CN105486525A - 一种在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，包括模型箱、数据采集与分析单元和同步控制单元，所述模型箱内装有试验介质，在试验介质中安装有爆炸装置，在模型箱底部固定安装有靶体，在模型箱内安装有数据接收单元，数据接收单元与数据传输单元连接，数据传输单元与数据采集与分析单元连接；爆炸装置起爆后，数据接收单元接收各种试验数据，试验数据通过数据传输单元传输到数据采集与分析单元中进行处理，上传到同步控制单元中。本发明的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，能适应离心机高速旋转的特殊力学环境，且实现爆炸装置在离心模型试验中的精确安全起爆及信号的同步采集与传输。

Description

一种在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置

技术领域

本发明涉及在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，属于离心机爆炸模型试验的研究领域。

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。

由于离心机的性能和试验模型盛放平台(吊篮)尺寸的限制，同时爆炸冲击波在模型箱边界产生的反射波可能干扰自由场冲击波数据的获取，因此，爆炸离心模型试验的设计需合理选择爆炸装置并充分考虑模型箱尺寸及防护能力，且需根据爆炸元及介质特性合理布设传感器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，能适应离心机高速旋转的特殊力学环境，且实现爆炸装置在离心模型试验中的精确安全起爆及信号的同步采集与传输。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，包括模型箱、数据采集与分析单元和同步控制单元，所述模型箱内装有试验介质，在试验介质中安装有爆炸装置，在模型箱底部固定安装有靶体，在模型箱内安装有数据接收单元，数据接收单元与数据传输单元连接，数据传输单元与数据采集与分析单元连接；爆炸装置起爆后，数据接收单元接收各种试验数据，试验数据通过数据传输单元传输到数据采集与分析单元中进行处理，上传到同步控制单元中。

作为优选，所述数据接收单元包含压力传感器、加速度传感器、激光位移传感器、应变片和高速摄影机，所述压力传感器位于靶体正面的试验介质中，所述加速度传感器沿靶体背面中心轴向间隔分布，所述激光位移传感器放置在靶体上沿中心，所述靶体正面正对模型箱一侧设有观察窗，观察窗外设有高速摄影机。

作为优选，所述爆炸装置包括连接件、微型电雷管、细径导爆索和微型药球，所述微型电雷管和导爆索端部部分位于连接件内，细径导爆索与微型电雷管连接，所述连接件包含壳体，泡沫铝柱体和橡胶垫圈，泡沫铝柱体内部形成一端封闭的空腔体，空腔体放置微型电雷管和细径导爆索端部部分，微型电雷管和细径导爆索端部与空腔体腔壁之间均设有橡胶垫圈，在壳体的外侧均匀缠绕两层碳纤维。

作为优选，所述细径导爆索包含芯药和包裹芯药的包覆层，所述芯药包含黑索金和添加剂，所述包覆层包含银质壳体和外覆的聚四氟乙烯。

作为优选，所述药球外设有保鲜膜。

作为优选，所述细径导爆索接入药球内部长度为其直径1/3～2/3。

作为优选，所述靶体为钢板，靶体通过混凝土卡槽固定在模型箱中。

在本发明中，爆炸装置包括爆炸源和起爆装置两部分。爆炸装置的选择需兼顾爆炸源的安全可靠起爆、起爆装置对试验的干扰、离心机的工作极限等因素。

试验爆炸源选择微型球形装药。其试验用药量的选择应满足如下关系：

${\mathrm{mN}}_{max}^3\≤M---\left(1\right)$

其中m为爆炸源的TNT当量(g)，N_max为离心机的最大离心加速度(kg/m³)，M为离心机可承受的最大爆炸当量(t)。考虑到离心效应对爆炸源加工误差及起爆装置爆炸能量的放大效应，爆炸源的加工误差应≤10mg，试验介质中用于传爆的细径导爆索总药量≤100mg。

模型箱外部尺寸需在离心机相关部件尺寸的允许范围内，且消除模型箱内壁对爆炸源冲击波的反射作用。模型箱可采用钢制厚壁焊接结构或铝合金厚板螺栓紧固结构，整体为立方体外形，其中一面设有树脂玻璃厚板观测窗(尺寸为300mm×700mm)。可根据静爆试验结果，确定在模型箱内壁是否采用粘贴聚乙烯材料的方法以衰减冲击波的反射作用。

