These practices also position  the application  for  transition  to next generation hardware which will require complex communication patterns.  Accurate  coupling  to  fluid  applications  requires  a  somewhat  intrusive API.  Each  application must  be capable  of  accurate  solutions,  controlled  advancement  of  an  iterative  multiphysics  step (projector/corrector),  and  parallel  communication  of  data  to/from  the  fluid  domain.  Relevant convergence  metrics  must  be  provided.  An  important  element  of  the  implementation  is  the development of adequate unit, integration and system level tests to verify conformance at all levels. The Sierra Mechanics application builds upon related couplings in shock physics, acoustics, and fluid flow to address these requirements with NEMO.  NEMO PARALLEL CODE COMMUNICATION & THE NAVY STANDARD COUPLER (NSC) Dr. Badri Hiriyur, Weidlinger Associates, Inc.  NEMO  is  a CFD  code under development  at NSWC Carderock Division  and  is  focused on providing  a modern platform for underwater fluid‐structure coupled shock analyses. It specifically aims to provide a 

 

AB‐24 

platform for convenient and rapid prototyping of new and candidate algorithms that can enhance Navy capabilities  while  assessing  their  robustness  and  their  readiness  for  production‐level    analyses. We discuss the code architecture of NEMO which is designed for massively parallel scalability leveraging the architectures of  the  latest high‐performance  computing platforms  at  the Department of Defense.  To solve Fluid‐Structure interaction problems, NEMO couples with the Sandia National Laboratories' Sierra Mechanics  suite  (Sierra/SM  and  Sierra/SD)  via  a  new MPI‐based  code‐coupling  interface  called  NSC (Nemo‐Sierra‐Coupler). The NSC API  is a  flexible  framework which allows  for parallel‐fluid  to parallel‐structure communication of data‐intensive messages between  the  fluid and  structure codes. The NSC API architecture  is built  to enable a  flexible and extensible environment  for  investigation of  coupling schemes of different orders of accuracy.  APPROACH TO FLUID‐STRUCTURE INTERACTIONS WITHIN A FIXED EULERIAN CFD GRID Mr. Paul Hassig, Weidlinger Associates, Inc. Dr. Badri Hiriyur, Weidlinger Associates, Inc.  Key to simulating Fluid‐Structure Interactions when coupling CFD and CSD codes is the treatment at the Fluid‐Structure interface.  The approach in NEMO is to model moving CSD surfaces as embedded within a  fixed Eulerian CFD grid.   F‐S grid  intersections are used  to  identify a surrogate surface on which FSI calculations are performed.  Specifically, the local FSI problem at each CFD grid intersection is treated in one  of  three  directional  components,  producing  a  1‐D  F‐S  Riemann  problem  in  that  direction.    The solution  to  these  individual 1‐D F‐S Riemann problems serve as  local  internal boundary conditions  for the 1‐D Euler equations solved during each directional pass though the CFD grid; solution pressures are passed  to  the CSD  code.   Depending on  the  fluid EOS,  solutions  to  this F‐S Riemann problem  can be obtained  analytically,  iteratively, or by more  efficient  approximate methods.  This  approach  is one of several second‐order accurate coupling schemes developed by Farhat et al.  [1] during  the course of a recently completed ONR Future Naval Capabilities program targeting the implosion phenomenology.  VERIFICATION & VALIDATION OF NEMO Mr. Jonathan Stergiou, NSWCCD Mr. Michael Miraglia, NSWCCD  No abstract provided.  

AIRBLAST TESTING AND M&S OF SYSTEMS 

 EXPERIMENTAL  SERIES  TO  EVALUATE  THE  PERFORMANCE  OF  THE MODULAR  PROTECTIVE  SYSTEM  (MPS)  AGAINST AIRBLAST LOADING Mr. Bradford Steed, US Army ERDC Mr. Matthew S. Holmer, US Army ERDC Mr. Donald Nelson, US Army ERDC Mr. Omar Esquilin‐Mangual, US Army ERDC Mr. Billy Bullock, US Army ERDC  U.S. forces conducting military operations in remote areas characterized by complex terrain require low logistics, reusable, rapidly‐deployable passive force protection technologies for expedient establishment of perimeter security at extra‐small base camps. The Modular Protective System (MPS) developed by the U.S.  Army  Engineer  Research  and  Development  Center  (ERDC)  provides  the  warfighter  with  a technology‐based  solution  for  rapidly‐deployable  and  reusable  physical  protection.  The MPS  can  be 

 

AB‐25 

configured to provide scalable levels of protection for many critical assets, and its performance has been validated  for  protection  against  small  arms, mortars,  rockets,  and  airblast  loadings  from  personnel‐borne  improvised explosive devices (PBIEDs). An objective of recent research has been to evaluate the performance  of  the  MPS  as  a  perimeter  wall  system  against  airblast  loadings  from  vehicle‐borne improvised explosive devices  (VBIEDs). VBIEDs  are  a  significant  threat  to U.S.  and Coalition  forces  as terrorists often use them to weaken or breach protective perimeter defense measures at the onset of complex  attacks. A  series  of  open‐air  arena  experiments were  designed  and  executed  to  investigate structural response and performance of the MPS when subjected to airblast loadings resulting from the detonation of explosive charges representative of small VBIEDs threats. The results of these experiments will be presented in this paper.   DEVELOPMENT  AND  EXPERIMENTAL  EVALUATION  OF  THE  MODULAR  PROTECTIVE  SYSTEM  (MPS)  MULTI‐PURPOSE GUARD TOWER Mr. Matthew Holmer, US Army ERDC Mr. Bradford Steed, US Army ERDC Mr. Micael C. Edwards, US Army ERDC Mr. Patrick Kieffer, US Army ERDC  U.S. military operations  in recent conflicts have highlighted the need  for  innovative,  light‐weight,  low‐logistics,  rapidly‐deployable,  and  reusable  force  protection  technologies  that  are  suited  for  use  in remote,  austere  combat  environments.  The  US  Army  Engineer  Research  and  Development  Center (ERDC) has developed  the Modular  Protective  System  (MPS) Multipurpose Guard  Tower  system  that provides  the  Army  with  a  novel  expeditionary,  logistically‐optimized  force  protection  capability  for rapidly  establishing  perimeter  security  and  entry  control.  An  extensive  experimental  program  was executed  to  develop  and  optimize  this  system  to  meet  protection,  logistical,  and  functional requirements. This paper will discuss the results of several weapons effects experiments performed to evaluate  and  validate  the  performance  of  the MPS Multipurpose Guard  Tower  System  against  small arms, mortars, rockets, and vehicle‐borne improvised explosive devices (VBIEDs).   

MODELING FOR STRUCTURAL RESPONSE 

 THE ROLE OF GEOMETRIC IMPERFECTIONS ON QUASI‐STATIC AXIAL CRUSHING OF BISECTED HONEYCOMB STRUCTURES Mr. Morris Berman, US Army Research Lab  A bisected hexagonal honeycomb structure  is modeled  in  the explicit  formulation  finite element code LS‐Dyna. The  simulation models  the dynamic  compressive  loading of  the honeycomb  structure.   Fully integrated  shell elements are used  to model  the AlcoreHigrid honeycomb  structure.   Delamination of the foil  layers during  large deformation  is simulated using tie‐break  interfaces between the foil  layers.  Further,  geometric  imperfections  were  imposed  throughout  the  structure.    The  distribution  and magnitude of the imperfections are defined by a combination of stochastic and deterministic processes.  To assess  the  fidelity of  the  simulation,  the honeycomb  structure was dynamically  loaded  in  its axial direction  (parallel  to  the  axis  of  the  hexagonal  cells).  Corresponding  quasi‐static  compression experiments were also performed to validate the modeling results.        

 

AB‐26 

STEADY STATE RESPONSE OF PIPES WITH VARIOUS END SUPPORTS AND GEOMETRIC IMPERFECTIONS Dr. Rudolph J. Scavuzzo, Consultant Mr. Domenic A. Urzillo, NSWCCD Philadelphia, 6690 

 At the 84th Symposium, a paper was presented to explain why pipes subject to vertical shock would first vibrate  in  the  vertical direction  from  a  vertical  shock  and  then  change  to horizontal motion.    It was found that the small imperfections in the pipe geometry or various end supports cause beating between vertical and horizontal modes of pipe vibration.  In this paper, this work has been extended to examine the steady state response of piping under the same conditions. 

