CN103323154A

CN103323154A - 浇注炸药固化过程中内部应力的测量方法

Info

Publication number: CN103323154A
Application number: CN2013101992014A
Authority: CN
Inventors: 冯晓军; 王晓峰; 徐洪涛; 陈春燕; 高立龙; 田轩; 封雪松; 冯博; 张建雄
Original assignee: Xian Modern Chemistry Research Institute
Current assignee: Xian Modern Chemistry Research Institute
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN103323154B

Abstract

本发明公开了一种浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，具体包括如下步骤：将应变片粘贴在测试管内壁；将温度传感器固定在测试管上；将测试管固定在固化容器内；将温度传感器连接温度补偿电缆，将应变片连接同轴数据线缆；将待固化的浇注炸药注入安装了测试管的固化容器中至满；将固化容器密封，并将其放入可控温烘箱；并将温度补偿电缆连接温度信号适配器，将同轴数据线缆连接应变放大仪；将应变放大仪及温度信号适配器连接数据采集仪；数据采集仪实时采集数据，并将采集到的数据转换为应变-时间曲线和温度-时间曲线。本发明的方法利用密封固化容器，可对浇注炸药在不同固化温度下固化过程中的内部应力变化进行实时测量和记录。

Description

浇注炸药固化过程中内部应力的测量方法

技术领域

本发明属于火炸药技术领域，具体涉及一种浇注炸药固化过程中内部应力的测量方法，该方法用于对浇注炸药在不同温度下炸药固化过程中内部应力及应力分布进行实时测量。

背景技术

浇注炸药固化过程中，在药柱内部会产生应力的变化，这种内部应力的变化会影响到火炸药装药结构的完整性及其力学性能，尤其是在降温固化过程中，药柱内部极易产生内应力集中，使其结构完整性遭到破坏，直接影响到装药的发射及过载安全性。根据不同冲击加载条件下浇注炸药断口形貌的观察发现，细观损伤的发生及发展与浇注炸药固化过程中内部应力历程有直接关系。为此，必须对药柱固化过程的内部应力变化过程进行实时测量，掌握其内部应力的变化规律，以便通过调整配方组分、改变固化温度历程等技术手段释放固化过程中产生的内应力。

目前，对炸药柱内部应力测量技术的研究多是对成型炸药在不同冲击载荷下的应力应变进行测量，以评价其力学性能。电测方面：采用霍普金森杆实验研究浇注炸药在加载应变率10¹～10⁴之间的动态力学性能，实验过程为高压气枪发射一圆柱形子弹，子弹以一定速度撞击输入杆，以在输入杆中形成一个波形近似为方波的压缩波，通过输入杆将压缩波加载到试样上，使试样整体产生应力、应变和位移的变化；光学测试方面：目前有采用光导纤维干涉仪对复合材料受压下的内应力进行测量。测量原理为利用光导纤维对变形的敏感特性，将光导纤维埋置在被测材料内以模仿人类的神经系统，这种方法需要大量的电子设备在光导纤维中发射并检测光脉冲，比较变形前后脉冲的幅值，然后计算应力，但由于光纤干涉仪能够检测出低于毫度级的两臂温差，在试验期间室温应保持非常稳定。

上述炸药柱应力的测量方法主要存在如下问题：

（1）试验对象皆为成型后材料，不能对固化过程中材料的内应力进行实时测量。

（2）上述应力的测量过程涉及很多精密控制仪器，对实验室的环境要求比较苛刻，试验成本大。

（3）均是外加载荷引起材料的应力变化，所以材料的应力变化完全取决于所受载荷大小。

（4）均是恒温试验、对环境温度稳定性要求比较高。

综上，有必要建立一种对浇注炸药固化过程中内部应力进行实时测量的试验方法，以满足工艺过程中对炸药内部应力测量的需要，用以提高装药质量、缩短工艺研究周期。

发明内容

为了指导浇注炸药配方调整和固化参数优化，以消除或减小固化过程中的内部应力影响，本发明提供了一种对浇注炸药固化过程中内部应力历程的直接测量方法，该方法利用密封固化容器，可对浇注炸药在不同固化温度下固化过程中的内部应力变化进行实时测量和记录。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将应变片粘贴在测试管中段的内壁上；

步骤2：将温度传感器固定在测试管中段的外壁上；

步骤3：将至少一个安装有温度传感器和应变片的测试管固定在固化容器内；将温度传感器连接温度补偿电缆，将应变片连接同轴数据线缆，各部件接口处与测试管做绝缘处理；测试管的上边沿高于固化容器且测试管与固化容器之间密封；