根据试验要求选择合适的试验介质。水介质的选择考虑密度、蓄水高度，通常情况下可选择纯水进行试验，蓄水高度根据实际船闸前蓄水高度限定为300mm～700mm。

根据试验目的合理选择靶体，靶体材料应与原型试验材料相一致，其尺寸和形状应根据相似准则等比例缩小。

数据接收单元选择指标如下：

a.压力传感器：压力量程0～150MPa；固有频率≥320kHz；测试精度≤2％；FS上升前沿≤20μs；非线性度±0.1％～±5％；测量介质温度-30～120℃；压力传感器的角度θ40～200°；平均灵敏度≥100mV/MPa。

b.加速度传感器：测量范围≤10g，分辨率≤10-5g，平均灵敏度≥200mV/g，≤线性度-1％～1％(满量程)；噪声均方根值＜10-6g；迟滞＜0.05％满量程；零点漂移＜450μgn/℃；测量介质温度-30～120℃；

c.激光位移传感器：线性度-0.1％～0.1％(满量程)；重复性≤0.01mm；分辨率≤0.01mm；使用距离≤120mm；测量范围-20mm～20mm；采样频率≥45KHZ；

d.应变片：电阻值115～120Ω；绝缘电阻≥2×109Ω；敏感系数2～2.3；允许电流80mA～120mA；应变极限≥8000/L8；测量范围1～20000με；测量精度1～2％；

f.高速摄影机指标：摄影频率≥5×104幅/s；分辨率≥1000万像素。

数据传输单元包括传输电缆和电荷放大器，其技术指标如下：

a.传输电缆：带宽≥100MHZ；工作温度-20～100℃；信号衰减≤40dB。

b.电荷放大器：最大电荷输入量≥5×103pc；输出增益≥300mv/unit；频率范围1HZ～200KHz；噪声≤10μv；谐波失真度＜2％；线性度＜2％。

对于水中爆炸冲击波这一高频瞬态信号的测试，要求数据采集与分析单元具有多通道、记录速度快、量程大的特点，其选择指标如下：

a.最高采样速率≥2M；

b.采样精度≥15Bit；

c.记录容量≥30M；

d.冲击峰值≥90g。

将数据传输单元和数据采集及分析单元安装在离心机转臂上，以减弱数采单元各通道的相互干扰及传输距离对信号可靠性的影响。

同步控制单元组成包括离心机转速与同步传感器组件、信号处理电路、主控制机均为离心机平台自带模块。

试验操作方法如下：

①放置并固定靶体

a.放置靶体。根据试验设计方案将靶体放置在模型箱底部特定位置，其整体应处于模型箱横向中间位置。放置前对靶体底部和放置处模型箱内壁进行打磨、除锈(尘)、清洗三道准备工序，而后在两者接合部均匀涂抹厚度为1cm的AB胶，静置15～30分钟，使靶体与模型箱紧密接合。

b.固定靶体。在靶体横向两端与模型箱内壁间用模具浇筑两个混凝土卡槽，用以固定靶体，混凝土卡槽应高出靶体10～20cm，其厚度方向分别超出靶体厚度的1/3～2/3。

②组装并布设爆炸装置

a.组装爆炸装置。通过连接件组合细径导爆索与微型电雷管，用透明塑料保鲜膜包覆药球，保鲜膜口部套入热塑管，将细径导爆索接入微型药球，而后用吹风机加热热塑管，确保药球与导爆索紧密接合，导爆索接入药球内部长度为其直径1/3～2/3为宜，以保证药球稳定爆轰。

b.布设爆炸装置。将组装完毕的爆炸装置套入特制的适配器中，根据试验要求调节适配器标尺及水平仪，将爆炸装置固定在模型箱内特定位置。爆炸装置的布设应保证连接件高于试验介质上表面。

③布设传感器

传感器的布设应综合考虑传感器量程、介质属性、与靶体及爆炸装置的相对位置、模型箱尺寸及边界效应。其中，激光位移传感器放置在靶体上沿中心，加速度传感器紧贴靶体背面沿中心轴向上部放置，应变片设置在靶体背面中轴线下部及侧边，压力传感器沿靶体正面法向间隔布置。传感器布设前均经过防水处理，为达到更好的防水效果，传感器粘贴后，在传感器外部均匀涂抹厚度为5mm的AB胶。

