CN105403376B - 一种用于离心机水下爆炸试验的适配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离心机水下爆炸试验的适配器，包括水平固定杆，所述水平固定杆安装在模型箱内壁上，在水平固定杆之间安装有竖直固定杆，竖直固定杆之间安装有可以滑动的滑块，在滑块上安装有微型雷管，微型雷管通过导爆索与球形装药连接，导爆索穿过通孔，在水平固定杆上安装有第一标尺，在竖直固定杆上安装有第二标尺，第一标尺的中点与第一固定杆的中点对齐，竖直固定杆的中点与第二标尺的中点对齐。本发明通过四根固定杆可以起到支撑球形装药的目的，拧动调节螺栓调整水平固定杆在一个平面，调节方便，通过滑动安装座和滑块，精确定位滑块位于模型箱中的位置，使得球形装药满足实验的爆轰要求。

Description

一种用于离心机水下爆炸试验的适配器

技术领域

本发明涉及用于离心机水下爆炸试验的适配器，属于离心模型试验的应用领域。

背景技术

战时大型水坝一旦受到爆炸破坏，以及进而导致多个水利工程发生连溃，将造成巨大的人员损伤和经济损失。因此，研究大坝工程的抗爆安全问题对最大限度降低损失以及进行大坝安全性评估具有十分重要的理论指导意义。由于经费和场地受限，难以通过原型爆炸试验研究得到爆炸荷载作用下大型坝体毁伤的机理；传统的结构模型实验也难以真实揭示爆炸原型的力学行为和破坏过程。土工离心机通过高速旋转增加模型重力，使模型介质体产生与原型相近的自重应力，模型的变形及破坏机制与原型相似，从而可模拟复杂的岩土工程及动力学问题。

根据相似律，若相似比为N，则模型和原型的尺寸比例关系为1/N，能量、质量比例关系为1/N3。在100倍重力加速度下，模型尺寸较原型缩小100倍，即模型中的1cm距离相当于原型中1m距离。故离心机爆炸试验中爆源位置的设置精度对测试数据有重要影响；由于离心机运转过程中形成的力学环境，要求对爆炸装置采取特殊固定措施；此外，在离心机运行过程中，爆炸装置产生的飞片和冲击波等破坏效应也可能对试验设施造成危害，应采取措施进行有效防护。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于离心机水下爆炸试验的适配器，适配器可以精确的固定球形装药的位置，使得球形装药发挥最大的爆轰，精度高，安全可靠。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于离心机水下爆炸试验的适配器，包括第一固定杆和第二固定杆，所述第一固定杆和第二固定杆水平的安装在模型箱内壁上，第一固定杆和第二固定杆两端分别安装有水平调整装置，在第一固定杆和第二固定杆之间安装有第三固定杆和第四固定杆，第三固定杆和第四固定杆之间安装有可以滑动的滑块，滑块的中心设有通孔，在滑块上安装有微型雷管，微型雷管通过导爆索与球形装药连接，导爆索穿过通孔，在第一固定杆上安装有第一标尺，在第三固定杆上安装有第二标尺，第一标尺的中点与第一固定杆的中点对齐，第三固定杆的中点与第二标尺的中点对齐，在第一标尺的中点设有第一气泡，第二标尺的中点设有第二气泡；所述第三固定杆和第四固定杆两端安装有安装座，安装座可沿第一固定杆和第二固定杆移动。

作为优选，所述第一固定杆和第二固定杆均通过L形状的固定支座安装在模型箱内壁上，在固定支座上安装有旋紧螺栓，旋紧螺栓与固定支座螺纹连接，在旋紧螺栓的头部安装有橡胶垫。

作为优选，所述调整装置包括调节螺栓，调节螺栓的端部活动连接在第一固定杆上，调节螺栓通过螺纹连接在固定支座上。

作为优选，所述安装座设有凹槽，安装座通过凹槽沿第一固定杆和第二固定杆移动。

作为优选，所述安装座安装有带凹槽的滚轮，滚轮沿第一固定杆和第二固定杆移动。

作为优选，所述滑块上安装有包裹微型雷管的防爆盒。

作为优选，所述球形装药包含使用保鲜膜制作的球状的壳体，壳体内设有主装药，壳体上延伸有圆柱形开口，在开口内设有与主装药连接的导爆索，导爆索与主装药之间设有传爆药，在圆柱形开口上套有热缩管。