步骤4：将待固化的浇注炸药注入安装了测试管的固化容器中至满，将待浇注炸药抽真空消除掉其内部的气泡；

步骤5：将固化容器密封，并将其放入可控温烘箱；

步骤6：将温度补偿电缆和同轴数据线缆引出可控温烘箱，并将温度补偿电缆连接温度信号适配器，将同轴数据线缆连接应变放大仪；

步骤7：将应变放大仪及温度信号适配器的输出端均通过同轴屏蔽数据线缆连接数据采集仪；

步骤8：打开数据采集仪、应变放大仪和温度信号适配器，对数据采集仪设置采样长度与采样频率，设置应变放大仪的输出电压及应变放大倍数，设置温度信号适配器的放大倍数；设置可控温烘箱的加热温度和保温时间；

步骤9：数据采集仪实时采集数据，并将采集到的数据转换为应变-时间曲线和温度-时间曲线。

本发明还包括如下其他技术特征：

固化容器为上下两端带有密封盖的圆筒，其材质为不锈钢，直径20cm～30cm，长度30cm～40cm，壁厚2.0cm～3.0cm，上端的密封盖上设有测试管安装孔。

所述测试管的下端封闭，其材质为不锈钢或比不锈钢热膨胀系数小的金属材料；其线膨胀系数为11.3×10^－6／℃～13×10^－6／℃，管长15cm～20cm，管口直径2cm～3cm，管壁厚2m～5mm。

所述温度传感器采用铠装热电偶，其测温范围为10～400℃；固定温度传感器7的金属线为直径1mm～3mm的漆包线。

所述应变片采用120Ω～350Ω的单轴应变计。

所述应变放大仪采用动态应变仪，直流供桥2V～8V、直流放大100～1000倍，温度信号适配器输出信号放大100～1000倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：

1）本发明所使用的密封固化容器可灌装不同流变特性的浇注炸药。

2）本发明使用测试管安装在密封固化容器内部，可在炸药固化过程中对炸药内部的应力进行实时测量。

3）通过调节测试管长度、测试管与密封固化容器的接口位置，能够对浇注炸药固化过程中炸药内部不同位置的内应力进行测量。

4）通过可控温烘箱的温度及时间参数的设定、数据采集仪的采样长度及采样频率参数的设定，可获取不同试验条件下，浇注炸药固化过程中内部应力-时间历程曲线。

5）试验在烘箱中完成，对实验室的环境要求不高，降低了试验成本。

下面结合附图及发明人给出的实施例对本发明作进一步的详述。

附图说明

图1是本发明的浇注炸药固化过程内部应力的测量方法所使用的系统安装示意图。

图2是实施例1得到的浇注炸药固化过程的应力-时间曲线。

图3是实施例2得到的浇注炸药固化过程的应力-时间曲线和固化温度-时间曲线。

具体实施方式

参见图1，本发明的浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将应变片8粘贴在测试管4中段的内壁上。具体操作如下：

用纱布打磨测试管4中段的内壁，根据测试管4内壁光滑程度，可先用粗砂布后用细砂布打磨，打磨面积为应变片8面积的2～3倍；用酒精（或丙酮、四氯化碳）清洗打磨部位，去除表面的氧化层以及污垢使表面光洁；将应变片8粘贴在打磨部位，贴应变片8时保证粘接层中无气泡。

应变片8选用最高使用温度不小于180℃的应变片；粘贴应变片8所用粘结剂的使用最高温度不小于180℃。

步骤2：将温度传感器7固定在测试管4中段的外壁上。具体操作如下：

用耐高温的金属线将温度传感器7固定在测试管4外壁，使温度传感器7的感应位置紧贴测试管4外壁；金属线的最高使用温度不小于180℃，金属线直径为1mm～3mm。

步骤3：将至少一个安装有温度传感器7和应变片8的测试管4固定在固化容器2内，测试管4的布放位置和数量依据需要调整，将温度传感器7连接温度补偿电缆6，将应变片8连接同轴数据线缆5，各部件接口处缠绝缘胶带以与测试管4绝缘，绝缘电阻在50MΩ以上。测试管4的上边沿高于固化容器2且测试管4与固化容器2之间密封；固化容器2内各部件的连接处采用“〇”型橡胶密封圈密封。