离心机水中爆炸模型试验的压力传感器的布设位置可依据以下计算公式：

$R=W^{\frac{1}{3}}\×\sqrt[T]{K/P_m}---\left(2\right)$

水中冲击波近场及远场压力峰值的公式如下：

$P_m=\left\{\begin{array}{cc}1.57{\&lsqb;\frac{W^{1/3}}{R}\&rsqb;}^3-19.84{\&lsqb;\frac{W^{1/3}}{R}\&rsqb;}^2+184.81\frac{W^{1/3}}{R}& 0<\frac{R}{R_0}<0\\ 4.41\&times;{10}^7{\left(\frac{W^{1/3}}{R}\right)}^{1.5}& 6\&le;\frac{R}{R_0}<12\\ 5.24\&times;{10}^7{\left(\frac{W^{1/3}}{R}\right)}^{1.13}& 12\&le;\frac{R}{R_0}<240\\ 18.33{\left(\frac{R_0}{R}\right)}^{1.07}\exp (-2.78+2.2(\frac{R_0}{R})+0.58\left({\left(\frac{R_0}{R}\right)}^2\right)& 240\&le;\frac{R}{R_0}<400\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中W为爆炸源的TNT当量(Kg)，R为爆心距观测点的距离(m)，R₀为药包的初始半径(m)，P_m为峰值压力(Pa)，K和T为炸药超压相似律系数，对TNT炸药K＝52.40(MPa)，T＝1.13。工程计算中结合模型箱尺寸和试验目的设定经验布设距离，根据公式(3)求出爆源的压力场分布，而后将压力场分布值代入(2)式，反解出压力传感器理论布设距离，反复进行上述计算，结合试验的可操作性和简便性，在不影响试验测量的前提下确定最终适宜的布设位置。

P_m爆炸自由场的峰值应力(GPa)；f为耦合系数；W为爆炸源的TNT当量(Kg)；n为衰减系数；R为目标点距爆心的距离(m)；ρc为介质声阻抗。

④试验介质装填

以0.5m³/s的速度将水沿模型箱内壁面匀速注入模型箱至设计水面高度。

⑤高速摄影机设置

用特制金属固定装置将高速摄影机固定在模型箱一侧(距离视具体条件确定)，应确保高速摄影机随模型箱平稳转动，高速摄影机与模型箱的相对距离应能保证拍摄视角覆盖模型箱的观察窗。

⑥连接爆炸装置与爆炸测控系统

通过同步控制单元连接爆炸装置与爆炸测控系统，确定连接无误后做好安全防护措施。

⑦启动离心机及起爆

检查各道工序顺利完成后，试验人员撤离离心机室。启动离心机，当离心加载速度达到目标值时实施爆炸试验。

有益效果：本发明的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，能适应离心机高速旋转的特殊力学环境；本试验装置中的爆炸装置的细径导爆索和微型电雷管单元通过连接件紧密连接，细径导爆索采用银质壳体，具有明显优于常规导爆索的力学特性，细径导爆索和微型药球通过外敷保鲜膜和热塑套管实现紧密结合，爆炸装置整体通过适配器牢固固定在模型箱内部；模型箱采用钢制厚壁焊接结构或铝合金厚板螺栓紧固结构，整体结构牢固可靠；靶体放置前，对模型箱壁面进行了打磨、除锈和清洗处理，而后用AB胶进行粘贴，最后通过混凝土卡槽进行固定；在传感器的选择上充分考虑了离心机的能量放大效应，选择的传感器具有量程大、灵敏度高、性能稳定的特点；为减弱数采单元各通道的相互干扰及传输距离的影响，将数据传输单元和数据采集及分析单元安装在离心机上；通过上述设计及操作实现爆炸装置在离心模型试验中的精确安全起爆及信号的同步采集与传输。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2起爆装置的结构示意图。

图3起爆装置的安装示意图。

图4钢板水下爆炸试验模型迎水面示意图。

图5钢板水下爆炸试验模型背水面示意图。

图6为连接件的截面示意图。

图7为细径导爆索的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明的一种在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，包括模型箱1、数据采集与分析单元8和同步控制单元9，所述模型箱1内装有试验介质3，在试验介质3中安装有爆炸装置，在模型箱1底部固定安装有靶体4，在模型箱1内安装有数据接收单元，数据接收单元与数据传输单元6连接，数据传输单元6与数据采集与分析单元8连接，并安装在离心机上；爆炸装置起爆后，数据接收单元接收各种试验数据，试验数据通过数据传输单元6传输到数据采集与分析单元8中进行处理，上传到同步控制单元9中。

在本发明中，所述数据接收单元包含压力传感器5、加速度传感器18、激光位移传感器19、应变片20和高速摄影机7，所述压力传感器5位于靶体4正面的试验介质3中，靶体正面即为靶体面向爆炸装置的那个面，所述加速度传感器18沿靶体4背面中心轴向间隔分布，所述激光位移传感器19放置在靶体4上沿中心，所述靶体4正面正对模型箱1一侧设有观察窗，观察窗外设有高速摄影机7。