 First a cantilever pipe is excited at its base with a perfect geometry and then with a pipe where the pipe is not perfect.  The frequency of the steady state excitation is examined at two frequencies: one below the  first  mode  frequency,  one  at  the  first  mode  frequency,  Secondly,  a  simply  supported  pipe  is examined where both ends have the same vertical excitation and both the effect of  the end supports and pipe geometry  is also examined at two different  frequencies. Pipe damping  is assumed to be 5%. Also, a random input is applied to the supported pipe and the response is examined. 

 Results indicate that the effect of pipe geometry do not cause any significant out of plane motion from steady state vibration input to the cantilever pipe which is very different from that of a shock transient.  However, misaligned  supports  can  cause  the  pipe  to  vibrate  is  a whirling motion when  the  forcing frequency is near a resonate frequency of the pipe.  SIMPLIFIED MODEL GENERATION FOR EXODUS II Mr. Matthew King, Altair Engineering  Many companies that perform shock and vibration analysis use government and open‐source tools and solvers to perform finite element analysis (FEA). Among these tools are the common Exodus II data file (to define geometry) and the Sierra Mechanics code suite (developed by Sandia National Laboratories). The concept of Exodus  II  is to have a common database for multiple solver codes rather than a solver code specific format. Sierra Mechanics includes simulation capabilities for thermal, fluid, aerodynamics, solid mechanics, and structural dynamics. One of the challenges analysts face with using Exodus  II and Sierra  solvers  is  the  narrow  options  for  model  generation  (mesh,  material,  property,  boundary conditions, and other solver‐specific parameters).   Altair HyperMesh is a commercial, high‐performance finite element pre‐processor that prepares models starting  from  the  import  of  CAD  geometry  to  exporting  a  solver  run  for  various  disciplines/solvers. Fundamental to HyperMesh are its open architecture and ability for customization.    Within HyperMesh’s open architecture, users can build interfaces to any FEA format including Exodus II and Sierra solvers. This enables the powerful and efficient capabilities of HyperMesh to be applied when building Exodus II and Sierra models. These capabilities include high‐quality meshing in the shortest time possible, regardless of model size, a complete set of geometry‐editing tools to prepare CAD for meshing, conversion  to/from  commonly used  FEA  formats, and  features  that enable  rapid design  changes and optimization.  This presentation details the current interface and benefits of the new HyperMesh v14.0 Exodus II user profile. Additionally, plans for support to the Sierra solver formats will be discussed. The result is a vastly improved process for building models in the Exodus II and Sierra formats. 

 

AB‐27 

ACOUSTIC AND VIBRATION ENVIRONMENTS: CHARACTERIZATION AND ANALYSIS 

 PERFORMANCE EVALUATION OF FLOW INDUCED NOISE MODELS FOR A CYLINDER IN AXIAL FLOW Dr. Krishna Kumar, Defence Research & Development Organization Dr. Bhujanga Rao, Defence Research & Development Organization  Self‐noise of  a  towed  array  sonar  increases with  an  increase  in  the  towing  speed  due  to  Turbulent Boundary Layer (TBL) induced pressure fluctuations and limits the sonar performance.  Further, as the flow  induced  noise  increases  as  a  fifth  power  of  speed,  its  significance  as  a  design  parameter  is increasing as the demand for higher towing speeds is on the rise.  For example, a reduction of 6 dB in self‐noise  level will double the detection range under the same conditions.   Therefore, characterizing the flow noise generating mechanisms and finding ways to mitigate it at the design stage itself is very important for an improved sonar performance.  Hence, an accurate estimation of probable flow noise signature on  a  towed body will  aid  in  formulating design  strategy.    Keeping  this  in  view,  the paper evaluates  the performance of  various  existing  TBL  induced  flow noise models with  aim  to  identify  a suitable model for the underwater applications.   The authors have used published data of Arakeri and Mani  (1990)  to  verify  the model’s performance.   Arakeri  and Mani  have measured  surface pressure fluctuation  levels at a water  tunnel  test  facility of  Institute of Science, Bangalore, using standard B&K transducer flush mounted on a cylinder in axial flow.  Surface pressure fluctuation levels were measured at three different free stream velocities viz., 3.3 m/sec, 4.2 m/sec and 5.2 m/sec.  Although, Arakeri and Mani  have  compared  measured  data  with  the  theoretically  computed  data  using  Ko’s  model, subsequent to their work several models were developed. Taking note of this fact, the newly developed models such as Chase‐Howe, Smol’yakovand Goody were verified for their performance.    THE DERIVATION OF APPROPRIATE LABORATORY VIBRATION TEST DURATIONS AND NUMBER OF SHOCK HITS FROM NON 

STATIONARY FIELD TEST DATA Mr. Jerome Cap, Sandia National Laboratories Ms. Melissa C' de Baca, Sandia National Laboratories  It  is often necessary  to qualify systems  to shock and vibration  field environments  that vary with  time (i.e., non‐stationary).  The techniques used to define the magnitude of the test specification tend to be based  on  an  estimate  of  the  Maximum  Predicted  Environment  (e.g.,  maxi‐max  envelop,  statistical model, etc.).  However, given this definition of the test levels, when the field environment is both long in duration  and  non‐stationary,  it  is  clearly  neither  appropriate  nor  practical  to  set  the  duration  of  a laboratory  vibration  test  or  the  number  of  hits  for  a  laboratory  shock  test  equal  to  the  anticipated durations  and  hits  for  the  total  service  life.    The  purpose  of  this  paper  is  to  present  an  approach implemented  at  Sandia  to  define  the  appropriate  vibration  test  durations  and  number  of  shock  hits associated with the P99/90 Maximum Predicted Environment  laboratory test  levels using a power  law fatigue model to generate the same amount of damage that was observed during a 1000 mile road test.  ANALYSIS  OF  THE  VIBRATION  MEASURED  DURING  EXPOSURE  OF  A  LAUNCHER  TO  AN  IN‐LABORATORY  SIMULATED 

DYNAMIC REGIME AT THE REAR OF A FAST BOAT Mr. Zeev Sherf, RAFAEL Environmental Engineering Center Dr. Arie Elka, RAFAEL Environmental Engineering Center Mr. Philip Hopstone, RAFAEL Environmental Engineering Center  A  launcher was tested  in the  laboratory to evaluate  its capability to withstand the vibratory regime to which it is exposed while mounted on a fast boat. Spectral signatures (PSDs and Transfer Functions) as 

 

AB‐28 

well as characteristic vibro–acoustic indexes were calculated and compared graphically and numerically for vibration measured prior to, and after 10 hours of vibration testing of the  launcher. The numerical results were presented  in  tables,  in absolute and dB  format.  In general no significant deviations were identified between the initial and final stages of the test. A deviation in absolute terms less than 20 % or relative  terms  less  than 1 dB, was established as a pass criterion. A particular  location was  identified with  a majority occurrence of deviations.  The methodology  applied  in  the work  is promising. At  this stage, data that relate failures to values of the vibro‐acoustic indexes are lacking. A more efficient use of these  indexes requires a study of the relation between their values and a failure condition, or  in other words a controlled study of induced failures, while evaluating the appropriate values of the indexes. The most conventional method is by comparing PSD or Transfer Functions. This comparison is inefficient for the cases in which the deviations are not prominent, the spectral content is complex, and when data are measured  at many  locations.  Comparison  of  the  PSDs  and  Transfer  Function  requires  a  comparison between  all  the  spectral  lines,  while  application  of  the  vibratory  indexes method  concentrates  the differences  in  a  single  number,  making  the  comparison  more  efficient,  more  elegant  and  less cumbersome.  The  data  accumulated  prior  to  and  after  the  10  hour  test  were  stationary.  The methodology can be applied for non‐stationary data also, as was the case with the measurements at 5 different  periods  during  narrow‐band  on wide‐band  sweeps,  to which  the  system was  exposed.  The methodology was applied only for a single measurement location, for which an interesting, unexpected behavior  was  observed,  namely  that  prominent  deviations  from  the  initial  values  can  be  observed toward  the middle of  testing, while  toward  the end  the changes disappear and  the  indexes  return  to their  initial  values.  It  is worthwhile  to  pursue  a  study  of  the  vibratory  indexes  behavior  under  non‐stationary  loading conditions, stressing methods  for discerning between changes as result of  the non‐stationarity  and  changes  due  to  the  structural  behavior.  Finally,  a  new method  for  identification  of structural  changes  during  vibration  tests  was  applied.  This  is  a  promising  method,  worthwhile  of improvement and future use.  VIBRATIONS  AT  AN  AFT  LOCATION  ON  A  LARGE  BOAT‐  ANALYSIS  AND  GENERATION  OF  A  LABORATORY  SIMULATION 