步骤4：将待固化的浇注炸药3注入安装了测试管4的固化容器2中至满，待浇注炸药3须经抽真空处理以消除其内部的气泡。

步骤5：将固化容器2密封，并将其放入可控温烘箱1。

步骤6：将温度补偿电缆6和同轴数据线缆5引出可控温烘箱1，并将温度补偿电缆6连接温度信号适配器12，同轴数据线缆5连接应变放大仪10；

步骤7：将应变放大仪10及温度信号适配器12的输出端均通过同轴屏蔽数据线缆11连接数据采集仪9。

步骤8：打开数据采集仪9、应变放大仪10和温度信号适配器12，对数据采集仪9设置采样长度与采样频率，依据应变片8的规格设置应变放大仪10的输出电压及应变放大倍数，依据温度传感器7的类型及规格设置温度信号适配器12的放大倍数。

试验前，先对测量试验系统进行检测，如数据不正常，检查温度传感器7、应变片8的安装及信号传输是否出现故障，有故障则检修；如数据正常，则根据炸药固化温度和固化时间要求，设置可控温烘箱1的加热温度和保温时间。

步骤9：固化过程中，数据采集仪9实时采集数据，并将采集到的数据转换为应变-时间曲线、温度-时间曲线。固化试验结束，关闭可控温烘箱1、温度信号适配器12和应变放大仪10，待可控温烘箱1内的温度降低到室温后，将密封固化容器2取出，清理其内已固化的浇注炸药，将测试管4从密封固化容器2中取出，清理试验器材以待下次实验。

本发明各部件的选择如下：

所述固化容器2为上下两端带有密封盖的圆筒，其材质为不锈钢，直径20cm～30cm，长度30cm～40cm，壁厚2.0cm～3.0cm，上端的密封盖上设有测试管4安装孔用以固定测试管4。

所述测试管4的下端封闭，其材质为不锈钢或比不锈钢热膨胀系数小的金属材料；线膨胀系数为11.3×10^－6／℃～13×10^－6／℃，管长15cm～20cm，管口直径2cm～3cm，管壁厚2m～5mm。

所述温度传感器7采用铠装热电偶，测温范围为10～400℃。固定温度传感器7的金属线为直径1mm～3mm的漆包线。

所述应变片8采用120Ω～350Ω的单轴应变计，栅格尺寸1.0mm×1.5mm～2.9mm×1.9mm，玻璃丝布增强聚酰亚胺基底，耐热250℃，应变极限1.5%；应变片粘贴剂采用环氧-酚醛粘结剂，工作温度-270℃～370℃。

所述应变放大仪10采用动态应变仪，直流供电2V～8V、直流放大100～1000倍。

所述温度信号适配器12的输出信号放大倍数为100～1000倍。

所述数据采集仪9的采样频率为0.05Hz～0.2Hz，采样长度为0.7Mb～1.4Mb。

本发明的原理如下：

浇注炸药在固化过程中由于固化反应及自身放热的影响而膨胀，由于固化容器2的约束作用，浇注炸药内部产生的内应力作用在测试管4上，使测试管4产生微变形，测试管4内壁上的应变片8感受到微变形产生电信号，测试管4外壁上的温度传感器7感受到温度变化产生电信号，上述两种电信号分别经应变放大仪10及温度信号适配器12处理后，通过同轴屏蔽数据线缆11传送给数据采集仪9，数据采集仪9将采集的两种电信号转换为应变-时间曲线、温度-时间曲线。