作为优选，所述主装药包含两个半球形装药，在一个半球形装药中设有用于放置导爆索的通孔，两个半球形装药通过虫胶漆粘接成球状。

作为优选，所述传爆药为太安炸药，主装药为8701炸药，传爆药与主装药质量之比为1:9。

在本发明中，第一固定杆、第二固定杆、第三固定杆和第四固定杆的需要进行校核。a.材料强度校核

考虑最不利条件下和最不利部位的强度是否满足工况要求，适配器的承重器件主要是固定杆件。假设固定杆的承重模式按简支梁计算，则杆件的中点处为最不利部位。杆件承受的载荷包括杆件自重和承载装置(如爆炸装置、防护盒)的重量，自重为作用于杆件整体的均布载荷，承载重量为作用于杆件中点的集中载荷。第一固定杆的轴线为X轴，第三固定杆的轴线为Y轴。

对于X轴向固定杆的承载进行分析，包括X轴向固定杆自重，为均布载荷；Y轴向固定杆重量和承载装置重量，为集中载荷，作用于X轴向固定杆的中点。

X轴向固定杆弯曲应力和剪切应力计算公式：

对于Y轴向固定杆的承载进行分析，包括Y轴向固定杆自重，为均布载荷；承载装置重量，为集中载荷，作用于Y轴向固定杆的中点。

Y轴向固定杆弯曲应力和剪切应力计算公式：

则材料抗弯强度校核公式为：

σ_x,σ_y<n[σ_w] (5)

τ_x,τ_y<n[τ_w] (6)

其中，l_x，l_y分别为X轴向固定杆和Y轴向固定杆的长度(m)；M₀为承载装置的重量(kg)；g为离心加速度(m/s²)；W_z为抗弯截面系数(m³)；A为固定杆的横截面面积(m²)；ρ为材料密度(kg/m³)；σ_x，σ_y为X轴向固定杆和Y轴向固定杆危险截面的最大弯曲应力(Pa)；τ_x，τ_y为X轴向固定杆和Y轴向固定杆危险截面的最大弯曲应力(Pa)；n为安全系数；[σ_w]为材料的最大许用弯曲应力(Pa)；[τ_w]为材料的最大许用剪切应力(Pa)。

b.结构的固定强度校核

结构固定强度指适配器橡胶固定支座与模型箱的连结强度，需满足固定强度大于在离心加速度下的适配器与承载装置的总重量。由于游标尺和滑块的位置可调，适配器的重心不一定在橡胶固定支座分布的中心位置，重量分布并非均匀的分布到每个橡胶固定支座上。因此在计算结构固定强度时，应考虑最不利情况。即承载重量按最大偏心分布分配到某一个橡胶固定支座上。

因此，结构固定强度校核公式为：

其中，w为偏心系数；N_F为固定支座数量；[F]固定支座最大固定力(N)。

②固定杆可许变形量设计依据

固定杆可许变形量是指，离心机运转过程中适配器杆件变形引起的爆炸装置位置最大允许位移量。因此，适配器在高离心加速度和最大承载情况下，各杆件的变形量应当满足一定精度，以保证依靠适配器所固定的装置不会在离心加速度的作用下出现位置上的较大偏差。考虑最不利情况下，离心加速度最大，承载载荷最大，承载载荷作用于各杆件的中点，此时的挠度应当包括X轴向固定杆的最大挠度和Y轴向固定杆的最大挠度之和，其计算公式为：

固定杆可许变形量的校核公式为：

W_x+W_y<[W] (10)

其中，W_x，W_y为X轴向固定杆和Y轴向固定杆的最大挠度(m)；I为截面惯性矩(m⁴)；E为材料弹性模量(Pa)；[W]为离心机水下爆炸试验许用最大距离误差，即精度范围。

③固定杆尺寸设计和材料选择

由于离心机水下爆炸试验所用模型箱尺寸为1200×700×900mm，故设计X轴向固定杆长1100mm，Y轴向固定杆长600mm。上述尺寸可确保模型箱空间能容纳固定杆的最大尺寸。

根据强度校核和可许变形量指标，确定固定杆采用20×30mm矩形截面，材料选用6063铝合金。铝合金的材料密度为2.71×10³kg/m³，其力学参数分别为：弹性模量70GPa，泊松比0.33，抗弯强度85.5MPa，抗剪强度49.4Mpa。

防爆盒的设计，①设计依据：离心机水下爆炸试验采用的爆炸装置起爆序列为雷管—导爆索—主装药，主装药爆炸将产生球面爆炸波作用。为消除雷管爆炸冲击波和破片对主装药球面波的干扰，应设计防爆盒对雷管进行专门防护，使之具备防护雷管冲击波和破片的能力。

由于雷管的药量仅为8mg，经估算爆炸后产生破片能量小于冲击波能量，故防爆盒的防护依据主要考虑能否抵抗雷管冲击波作用。

球形装药在无限空气介质中爆炸时，空气冲击波峰值超压可用下式计算：

防爆盒材料的极限抗压能力计算式为：

DP_max<[P] (13)