REGIME Mr. Zeev Sherf, RAFAEL Environmental Engineering Center Dr. Arie Elka, RAFAEL Environmental Engineering Center  Mr. Philip Hopstone, RAFAEL Environmental Engineering Center Mr. L. Klebanov, RAFAEL Environmental Engineering Center  This paper describes the analysis of vibrations at an aft  location on a  large boat.  It was noted that the vibrations are composed of combined narrow and wide‐band. The central frequency of the narrow band and the PSD level at this frequency vary with sailing speed. The overall GRMS increases with speed for all measurement directions. The GRMS increases with the angle to the waves for the longitudinal direction and  decreases  for  the  transverse  and  vertical  directions.  Two  different  sea  levels  do  not  induce significant  differences  in  the  vibration  levels.  Regression models  of  the  overall GRMS  of  the  central frequencies, of  the narrow bands and  the PSDs at  those  frequencies were generated as a  function of sailing  speed.  Also  regression  models  were  created  of  the  GRMS  vs  the  angle  to  the  waves.  The regression models served in the definition of the overall GRMS, central frequencies and PSD levels at the narrow  bands  that  were  used  in  the  definition  of  laboratory  simulation  conditions.  Functional  and endurance  testing  conditions were  defined.  Two methods were  applied  to  establish  the  endurance testing duration, one that made use of energy considerations and one that made use of a GRMS damage accumulation model. The first method does not require data related to the system. The second method requires knowledge of physics of failure model parameters. The testing durations calculated by the two methods differ significantly. The recommended duration of the endurance testing per axis is larger than 

 

AB‐29 

10 hrs. Generation of  laboratory testing equivalent conditions  is achieved by application of the "Swept Narrow Band" over "Wide Band" testing methodology.  

BALLISTICS EFFECTS: MODELING & TESTING 

 MODELING AND SIMULATION WITH USER MATERIAL MODELS USING ABAQUS Dr. Jennifer Cordes, US Army, Picatinny Arsenal Mr. Pavol Stofko, US Army, Picatinny Arsenal Mr. Steve Recchia, US Army, Picatinny Arsenal  A series of user subroutines, VUMATs, were developed for modeling and simulation of high strain‐rate events using the general‐purpose, finite element code ABAQUS. The subroutines and material library are derived  from  a  government‐only hydrocode.    The  resulting  subroutines provide high‐fidelity material models  for  simulating  complex  phenomena  including  impact  on  ceramic  armor,  soil/structural interactions, and hard target penetration.   Several examples will compare Abaqus to other hydrocodes or experimental results. Example 1 compares penetration results using several of the HEP soil models. Example 2 compares target penetrations to experimental values on the Air Force’s Baby Blu projectile. A third  example  demonstrates  the  importance  of  the  Johnson  Cook  pressure  term  in  modeling polycarbonate structures impacting a hard target.  VARIABLES IMPACTING THE PROJECTILE DYNAMICS NEAR MUZZLE EXIT Dr. Jennifer Cordes, US Army Picatinny Arsenal Dr. Donald Carlucci, US  Army Picatinny Arsenal Mr. Matt Hawkswell, US Army Picatinny Arsenal  The gun launch of projectiles is a highly dynamic event. Precision projectiles carry a variety of electronics to ensure accuracy. At muzzle exit, high accelerations can result  in  failure  in electronic components  if design  loads  aren't  properly  determined.  Muzzle  exit  accelerations  include  transverse  or  balloting accelerations as well as axial accelerations. In this study, 30+ variables affecting muzzle exit kinematics are  explored.  The method  incorporates  variations  in  dimensions,  pressures,  ringing,  and  gun  launch angle into the six equations of motion. Data from instrumented tests on 155‐mm projectiles were used to quantify the  input variables. Muzzle exit pressure, blow‐by, several dimensions, and the severity of the pressure drop‐off were predicted to have the  largest effects on the balloting accelerations for the 155‐mm projectile. The extreme values of muzzle exit accelerations were also determined based on the variables and Monte Carlo simulations.  STRESS TESTING OF MORTAR BASEPLATES – METHOD AND VALIDATION Dr. Andrew Littlefield, US Army RDECOM‐ARDEC Benét Labs  The increased use of mortars in current conflicts has placed a high priority in getting mortar baseplates to the field.  To ensure that the baseplate is safe for use in the field it must undergo acceptance testing.  The purpose of the acceptance testing, as defined by Test Operations Procedure (TOP) 3‐2‐050 Testing of Mortar Systems,  is “to disclose any deficiency or malfunction  that would preclude  its  further use.”  For a baseplate these deficiencies could arise from either material or manufacturing methods.  Traditionally acceptance testing has been carried out on all baseplates via live fire testing as defined in the  TOP.    There  are  a number of  reasons why  this  is not desirable.    First  is  that  the  test  site  is not collocated with the production site, so large numbers of plates must be boxed, shipped to the test site 

 

AB‐30 

and any plates  that  fail must be  returned  to  the production  site.   Second  is availability and  response time for the proof site.  Higher priority workload, such as ammunition lot acceptance testing could cause baseplate testing to be delayed.   Additionally weather conditions can often cause delays.   Third  is that every round that is used for testing is a round that is no longer available for use in the field. Finally and most  importantly  is  the cost.   The  test site’s costs can vary greatly due  to quantity and workload but have historically been over $2000 per baseplate, not including transportation or ammunition.  To  overcome  these  issues  Watervliet  Arsenal  approached  Benét  to  investigate  an  alternative  test method for acceptance.  For many years Benét had investigated different ways of duplicating the firing loads  for  a mortar baseplate utilizing pile drivers.    Though no work had been done on duplicating  a single hit acceptance test, this previous work provided an invaluable starting point.  For each of these systems a different load is required.  To generate the appropriate stress state, the load can vary  from 14 kips  for  the small baseplate  to 333 kips  for  the  largest baseplate.   Additionally  they vary  in size  from 8 x 10  inches  for the small baseplate to almost 36  inches  in diameter  for the  largest one.   Any method developed had to cover this range of conditions.   This paper will cover the method developed  and  validate  it  against  firing  data  for  the  60mm M7A1  baseplate  and  the  81mm M3A2 baseplate.  WEAPON RICOCHET AS A CONTINUOUSLY DECAYING PROCESS Ms. Anju Shah, DTRA Dr. Philip Randles, DTRA  Considerable testing has been done by the Defense Threat Reduction Agency (DTRA) to determine the most effective techniques for defeating hard and deeply buried targets. In many cases, entrance into the facility  is through rebounding weapons as they travel down a tunnel.   DTRA has developed many tools for  the  Integrated Munitions  Effectiveness Assessment  tool  for  this  type of  attack; how  the weapon travels down  tunnels  is  the subject of  this work.   By creating a ricochet model  in order  to predict  the motion of a projectile as it repeatedly hits a surface the warfighter will be provided a greater chance in defeating  the  target  by  knowing  time  of  travel  and  velocities.    In  order  to  develop  the model, we analyzed data  from controlled penetration experiments. Data were obtained  from experiments where projectiles  were  shot  into  rock  targets  having  a  fixed‐size  hole  to  identify  and  measure  multiple ricochets.  The projectiles were instrumented and provided outstanding three dimensional decelerations (x, y and z) of the projectile during the continuous event.  The decelerations clearly show the first event, subsequent bounces, and final bottom engagement. The model developed is accurate in predicting the integrated position and  final arrival  time  (i.e. motion) and does not  require analysis of each  ricochet event after the initial bounce.  The final model parameters will be related to the initial velocity and angle of flight for a complete IMEA model implementation.           