由于应变放大仪10设置的应变片灵敏度系数k=2.00，当使用的应变片灵敏度系数不等于2.00时，利用式1对应变测量值ε进行修正：

ε′=2.00/K_c×ε （式1）

式中，ε′为修正后的应变测量值；ε为用应变片的直接测量值；K_c为所使用的应变片灵敏度系数。

如果是半桥，即同时采用2片应变片，则利用式2对应变片测量值ε进行修正：

ε′=ε/2 （式2）

根据式3计算浇注炸药固化过程的内应力。

σ=Eε′ （式3）

式中，σ为内应力；E为测试管材料的弹性模量；ε′为修正后应变测量值。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵循本发明的技术方案，本实施例中固化容器2直径30cm，长度40cm，壁厚3.0cm；测试管4管长15cm，管口直径2cm，管壁厚2m；温度传感器7采用铠装热电偶；应变片8采用120Ω的BB120-44A(11)250耐高温应变片；应变放大仪10采用YE3818动态应变仪。本实施例对500ml浇注PBX炸药固化过程中炸药内某一点的应力进行测量，其中固化温度为60℃恒温，应变片采用半桥接法，采用两个应变片，一个应变片用于做炸药的应变测量，另一个应变片用作温度补偿片，以消除温度变化对应变测量精度的影响。将用于应变测量的应变片贴在测试管中段的内壁，将温度补偿的应变片贴在外壁。试验数据通过HBM公司的GEN5i进行采集，采集频率为10/s,采集周期为18h。试验完毕，得到表1所示的不同时刻浇注炸药内部应力，并得到图2所示的固化温度为60℃下的应力-时间曲线。

表1不同时刻浇注炸药内部应力

时间/h	输出电压/mv	输出应变/10^-6	应力/Pa
				0	0	0	0
0.3	9.3	50	3500
				0.5	6.7	36.02	2521
0.58	7.1	38.17	2672
				0.7	5.1	27.41	1919
4.3	1.9	10.21	715
				16.2	4.4	23.65	1655
18	3.7	19.89	1392

实施例2：

本实施例给出与实施例1相同的炸药固化过程中药柱内部任一点的应力测量，所用测量仪器及测量方法完全相同，不同之处是本实施例采用变温固化方式对500ml的浇注PBX炸药进行固化。变温固化方式是从120℃开始高温固化5小时，然后温度以0.5℃/分钟降到60℃恒温固化10小时，再以0.5℃/分钟降到30℃恒温5小时。得到的固化过程的应力-时间曲线和固化温度-时间曲线如图3所示。

Claims

1.浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：将应变片（8）粘贴在测试管（4）中段的内壁上；

步骤2：将温度传感器（7）固定在测试管（4）中段的外壁上；

步骤3：将至少一个安装有温度传感器（7）和应变片（8）的测试管（4）固定在固化容器（2）内；将温度传感器（7）连接温度补偿电缆（6），将应变片（8）连接同轴数据线缆（5），各部件接口处与测试管（4）做绝缘处理；测试管（4）的上边沿高于固化容器（2）且测试管（4）与固化容器（2）之间密封；

步骤4：将待固化的浇注炸药（3）注入安装了测试管（4）的固化容器（2）中至满，将待浇注炸药（3）抽真空消除掉其内部的气泡；

步骤5：将固化容器（2）密封，并将其放入可控温烘箱（1）；

步骤6：将温度补偿电缆（6）和同轴数据线缆（5）引出可控温烘箱（1），并将温度补偿电缆（6）连接温度信号适配器（12），将同轴数据线缆（5）连接应变放大仪（10）；

步骤7：将应变放大仪（10）及温度信号适配器（12）的输出端均通过同轴屏蔽数据线缆（11）连接数据采集仪（9）；

步骤8：打开数据采集仪（9）、应变放大仪（10）和温度信号适配器（12），对数据采集仪（9）设置采样长度与采样频率，设置应变放大仪（10）的输出电压及应变放大倍数，设置温度信号适配器（12）的放大倍数；设置可控温烘箱（1）的加热温度和保温时间；

步骤9：数据采集仪（9）实时采集数据，并将采集到的数据转换为应变-时间曲线和温度-时间曲线。

2.如权利要求1所述的浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，其特征在于，固化容器（2）为上下两端带有密封盖的圆筒，其材质为不锈钢，直径20cm～30cm，长度30cm～40cm，壁厚2.0cm～3.0cm，上端的密封盖上设有测试管4安装孔。

3.如权利要求1所述的浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，其特征在于，所述测试管（4）的下端封闭，其材质为不锈钢或比不锈钢热膨胀系数小的金属材料；其线膨胀系数为11.3×10^－6／℃～13×10^－6／℃，管长15cm～20cm，管口直径2cm～3cm，管壁厚2m～5mm。

4.如权利要求1所述的浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，其特征在于，所述温度传感器（7）采用铠装热电偶，其测温范围为10～400℃；固定温度传感器（7）的金属线为直径1mm～3mm的漆包线。

5.如权利要求1所述的浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，其特征在于，所述应变片（8）采用120Ω～350Ω的单轴应变计。

6.如权利要求1所述的浇注炸药固化过程药柱内部应力的测量方法，其特征在于，所述应变放大仪（10）采用动态应变仪，直流供桥2V～8V、直流放大100～1000倍，温度信号适配器（12）输出信号放大100～1000倍。