式中，ΔP_m—无限空气中爆炸时冲击波的峰值超压，ΔP_m＝P-P₀，(10⁶Pa)；P—空气冲击波波阵面上的峰值压力：(10⁶Pa)；P₀—空气中的初始压力，(10⁶Pa)。C—TNT的装药量，(kg)；R—距爆心的距离，(m)；—比例距离，(m/kg^1/3)；r—测点距爆心的距离，(m)；ΔP_max为最大峰值超压，(10⁶Pa)；[P]为防爆盒的极限抗压强度，(10⁶Pa)。

②尺寸设计和材料选择

防爆盒尺寸为100mm×100mm×70mm，采用A3钢，壁厚3mm。防爆盒固定在滑块上，可随滑块滑动；防爆盒分为主体部分和盖体部分，两部分通过插销连接，可将盖体部分拆卸后在主体内设置雷管；防爆盒主体部分设有用于引出雷管脚线的通孔；防爆盒在侧壁上设有间距1cm设置直径1mm的卸载孔。

在本发明中，每个橡胶固定支座通过螺栓连接两个支座。固定方式采用螺纹旋紧方式，通过旋紧螺栓对橡胶固定支座向模型箱内壁施加压力，依靠固定支座与模型箱内壁的摩擦力达到固定目的。

橡胶与铁、钢等材料的摩擦系数可达0.6～0.9，通过旋紧螺栓对橡胶座施加压力以增大橡胶座与模型箱壁之间的静摩擦力，为适配器提供固定力。其计算公式为：

[F]＝μF_N (11)

其中，[F]固定支座最大固定力(N)；μ为摩擦系数；F_N为接触面压力(N)。

固定支座与固定杆采用螺栓连接，在适配器使用过程中，将固定杆固定在模型箱侧壁后，可通过旋转此螺栓，调整固定杆与固定支座的距离，使固定杆达到水平姿态。

有益效果：本发明的用于离心机水下爆炸试验的适配器，通过四根固定杆可以起到支撑球形装药的目的，拧动调节螺栓调整第一固定杆和第二固定杆在一个平面，调节方便，通过滑动安装座和滑块，精确定位滑块位于模型箱中的位置，使得球形装药满足实验的爆轰要求。

附图说明

图1为本发明的俯视示意图。

图2为本发明的侧视示意图。

图3为图1中固定支座的俯视图。

图4为图1中固定支座的侧视图。

图5为本发明防爆盒的侧视图。

图6为本发明的球形装药结构示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明的一种用于离心机水下爆炸试验的适配器，包括第一固定杆1和第二固定杆，所述第一固定杆1和第二固定杆水平的安装在模型箱内壁上，第一固定杆1和第二固定杆两端分别安装有水平调整装置，在第一固定杆1和第二固定杆之间安装有第三固定杆和第四固定杆，第三固定杆和第四固定杆之间安装有可以滑动的滑块6，滑块6的中心设有通孔，在滑块6上安装有微型雷管11，微型雷管设有雷管引线10，微型雷管11通过导爆索12与球形装药13连接，导爆索12穿过通孔，在第一固定杆1上安装有第一标尺3，在第三固定杆上安装有第二标尺，第一标尺的量程为1000mm，第二标尺的量程为500mm，精度均为1mm，第一标尺3的中点与第一固定杆1的中点对齐，第三固定杆的中点与第二标尺的中点对齐，在第一标尺3和第二标尺的中点各设有第一气泡4和第二气泡；所述第三固定杆和第四固定杆两端安装有安装座5，安装座5可沿第一固定杆1和第二固定杆移动。

如图3和图4所示，所述第一固定杆和第二固定杆均通过L形状的固定支座2安装在模型箱内壁上，在固定支座2上安装有旋紧螺栓8，旋紧螺栓8与固定支座2螺纹连接，在旋紧螺栓8的头部安装有橡胶垫7，通过调整旋紧螺栓8达到调整橡胶垫7与模型箱壁的松紧程度的目的，从而固定固定杆。所述调整装置包括调节螺栓9，调节螺栓9的端部活动连接在第一固定杆1或第二固定杆上，调节螺栓9通过螺纹连接在固定支座2上。

在本发明中，所述安装座5设有凹槽，安装座5通过凹槽沿第一固定杆1和第二固定杆移动。或者所述安装座5安装有带凹槽的滚轮，滚轮沿第一固定杆1和第二固定杆移动。所述滑块6上安装有包裹微型雷管11的防爆盒14。如图5所示，防爆盒尺寸为100mm×100mm×70mm，采用A3钢，壁厚3mm。防爆盒固定在滑块6上，可随滑块6滑动；防爆盒分为主体部分23和盖体部分21，两部分通过插销22连接，可将盖体部分21拆卸后在主体部分23设置雷管；防爆盒主体部分23设有用于引出雷管脚线的通孔19；防爆盒在侧壁上设有间距1cm设置直径1mm的卸载孔20。