 

AB‐31 

UNDEX ASSESSMENT TOLLS / NAVY SHOCK REQUIREMENTS AND TESTING 

 DECISION‐AID SOFTWARE FOR UNDEX QUALIFICATION AND OPTIMIZATION  Dr. Jeffrey Cipolla, Weidlinger Associates Dr. Brett Benowitz,  Weidlinger Associates Mr. Adam Hapij, Weidlinger Associates Mr. Fred Costanzo, Consultant Dr. Jay Martin, Penn State University Dr. Michael Yukish, Penn State University   Naval  engineers  are under  enormous pressure  to minimize design,  engineering  and  acquisition  costs while  complying with  NAVSEA  standards  for  underwater  shock  (UNDEX)  survivability  of  equipment. Historically,  critical  shipboard  equipment  has  been  qualified  by  costly  shock  tests  or  engineering analysis; alternately, and preferably, critical  items may be qualified by  ‘extension’ (QBE).  In QBE, Navy engineers assess  that  the new  item  is  sufficiently  similar  to previously qualified  items  that  it may be accepted without extensive testing or analysis. Our effort enhances QBE through quantitative analysis of databases  of  shipboard  item  qualification  tests  and  results.  The  enhancement  correlates  readily observable  traits  of  shipboard  items,  such  as materials,  rattlespace, mounts,  et  cetera  and  the  test outcomes of  the  items. Software  implementation allows a user – either an engineer developing new equipment, or a NAVSEA engineer performing QBE – can enter the traits of new equipment and obtain a statistical assessment of the probability of successful test outcome, together with a level of confidence in  that  probability.  This  will  allow  maximum  confidence  in  a  process  of  UNDEX  qualification  by extension. This paper addresses the prototype implementation of this software and its verification.  ADQUES VALIDATION  Dr. Michael Woodworth, Weidlinger Associates Mr. Adam Dick, Weidlinger Associates Dr. Jeff Cipolla, Weidlinger Associates  ADQUES  is a reduced order modeling tool for the rapid  investigation of the response of submarines to underwater explosion events.  Its purpose  is  the quick assessment of  large UNDEX  loading parameter spaces  to  recover  the  most  severe  loadings  for  further  investigation  by  testing  or  more  resolved transient analysis. ADQUES operates on user‐supplied beam models of  the ship which can be sourced from many popular FEM programs, even those condensed from more  intricate shell representations of ship  structure.  The  analysis  of  these  models  is  conducted  in  the  frequency  domain  using  loading determined from a Geers‐Hunter model for the impulsive loads including bubble pulses. The severity of the  loads  assessed  can  be  sorted  and  visualized  based  on  peak  spectral  responses  of  individual  or collections  of  critical  nodes  representing  hull  structure  or  mounted  equipment.  The  algorithms  of ADQUES were assessed for validity by comparison to the results of full scale testing of the SSTV article.  SHOCK ENVIRONMENT COMPARISON METHODS  Dr. Michael Woodworth, Weidlinger Associates Dr. Jeff Cipolla, Weidlinger Associates Mr. Adam Hapij, Weidlinger Associates  Naval design is often evolutionary for a variety of reasons. The modification of a class can be caused by the integration of new systems or technologies. Increasing the duration of a procurement program and the quantity of ships within it reduces per ship costs to the Navy. Engineering decisions reached at the 

 

AB‐32 

onset of a program may be impacted by the changes to the design features and assumptions rendered obsolete by the cascading changes to the platform with each iteration. This is exemplified by the Virginia Class submarine program, which is currently executing a fifth (“Block V”) consequential evolution design and build phase. Each Block phase has  included updates to systems and hull features, but the  latest  is very extensive. The planned lengthening of the vessels to include new system space may alter the shock environment in ways which may increase risks to previously‐qualified machinery and systems aboard.  A methodology was developed to  investigate the effects of significant changes between ship blocks on the  platform  level  shock  environment.  The  dynamic  response  of  the  existing  basis  and  candidate platforms was evaluated using the rapid analysis tool ADQUES. ADQUES quickly assesses a submarine’s response  in the frequency domain to a  large sample (many thousands) of UNDEX events, including the initial shock pulse and multicycle bubble loading. The numerous results of the simulation were compiled and compared at a compartment level using geometric, node‐based responses and at a frequency level, using mode‐by‐mode comparison. The mode‐by‐mode comparison is related to the ‘Modal Acceptance Criterion’ (MAC) family of approaches, which enable responses at disparate resonant frequencies to be compared empirically. Both methods were  implemented  in software to create detailed reports on the consequences  of  design  feature  changes  between  the  candidate  and  base  designs.  The  reports  give designers  and  reviewers  the  information  needed  to  rationally  asses  the  differences  in  the  shock environment between basis and candidate designs. 

 INVESTIGATION OF AN EXTENSION OF DDAM FOR EXTERNAL COMPONENTS  Dr. Jeff Cipolla, Weidlinger Associates Dr. Michael Woodworth, Weidlinger Associates Mr. Mahesh Bailakanavar, Weidlinger Associates  Externally  mounted  submerged  components  include  an  increasing  variety  of  appendages  mounted exterior  to  the  hulls  of  both  surface  ships  and  submarines. Mounting  systems  externally  can more rapidly leverage new technologies in acoustics, UUVs, weapons and other system innovations. Instead of being one‐off designs, many of  these  components  are being  engineered  for multiple  installations by shipbuilders  and  other  suppliers.  Design  and  Qualification  for  shock  for  these  items  has  previously required  extensive  testing  and/or  simulation  of  transient  shock  response, which  are  costly  and  time consuming. DDAM is an existing methodology for a rapid and simpler shock assessment used to reduce costs  for  suppliers  and  reviewers. Applying DDAM  to  externally mounted  components would  reduce costs for suppliers and ultimately for NAVSEA.   External components will share  the same hull‐driven base motion  loads as  internal components, as  in conventional DDAM. However, external components experience a direct excitation from the fluid path of the UNDEX, as well as reactive loads due to the interaction of the component with the fluid. A single degree of freedom (SDOF) system was used to assess the viability and utility of applying a modification  of the DDAM paradigm to external components. The  linear elastic assumption of DDAM allows for the inclusion  of  direct  fluid  path  loads  by  simple  extension  of  the method  by  superposition.  The  SDOF response  to pressure  loading  is  solved analytically and  the DDAM Shock Design Values are computed and  compared  to  reference  values  from  literature.  It  is  shown  that  the direct  fluid  loading path  is  a significant  source  of  load  to  the  components,  on  parity  with  the  base  excitation  induced  forces determined from DDAM.  A method of  integration of  the direct  fluid  loading effects  into  the DDAM paradigm  is proposed. The method corrects each modal mass for fluid loading, and introduces an extra (direct‐fluid) response term into the NRL sum calculation of component response. Determining the value of the new terms for each 

 

AB‐33 

mode  requires  the  generation  of  Direct  Fluid  Loading  design  spectra  which  may  be  accomplished through higher resolution simulation supported by existing test data. Determination of the fluid modal mass correction can be performed using surface integrals or other computational approaches, as will be shown.  IMPACT  OF  RECENT  REVISION  OF  US  NAVY  INSTRUCTION  AND  STANDARD  ON  NAVY  SHIP  EQUIPMENT  SHOCK QUALIFICATION AND NAVY SHIP SHOCK HARDNESS CERTIFICATION Dr. Christopher Merrill, NAVSEA 05P1  Recent  revisions  to  “Survivability  Policy  and  Standards  for  Surface  Ships  and  Craft  of  the US Navy  ‐(OPNAVINST 9070.1A, Sep 2012)”, “Shock Hardening of Surface Ships ‐ OPNAVINST 9072.2A, Feb 2013”, and “Shock Tests, H.I. Shipboard Machinery, Equipment, and Systems, Requirements  for  ‐ MIL‐S‐901E pending”  impact  interpretation  of  Shock  Requirements  for US Navy  ships.  Specifically,  these  revised documents  impact  interpretation of shock  requirements  for New Construction Navy ships, mandate a ship shock certification process while simultaneously enabling changes  to  the ship shock  trial process, and have modernized ship equipment and system shock qualification shock qualification  testing.   This short paper characterizes and summarizes these changes and provides a synopsis of Navy policy impacts of these revision to Shock Qualification testing of ship system and equipment for US Navy ships, as well as, US Navy ship shock certification for New Construction and deployed ships in the fleet.    A  PRACTICAL  BAND  BASED  APPROACH  FOR  DETERMINATION  OF  SHOCK  RESPONSE  FREQUENCE  (SRF)  OF  CLASS  II EQUIPMENT FOR USE WITH MIL‐S‐901E IN CASES WHERE SRF IS USEFUL FOR OPTIMAL SHOCK QUALIFICATION TESTING OF CLASS II EQUIPMENT Dr. Christopher Merrill, NAVSEA 05P1  Use of  SRF  is a  relatively  recent development  in MIL‐S‐901  testing of Class  II equipment.   Numerous methods have been developed and used to determine explicit values for the SRF parameter.  This paper proposes  a  practical  approach  for  identifying  the  critical  band  of  frequencies  that  the  Class  II equipment’s SRF  falls within consistent with the usage of SRF  in MIL‐S‐901E that does not necessitate determination of an explicit SRF value by analysis, as well as,  identifies  limitations and  restrictions on use of the band based process.   

INSTRUMENTATION & MEASUREMENTS 

 YIELD ESTIMATE OF WASP PRIME USING DIGITIZED NUCLEAR FIREBALL FILMS MAJ Matthew Gettings, Defense Threat Reduction Agency  A  methodology  is  developed  for  approximating  the  yield  of  the  nuclear  fireball  by  analyzing  nine digitized  nuclear  test  films.  Several  image  processing  techniques  are  employed  to  collect  the  timing mark  locations and  radii measurements  recorded on  the  film. Compared  to a manual  frame‐by‐frame approach,  the  automated  techniques  reduce  the  time  required  for data  collection. The methodology involved several key tasks, which ultimately  led to calculation of weapon yield. Among these key tasks are: calculating absolute time, measuring the diameter of the opaque shockwave, and calculating yield using the Phi‐5th Method.   For all films, the difference  in the measured  initial frame rates compare to previous published reports is less than one percent.  For all films, the measured time span of detonation in  the  first  frame was within 0.13 ms of previously accepted values.   The measured radii of  the shock wave generally agree with Taylor’s model and previously accepted values.  The measured radii using the Caliper Method were not consistently greater than or less than Eilers’ data, which seems to indicate an 

 

AB‐34 

unbiased error. The mean  calculated  yield  for  shot Wasp Prime was 17% greater  than  the published unclassified yields.  ASSESSMENT OF DYNAMIC PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF PIEZOELECTRIC STRAIN GAUGES Mr. Steven Rios, TCU Engineering Dr. Patrick Walter, TCU/PCB Piezotronics  Piezoelectric  strain  gages  offer  output  signal  levels  10,000  times  higher  than  conventional  strain gages.   Understanding  the  dynamic  performance  characteristics  of  piezoelectric  strain  gauges  is  an important concept in measurements engineering.   In extremely high frequency structural environments piezoelectric  strain  gages  may  provide  higher  frequency  intelligence  than  that  available  from accelerometers.  This  paper  details  experimentation  and  analysis  to  characterize  the  dynamic performance of piezoelectric strain gauges. By measuring propagating stress waves  in a  long, slender, steel bar,  the performance of  the  piezoelectric  gauge  is  compared  to  a  traditional,  variable  resistive gauge by examining the frequency content of their individual outputs.  CONTAMINATION OF AND SOLUTION FOR CABLE GENERATED NOISE IN ACCELEROMETER SIGNALS Dr. Patrick L. Walter, TCU/PCB Piezotronics  While  triboelectric generated noise has been discussed  for years  in  terms of  the deleterious additive effects  it can have on piezoelectric accelerometers operated  in a charge mode,  its  influence on silicon based (PR/MEMS) based accelerometers has not been studied.  This paper reports on an extensive study of  triboelectric  effects  in  low  impedance  resistive  circuits  analogous  to  those  encountered  in MEMS accelerometers.   While  small,  these  effects have  the potential  to  influence  processed  accelerometer signals.  The magnitude of this effect is shown and corrective cable actions are discussed.   ACOUSTIC MEASUREMENTS IN AIR FLOW Mr. Robert O'Neil, GRAS Sound and Vibration  An acoustic  signal may be  combined with a  flow‐induced  turbulent noise, and  there  is an  interest  in quantifying  the  measurements  of  both  the  acoustic  and  flow‐induced  turbulent  noise.  Increasing distance from a boundary will typically yield flows that deviate from that at the surface. A flush‐ mount Turbulence  Screen  was  utilized  that  houses  a  flush‐mount microphone,,  recessed  in  a  small  dome shaped  cavity.The  screen  is a  fine wired mesh  that helps  to dampen  flows and  the Turbulent Screen construction   minimizes  turbelent  flows allowing  for acoustic measurements  in boundary  layers. Data will be  shown  that  supports attenuation of  turbulent noise by as much as 15 dB, by utilizing a wind tunnel.  DYNAMIC MATERIALS TESTING TO BLAST TESTING, EQUIPMENT QUALIFICATIONS Mr. Mike Hoyer, HBM Test and Measurement  Whether performing dynamic materials testing in a Split Hopkinson Bar application, drilling and blasting a river bed in a environmentally‐sensitive area or testing warheads, munitions, explosives or rockets, it is imperative  that  appropriate  equipment  and  procedures  are  used  to  reliably,  accurately  and  safely acquire all necessary data plus efficiently produce calculated results and reports within a timely manner. Three applications will be examined  to  show how  vital appropriate equipment and analysis  software comes into play to; reliably record data during a $75 million rocket test, help limit any possible damage 

 

AB‐35 

to fish using controlled blasting methods and improve US manufacturing through better characterization of material properties and tools plus account for vibration during the manufacturing process.  

FLIGHT SYSTEM TESTING/TESTING METHODS AND CORRELATION 

 FINITE  ELEMENT  SIMULATION  OF  A  DIRECT‐FIELD  ACOUSTIC  TEST  OF  A  FLIGHT  SYSTEM  USING  ACOUSTIC  SOURCE INVERSION Mr. Ryan Schultz, Sandia National Laboratories Mr. Eric Stasiunas, Sandia National Laboratories  Making predictions of structural response  in  flight‐type environments  is desirable  for many aerospace structures.  First,  however,  the  predictive  capability  of  the  structural  dynamics model  in  that  type  of environment must be assessed, for example by simulating a laboratory acoustic test and comparing the model’s  predicted  response  to  the  response  measured  in‐test.  Recently,  a  laboratory  direct‐field acoustic  test  was  performed  on  a  large  system  for  the  purposes  of  assessing  a  high‐fidelity  finite element model  subject  to an acoustic  field. This paper will discuss  the process used  to  simulate  this laboratory  test,  including  determination  acoustic  loads  for  the  finite  element model  using  a  source inversion capability in Sandia’s Sierra/SD structural dynamics code.   THE SIGNIFICANCE OF COMBINED VIBRATION AND ACCELERATION ENVIRONMENTS FOR FLIGHT TESTING Mr. Richard Jepsen, Sandia National Labs Mr. Edward Romero, Sandia National Labs  For the past decade, a test capability combining the acceleration environment from a centrifuge and the vibration environment  from a unique  shaker  system was developed and utilized. The new  capability, called the Vibrafuge, has been proven over a wide range of test environments and has been applied to several fight components and systems. The results of this testing have shown the flight test simulation capability  to  be  robust  and  very  valuable  in  system  development  and  qualification  programs. More significantly,  the  application of  the new  test  capability  clearly demonstrates  the  importance of more realistic  testing  in  combined  environments  compared  to  the  traditional  approach  of  testing  these separately. A history of  the capability development along with  several examples of  results  for  testing actual flight hardware will be presented.  THE FUTURE OF TESTING IN COMBINED ENVIRONMENTS FOR FLIGHT HARDWARE Mr. Edward Romero, Sandia National Labs Mr. David Siler, Sandia National Labs Mr. Richard Jepsen, Sandia National Labs  Over  the  past  decade,  new  test  capabilities  combining  vibration  and  acceleration  (Vibrafuge)  and vibration, acceleration, and spin (Superfuge) have been developed and proof tested. The work thus far has  demonstrated  the  importance  of  testing  in  a  more  realistic  flight  environment  as  results  are frequently quite different  than when  tested  separately. However,  there are gaps  in  these capabilities that  remain  and  could  be  improved  upon  to  provide  the most  representative  environment  possible. Such gaps are associated with the available frequency range of the vibration, the test unit weight, and the secondary axis spin capabilities. Continued development and improvement in these areas will allow for more realistic flight testing and provide the most relevant data possible to evaluate flight hardware apart from conducting actual flight tests. A brief status of the present capability will be presented along 