在本发明中，所述球形装药13包含使用保鲜膜17制作的球状的壳体，壳体内设有主装药16，壳体上延伸有圆柱形开口，在开口内设有与主装药16连接的导爆索12，导爆索12与主装药16之间设有传爆药15，在圆柱形开口上套有热缩管18。所述主装药16包含两个半球形装药，在一个半球形装药中设有用于放置导爆索12的通孔，两个半球形装药通过虫胶漆粘接成球状。所述传爆药15为太安炸药，主装药16为8701炸药，传爆药15与主装药16质量之比为1:9。

微量球形装药13的制作方法，包括以下步骤：(1)按装药规格分别制作两个相同的半球形模具，其中一个模具中预留有实心圆柱为压药模具；(2)固定模具，第一次装填散装药，选用小型冲头对散装药进行压实，成型压力为15MPa，保压时间5s；(3)向模具中第二次装填散装药，选用大型冲头对散装药进行压实，成型压力30MPa，保压时间15s；(4)将模具之外的成型装药打磨消除，形成下半球装药，使成型装药符合设计规格；(5)选用压药模具，重复步骤(2)～(4)，形成上半球装药，上半球装药中心有通孔；(6)在压装好的上半球装药和下半球装药平面位置涂上虫胶漆后，将两个半球粘结在一起形成球形装药13；(7)导爆索12接入球形装药13的通孔后使用塑料保鲜膜17包覆，套入热缩管18后并热缩牢固，使通过保鲜膜17和热缩管18使导爆索12与药球可靠连接。

本发明在使用时，首先将第一固定杆1和第二固定杆通过固定支座2水平安装在模型箱中，首先调节第一固定杆1两端的调节螺栓9，使得第一气泡4位于第一标尺3的中间，然后调节第二固定杆两端的调节螺栓9，使得第二气泡位于第二标尺的中点，使得滑块6与第一固定杆1和第二固定杆位于水平面上，按试验要求调整安装座5的位置，满足滑块6在X轴的位移，调整滑块6在第二标尺上的位置，满足滑块6在Y轴的位置，从滑块6上安装微型雷管11，导爆索12一端连接微型雷管11，另一端穿过滑块6的通孔与球形装药13连接，在微型雷管11上安装防爆盒。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：包括第一固定杆和第二固定杆，所述第一固定杆和第二固定杆水平的安装在模型箱内壁上，第一固定杆和第二固定杆两端分别安装有水平调整装置，在第一固定杆和第二固定杆之间安装有第三固定杆和第四固定杆，第三固定杆和第四固定杆之间安装有可以滑动的滑块，滑块的中心设有通孔，在滑块上安装有微型雷管，微型雷管通过导爆索与球形装药连接，导爆索穿过通孔，在第一固定杆上安装有第一标尺，在第三固定杆上安装有第二标尺，第一标尺的中点与第一固定杆的中点对齐，第三固定杆的中点与第二标尺的中点对齐，在第一标尺的中点设有第一气泡，第二标尺的中点设有第二气泡；所述第三固定杆和第四固定杆两端安装有安装座，安装座可沿第一固定杆和第二固定杆移动。

2.根据权利要求1所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述第一固定杆和第二固定杆均通过L形状的固定支座安装在模型箱内壁上，在固定支座上安装有旋紧螺栓，旋紧螺栓与固定支座螺纹连接，在旋紧螺栓的头部安装有橡胶垫。

3.根据权利要求2所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述调整装置包括调节螺栓，调节螺栓的端部活动连接在第一固定杆上，调节螺栓通过螺纹连接在固定支座上。

4.根据权利要求3所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述安装座设有凹槽，安装座通过凹槽沿第一固定杆和第二固定杆移动。

5.根据权利要求3所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述安装座安装有带凹槽的滚轮，滚轮沿第一固定杆和第二固定杆移动。

6.根据权利要求4或5所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述滑块上安装有包裹微型雷管的防爆盒。

7.根据权利要求6所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述球形装药包含使用保鲜膜制作的球状的壳体，壳体内设有主装药，壳体上延伸有圆柱形开口，在开口内设有与主装药连接的导爆索，导爆索与主装药之间设有传爆药，在圆柱形开口上套有热缩管。

8.根据权利要求7所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述主装药包含两个半球形装药，在一个半球形装药中设有用于放置导爆索的通孔，两个半球形装药通过虫胶漆粘接成球状。

9.根据权利要求8所述的用于离心机水下爆炸试验的适配器，其特征在于：所述传爆药为太安炸药，主装药为8701炸药，传爆药与主装药质量之比为1:9。