 

AB‐36 

with concepts and designs for future development to  improve the test environment envelop that best simulates actual flight conditions.  ANALYSIS OF THE CRACK STRAIN DIFFERENCE OF TWO SIZE EXPERIMENT SPECIMEN TO SHOCK LOAD Mr. Yuanzheng Cheng, China Ship Scientific Research Center Mr. Liping Meng, China Ship Scientific Research Center Mr. Jianhu Liu, China Ship Scientific Research Center  Crack strain is a very important parameter to the material of a naval ship structure under shock loading which will determine absorbed energy with the yield stress.   It  is a difficult work to measure the crack strain correctly of a material.  The Hopkinson bar, Instron and MTS test machine are used for measuring the crack strain  in different strain rate thus different size of test specimen will be used that cause the difference  in  the  values  of  the  crack  strain  due  to  necking  effect.  This  difference may  cause  some confusion in application the data for damage analysis by FEM method. In this paper, the steel specimens with two different size were investigated by experimental and FEM numerical methods. The specimens of two size were experimented and a series of relevant FEM models in various element size were set up for modeling the experimental phenomena,  in which the Johnson‐Cook model was used. By fitting the experiment result, a method for determining the limited crack strain were achieved of different element size that can be used for crack evaluation of a structure to shock loading.  

DEDICATED SESSION: POST BLAST FORENSIC 

 INVESTIGATION OF RELATIONSHIPS BETWEEN CRATER GEOMETRY AND SOIL TYPE AND CONDITION Mr. Joshua Payne, US Army ERDC  Improvised Explosive Device (IED) attacks against our mounted and dismounted soldiers are an ongoing problem for deployed U.S. forces. Accurate estimates of the net explosive weight  (NEW) employed by these IEDs are of critical importance, both in terms of identifying the exact nature of the threat and for use in designing protection schemes. NEW estimates are typically based on the observed dimensions of the  soil  crater  produced  by  the  IED  detonation,  identification  of  the  soil  type  and  conditions,  and damage found at the scene. In order to address this need, the National Ground Intelligence Center and the U.S. Army Engineer Research and Development Center (ERDC)  initiated the CALDERA program. The objective of the CALDERA program is to develop a scientific method to estimate the net explosive weight and depth‐of‐burial  required  to produce  the  crater  size observed at  the  scene of an  IED attack using forensic data. In order to develop this capability, a series of well‐controlled experiments were conducted in  select  soil  backfills  and  in  situ materials  to  define  the  key  parameters  that  can  affect  the  crater formation from shallow buried explosive charges. Soil type/condition has been proven to be one of the most  influential  parameters  affecting  crater  size  and  shape, making  it  a  valued  piece  of  information collected  at post‐blast  scenes. The development of new  relationships  and methodologies  to  improve current  techniques  of  soil  type  evaluation  continues  to  be  a  critical  need.    This  paper will  examine relationships  between  soil  crater  geometry  and  soil  type/condition  to  develop  correlations  that may improve soil type assessments with minimal data collected at post‐blast scenes.      

 

AB‐37 

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF VEHICLE‐BORNE IMPROVISED EXPLOSIVE DEVICES Dr. Kyle Crosby, US Army ERDC Mr. Josh Payne, US Army ERDC Dr. John Ehrgott, US Army ERDC Mr. Denis Rickman, US Army ERDC  Vehicle‐borne  improvised  explosive  devices  (VBIEDs)  have  become  an  increasing  threat  in  areas  of conflict worldwide.  The detonation of these devices has the potential to cause significant casualties as well  as  severe  damage  to  nearby  structures  and  support  facilities.  To  address  this  threat,  improved methods must be developed to help identify the size and type of these VBIEDs from forensic signatures collected  at  post‐blast  scenes.    The  ability  to  assess  the  potential  hazard  levels  associated with  the various VBIED threats must also be improved to aid in the development of damage mitigation designs to protect  structures  and  support  facilities  subjected  to  VBIED  attacks.    In  order  to  improve  our understanding  and  characterization of VBIED  threats,  the National Ground  Intelligence Center  (NGIC) and  the  U.S.  Army  Corps  of  Engineers,  Engineer  Research  and  Development  Center  (ERDC)  have conducted a series of carefully controlled VBIED experiments.   This series of experiments consisted of four large VBIEDs of various charge sizes and shapes. Explosive airblast pressures and impulses, ground crater formation, and damage to various barriers, structures, and witness targets were measured during the experiments to provide data for use in forensic analyses of VBIED attacks and for the development of blast mitigation schemes.  INVESTIGATION OF KEY PARAMETERS FOR POST‐BLAST CRATER ANALYSIS Mr. William Myers, USACE Engineer Research and Development Center Mr. Joshua Payne, USACE Engineer Research and Development Center Dr. John Ehrgott, USACE Engineer Research and Development Center  IED attacks against our mounted and dismounted  soldiers are an ongoing problem  for deployed U.S. forces. Accurate estimates of  the net explosive weight  (ENEW) employed by  these  IEDs are of critical importance, both in terms of identifying the threat and for use in designing protection schemes. ENEW estimates  are  typically  based  on  the  observed  dimensions  of  the  soil  crater  produced  by  the  IED detonation,  the  description  of  the  soil  type,  the  soil  conditions  that  the  detonation  occurs  in,  and damage found at the scene. In order to address this need, the National Ground Intelligence Center and the U.S. Army Engineer Research and Development Center (ERDC)  initiated the CALDERA program. The objective of the CALDERA program is to develop a scientific method to estimate the net explosive weight and depth‐of‐burial  required  to produce  the  crater  size observed at  the  scene of an  IED attack using forensic  data.  In  order  to  develop  this  capability,  a  series  of  well‐controlled  experiments  were conducting  in select soil backfills and  in situ materials to define the key parameters that can affect the crater  formation  from  shallow‐buried  explosive  charges.  This  paper  will  compare  some  of  the  key parameters  including soil  type, soil conditions, explosive  type, explosive mass, depth of burial, charge orientation,  and  overhead  cover  on  the  formation  of  a  crater.  and  the  paper will  also  identify  key parameters that must be obtained in post‐blast forensic crater investigations.       

 

AB‐38 

EFFECT OF BARRIER WALL SHIELDING ON THE RELATIONSHIP BETWEEN OVERPRESSURE AND DYNAMIC PRESSURE FROM A 

DETONATION Mr. Denis Rickman, USACE/ERDC Dr. Kyle Crosby, USACE/ERDC Mr. Joshua Payne, USACE/ERDC  The  dynamic  pressure  and  impulse  produced  by  a  detonation  is  an  important  damage mechanism, particularly  in  terms of blast overturning of  vehicles. Relationships  exist  to  accurately determine  the dynamic pressure produced by an above‐ground detonation based upon the measured overpressure at a  given  location.  However,  these  relationships  are  predicated  upon  the  assumption  of  free‐field conditions. In most real‐world scenarios of interest, structural elements such as walls and buildings may significantly disrupt  the  local airblast  field  in  their wakes. This phenomenon  is  typically  referred  to as blast shielding. A number of studies have addressed the effect of blast shielding on overpressure, but its effect on dynamic pressure has not been  reported  in  the  literature.  In  this paper,  the effect of blast shielding on the relationship between dynamic pressure and overpressure is explored.  FORENSIC  CHARACTERIZATION  OF  SMALL  ARMS  AND  PROPELLED  MUNITIONS  USING  IMAGE,  CHEMICAL,  AND METALLURGICAL ANALYSIS Mr. Cameron Thomas, US Army Corps of Engineers Dr.  Kyle Crosby,US Army Corps of Engineers Dr. John Ehrgott, US Army Corps of Engineers  Unknown weapon attacks against our mounted and dismounted  soldiers are an ongoing problem  for deployed  U.S.  forces.  Accurate  identification  of  the  weapons  employed  in  attacks  is  of  critical importance,  both  in  terms  of  identifying  the  exact  nature  of  the  threat  and  for  use  in  designing protection schemes.  In order  to address  this need,  the National Ground  Intelligence Center  is  funding the  U.S.  Army  Engineer  Research  and  Development  Center  (ERDC)  to  conduct  a  series  of  carefully controlled weapon  target‐interaction  experiments  to  gather  critical  forensic data.    These  tests  series include  the  firing, under strict conditions, of selected weapon systems against pre‐determined  targets and  the collection of  forensic data  from  those  firings  including but not  limited  to  target photographs, munition  fragments, penetration details, damage signatures, and chemical residue. The data collected will act as a baseline reference and provide guidance and comparisons to  identify critical attack scene evidence  that  should  be  collected  during  post‐attack  investigations.  These  data will  also  be  used  to develop forensic tools and technologies to enable the Army to quickly  identify weapons and munitions used  in attacks. This paper will provide an overview of the experiments conducted, critical post‐attack forensic data collection, and examples of weapons signatures found.    

UNDEX II 

 THE RECOVERY METHOD OF THE MEASURED SIGNAL CURVE OF AN UNDERWATER EXPLOSION SHOCK PRESSURE Mr. Xianpi Zhang, China Ship Scientific Research Center Mr. Jianhu Liu, China Ship Scientific Research Center Mr. Jianqiang Pan, China Ship Scientific Research Center 

 For the measured underwater explosion pressure waveform we observed, it had been through a series of phases such as pressure field establishment, the pressure field transform and the signal transmission by circuit and so on. During this course, some differences between the output wave and input wave are 

 

AB‐39 

usually unavoidable due to the non‐ideal condition of the measurement system, accordingly reduce the reliability of measured results. Existing processing method  is only fitting for rising edge correction, and don’t take into account the waveform distortion due to insufficient system frequency response, thereby may  introducing obvious deviation to  impulse  integral and energy  integral.  In this paper, based on the method of establishing the sensing function described previously, the recovery method combining the time  and  frequency  characteristics  is  put  forward.  Firstly,  by  making  feature  identification  to  the measured waveform,  the  parameters  such  as  rising  time  and  time  constant  are  extracted,  and  the smooth  sample  waveform  is  constructed.  Secondly,  based  on  the  known  sensing  function  of  the measurement  system  and  the  sample  waveform,  the  quasi  original  waveform  is  obtained  by deconvolution,  then a deviation zone  is also got  through contrasting  the quasi original waveform and the sample waveform. Thirdly, the zone correction using deviation zone is carried out to the measured waveform, and  the signal recovery  is realization. Finally, recovery  is made using above method  to  the measured underwater explosion pressure signals of TNT charge, and using the theory calculation as the basis of reference. The result showed  that  the method proposed  in  this paper has obvious advantage over the conventional method, and its efficiency is validated. The correcting method for measured signal is not only  correcting  the waveform  in  the  frequency, but also  reserve  the  characteristic  in  the  time domain, it can obviously raise the measuring precision for underwater explosion.  THE COUPLING EFFECT OF THE STATIC AND SHOCK LOAD ON THE RESPONSES OF A RING‐STIFFENED CYLINDER Mr. Jun Wang, China Ship Scientific Research Center Mr. Jianhu Liu, China Ship Scientific Research Center Mr. Yousheng Wu, China Ship Scientific Research Center 

 The ring‐stiffened cylindrical shell is the primary structures of a submarine or an offshore, and its safety is one of the most important characteristics for these naval and civil structures. It is very distinct and cannot be neglected that the coupling effect of hydrostatic pressure and UNDEX loads in the deep sea. Moreover there is a great difference in the damage mode and mechanism between the deep and shallow sea condition for cylindrical shells under UNDEX loading. In this paper, the coupling effect of the hydrostatic pressure and dynamic loads is revealed on the damage of the ring‐stiffened cylindrical structures, and it is shown the coupling effect on the damage radius to UNDEX is more obvious with the higher static pressure.  STUDY FOR EFFECTIVE SHOCK ANALYSIS METHODOLOGY WITH UNDEX EXPERIMENTAL DATA USING DOWN SCALE SHIP MODEL Dr. Jeong‐Il Kwon, Korea Institute of Machinery &Materials Dr. Jung‐Hoon Chung, Korea Institute of Machinery &Materials Dr. Seok‐Jun Moon, Korea Institute of Machinery & Materials  Many  simulation  program with  hydrocodes  using  a  combined  Euler‐Lagrange model  for  surrounding water and ship structure is used for the analysis of the effects of an underwater explosion on their own naval  ship.  But  to  enhance  the  reliability  of  these  analysis  results,  the  validation  course  should  be needed basically by the process of comparison with the calculated responses and measurements from the  full  or  down  scale  shock  trials  of  real  naval  vessel.  For  this  purpose,  this  paper  discusses  that effective shock analysis calculation data was investigated using well known analysis code & program and compared with UNDEX experimental data using down scale ship model of ROKN frigate. It is concluded that calculations and measurements correspond quite well with each other.  

 

AB‐40 

THE  EQUIVALENCE  OF  SHOCK  ENVIRONMENTS  OF  THE  REAL  SHIP  AND  THE  SFSP  TO  A  HEAVY  RESILIENT  MOUNT 

EQUIPMENT Mr. Xuebing Chen, China Ship Scientific Research Center  The  low  frequency shock environment down  to 5 hertz of a naval ship  to UNDEX  is controlled by  the shock wave  load and  that of  the  standard  floating  shock platform  (SFSP)  is  controlled by  the bubble pulsation load. The above difference may cause some discrepancy in the real shock loading to the heavy resilient mount equipment  for shock validation test even  if with the same shock spectrum at the rigid basis frequency. In order to investigate the equivalence of shock environments of the real ship and the SFSP  to  the heavy  resilient mount equipment,  the  test and numerical method were employed  in  this paper. The difference of the  loading mechanism between real ship and the SFSP to the heavy resilient equipment  was  compared.  A  series  of  UNDEX  test  were  executed  to  the  SFSP  and  the  shock environment and the responses of a resilient mount equipment were measured. The responses of the same equipment on a ship to UNDEX were investigated by FEM numerical method. It is shown that the damping effects are the main factor that cause the different responses of the equipment with the same shock spectrum.  SHOCK ANALYSIS OF AN ANTENNA STRUCTURE SUBJECTED TO UNDERWATER EXPLOSIONS Mr. Mehmet Emre Demir, ASELSAN  Antenna structures constitute main parts of electronic warfare systems. Mechanical design is as crucial as  electromagnetic  design  of  antenna  structures  for  proper  functioning  and  meeting  high  system performance needs. Failure of mechanical and electronic structures operating under shock  loading  is a common occurrence  in naval electronic warfare applications. A complete  shock analysis of  the dipole antenna  structure  subjected  to  underwater  explosions  is  performed  to  foresee  adverse  effects  of mechanical shock phenomena on the antenna structure.  Theoretical models of the antenna structure; namely mathematical model and finite element model, are built on multi‐degree‐of‐freedom approach. Modal properties are derived  from Classical Beam Theory and  transient  responses  to  input  shock  loading are obtained by Recursive Filtering Relationship  (RFR) Method  for  the  mathematical  model.  Input  shock  loading  is  synthesized  from  assessed  shock specification  to  classical  shock  input.  Transient  responses  exerted  from  RFR  method  are  also approximated  by  simplified  and  SDOF  models.  Finite  element  analysis  of  the  analytical  model  is performed on ANSYS® platform. Comparisons of analytical results are presented for interchangeably use of proposed models. Numerical results are verified with both modal and transient results collected from experimental  analysis.  Experimental  analysis  is  performed  for  exact  dimensions  of  antenna  structure subjected to synthesized shock input criteria.  Shock  severity  for  antenna  structure  is  presented  for  both  electrical  and  mechanical  components. Design  roadmap  is  drawn  within  the  limitations  set  for  proper  antenna  functioning  with  desired performance.  Design  limitations  are  determined  by  the  verified  mathematical  model.  Thus,  the complete  shock  analysis  of  the  antenna  structure  is  performed  for  antenna  design  to  withstand underwater shock explosions.      

 

AB‐41 

BLAST RISKS TO VEHICLES & STRUCTURES 

 COMPARISON OF RESULTS  FROM EXPERIMENTS WITH  IMPULSE MEASURING DEVICE THAT QUANTIFY EFFECTS OF SOIL PLACEMENT PARAMETERS ON ABOVEGROUND IMPULSE Mr. Garrett  Doles, U.S. Army Engineer Research and Development Dr. John  Ehrgott, U.S. Army Engineer Research and Development Dr. Jon Windham, SOL Engineering  The dynamic airblast, fragmentation, and soil ejecta loading environments produced by the detonation of surface‐laid and shallow‐buried mines are major  threats  to  lightweight military vehicles. During the past several years, the U.S. Army has focused considerable attention on developing improved methods for  predicting  the  below‐vehicle  environment  from  these  threats  for  use  by  vehicle/armor  analysts, thereby  improving  the  survivability  of  these  platforms.    The  U.S.  Army  Engineer  Research  and Development Center  recently  completed  a multi‐year effort  to experimentally quantify  the blast  and debris  loading environments on vehicles due  to surface and subsurface mine and  IED detonations. As part  of  this  research  effort,  a  series  of  experiments  was  conducted  to  quantify  the  effects  of  soil placement  parameters  on  the  aboveground  blast  environments  produced  by  the  detonation  of aboveground  and  shallow‐buried  homemade  explosive  (HME)  charges.  The  experiments  were conducted using a well‐characterized clayey sand soil. The combined aboveground loads due to airblast and soil debris were measured by an  impulse measuring device. This paper summarizes and compares the  results  of  the  experimental  program  with  emphasis  on  defining  the  effects  of  soil  placement parameters on the aboveground blast environment.  COMPARISONS OF RESULTS FROM EXPERIMENTS AND SIMULATIONS WITH IMPULSE DEVICES THAT QUANTIFY EFFECTS OF CHARGE PARAMETERS, DEPTH OF BURIAL, AND SOIL TYPE Dr. Neil Williams, US Army Engineer Research and Development Mr. Garrett Doles, US Army Engineer Research and Development Mr. Stephen Akers, US Army Engineer Research and Development  The U.S. Army Engineer Research and Development Center  conducted a  series of carefully controlled “underbelly blast” field experiments to quantify the loads delivered to aboveground rigid plates and the accompanying aboveground environments created by  the detonation of near‐surface bare‐charge and cased‐charge explosives shallow buried  in well‐controlled soil backfills. The experiments provided blast overpressure,  impulse of the rigid plate, soil stress, and particle velocity data. By utilizing  independent laboratory material characterization results of specimens of the testbed soils remolded to the as‐placed soil testbed quality control measurements, a model fit of the testbed soil with the Simple Hybrid‐Elastic‐Plastic constitutive model was developed to replicate the soil behavior. Simulations were run using EPIC for  impulse of  the rigid plates, soil stress, and particle velocity comparisons with  the  field experiment results. The  simulations were also used  to  investigate  the  code’s ability  to predict  the  trends  in  rigid plate impulse as a result of charge type, depth of burial, and soil type.  DUAL STATE ENERGY ABSORBING MECHANISM TO MITIGATE VERTICAL SHOCK LOADING Mr. Jared Gardner, TKC Global Dr. Thomas Plaisted, US Army Research Laboratory Dr. Jerome Tzeng, US Army Research Laboratory  No abstract provided.  

 

AB‐42 

MECHANICAL SHOCK: INSTRUMENTATION & MODELING/SIMULATION 

 ANALYSIS OF VARIOUS SIMULATIONS OF COMPLEX COMPONENTS UNDER MECHANICAL SHOCK Mr. Jonathan Hong, Applied Research Associates Dr. Janet Wolfson, AFRL  Many  challenges  are  associated  with  the  modeling  and  simulation  of  complex  components  under mechanical  shock.  In  order  to  baseline  the  computationalists’  ability  to  predict  a  complex  shock environment utilizing established computational codes, the Joint Fuze Technology Program has funded a program  to evaluate our ability  to predict  the  response of an electrical system  to a harsh mechanical shock. A series of laboratory tests were conducted on an electrical system comprised of accelerometers placed on Printed Circuit Boards placed on a Very High‐G  (VHG) machine. The  test series utilized  two different input conditions of 1.8 kg peak with duration of 0.84 ms and 4.3 kg peak with duration of 0.24 ms. That data was subsequently provided to various modelers who were asked to simulate the output. Their predictions were analyzed against  the experimental acceleration  time history  that was collected during  the  tests.  The  analysis methods  that  were  used  for  comparison  were:  first  pulse  peak  and duration  comparison,  Sum  of  Squared  Errors  (SoSE),  Fast  Fourier  Transform  (FFT)  analysis,  and Frequency Response Assurance Criterion (FRAC). This paper will show that the predictions agreed well with the experiment corresponding to the lower input and that challenges were encountered when the acceleration time history was compared to the predictions using the 4.3 kg peak with duration of 0.24 ms input values.  THE  EFFECT  OF  BOUNDARY  CONDITION  ASSUMPTIONS  ON  THE  PREDICTED  DYNAMIC  RESPONSE  OF  PACKAGED ELECTRONIC ASSEMBLIES Dr. Matthew Neidigk, Sandia National Laboratories  Finite element model boundary condition assumptions can dramatically change the predicted structural dynamic  response  of  a  packaged  electronics  assembly.    For  example,  tearing  or  debonding  of  an elastomer  coating within  an  assembly  can have  a dramatic  influence on  the  fundamental  frequency.  Even  if  a  coating  is  included  in  the  model,  if  the  boundary  conditions  are  not  accounted  for appropriately, the model may respond in a manner similar to as if the coating was neglected altogether.  How dynamic inputs are applied to a model can also dramatically affect the dynamic response as well as the  predicted  stresses.    Important  details  such  as  a  preloads  must  be  considered  for  quantitative predictions in packaged electronics assemblies.    CHARACTERIZATION OF THE ENDEVCO 7280A TRANSVERSE SENSITIVITY PERFORMANCE TO FULL SCALE RANGE Mr. Randy Martin, Meggitt Sensing Systems Mr. James Letterneau, Meggitt Sensing Systems  This paper describes  the  transverse  sensitivity  testing of  the  Endevco® 7280A  lightly damped, high‐g shock accelerometer. Transverse sensitivity (or crosstalk) testing is performed on a Hopkinson bar up to full  scale  range  using  two  references;  the  first  reference  measures  the  acceleration  input  in  the transverse  axis of  the  accelerometer,  and  the  second  reference measures,  and  corrects  for,  the  true acceleration  present  in  the  sensitive  axis  of  the  accelerometer.  Results  will  be  compared  to  the Endevco®  7270A  transverse  sensitivity  measurements  that  were  presented  at  the  85th  Shock  and Vibration Symposium. Additional considerations, such as mounting technique, will be discussed as they relate to the transverse sensitivity performance of the accelerometer.  

 

AB‐43 

CHARACTERIZATION OF MEGGITT SENSING SYSTEMS’ UPDATED HOPKINSON BAR CAPABILITY Mr. James Letterneau, Meggitt Sensing Systems Dr. Vesta Bateman, Mechanical Shock Consulting In the past year Meggitt Sensing Systems (MSS) has worked to expand upon the existing shock test capabilities at our Shock Test Laboratory in Orange County, CA by developing and implementing a second Hopkinson bar configuration. The primary feature of the second system is a one‐inch Hopkinson bar diameter that permits side‐by‐side comparisons of shock accelerometers in a variety of package types.  Other improvements (over the existing capability) include expanded test capability at the lower shock levels, more uniform pulse shaping techniques, and pressure controller upgrades that result in improved repeatability. Additionally, the presentation will summarize the results of side‐by‐side testing of the Endevco® 7270A (undamped) and Endevco® 7280A (lightly damped) high‐g shock accelerometers, demonstrating similarities and differences of the relative response to a single shock event input, which was not possible before on smaller diameter bars.  A NOVEL MICRO‐CT DATA BASED FINITE ELEMENT MODELING TECHNIQUE TO STUDY RELIABILITY OF DENSELY PACKED FUZE ASSEMBLIES Dr. Pradeep Lall, Auburn University  Dr. Nakul Kothari, Auburn University Dr. Jason Foley, AFRL Dr. Ryan Lowe, Applied Research Associates, Inc.   No abstract provided.