在本发明中，所述爆炸装置包括连接件10、微型电雷管11、细径导爆索12和微型药球13，所述微型电雷管11位于连接件10内，细径导爆索12与微型电雷管11连接，细径导爆索12通过热塑管15与药球13连接，所述药球13外设有保鲜膜14；所述连接件10包含壳体21、泡沫铝柱体24和橡胶垫圈23，泡沫铝柱体24内设有一端封闭的空腔体22，微型电雷管11和细径导爆索12端部位于空腔体内，微型电雷管11及细径导爆索12与空腔体22腔壁之间均设有橡胶垫圈，壳体21的外侧均匀缠绕两层碳纤维。

在本发明中，所述细径导爆索12包含芯药25和包裹芯药25的包覆层，所述芯药包含黑索金和添加剂，所述包覆层包含银质壳体26和外覆的聚四氟乙烯27。所述细径导爆索12接入药球13内部长度为其直径1/3。所述靶体4为钢板，靶体4通过混凝土卡槽16固定在模型箱1中。

在本发明中，试验系统所依托的中国水利水电科学研究院的LXJ-4-450型土工离心模型试验机(最大转动半径5.03m，最大加速度300g，有效负载l.5t，有效荷载容量450g-t，试验吊篮尺寸L×W×H＝1.5m×1.0m×1.5m，试验设置离心加速度60g)。

(1)爆炸模型设计

①爆炸装置选择

爆炸装置包括爆炸源13和起爆控制装置两部分，爆炸源13为微型药球，起爆装置由连接件10、微型电雷管11和细径导爆索12两三部分组成。

爆炸源、微型电雷管、细径导爆索技术指标分别如下：

a.微型药球13：装药组分:8701炸药/太安＝90/10；装药密度:1.6g/cm³；

装药半径:5.33mm；爆速:8750m/s；爆压为:33.8GPa。

b.微型电雷管11：装药种类：黑索金；尺寸参数：管壳外径d1＝3.5mm，内径d2＝2.7mm，管壳长度l＝2cm；装药总量(TNT当量)m＝8±0.5mg；安全电流＝0.18A(直流电)；单发发火电流＝0.43A。

c.细径导爆索12：装药组成：95％黑索金，5％添加剂；装药线密度(TNT当量)：ρ₁＝48±1mg/m；银质壳体线密度：ρ₂＝8±1mg/m；结构尺寸参数：外径d＝2.5mm；单根完整长度l＝1.2m；炸药爆炸性能：爆速D＝6700m/s，爆压P＝17GPa，做功能力W＝575cm³；材料力学性能：抗拉强度≥500N；材料防水性能：两端封闭，在0.5深的水中浸入24小时后不失去爆炸性能。

②模型箱1设计

成立方体结构，采用铝合金厚板以螺栓紧固而成，尺寸为1200×700×900m，其中一面有树脂厚板观察窗((尺寸为300mm×700mm)，模型箱除观察窗位置，其余各面敷设厚度为1cm的聚乙烯材料以减轻冲击波的反射。

③试验介质3选择

采用纯水作为试验介质，密度1g/m³，蓄水高度600mm。

④靶体4制作

采用矩形钢板作为目标靶板，材料为Q345钢，厚50mm，高700mm，长600mm。

(2)爆炸测控系统设计

①爆炸测控系统组成

爆炸测控部分由数据接收单元、数据传输单元、数据采集与分析单元、同步控制单元构成。

②数据接收单元选择

数据接收单元包括各类传感器和高速摄影机7。试验共采用压力传感器5、加速度传感器18、激光位移传感器19、应变片20四类传感器，其中水压力传感5器型号为DruckPDCR81，加速度传感器18型号为PCBShear22ZM，激光位移传感器19型号为WenglorYP-MGVL，应变片20型号为BE120-3AA。高速摄影机7型号为MiniUX100。

③数据传输单元6配置

数据传输单元6包括传输电缆和电荷放大器。传输电缆电缆型号为BBTRZ，电荷放大器型号为YE5853。

④数据采集与分析单元选择

数据采集与分析单元8选用东华DH5922N。

⑤同步控制单元9组成

包括离心机转速与同步传感器组件、信号处理电路、主控制机，均为离心机平台自带模块。

(3)试验操作方法

①放置并固定靶体4

a.放置靶体4。根据试验设计方案将靶体4放置在模型箱底部特定位置，其整体应处于模型箱横向中间位置。放置前对靶体4底部和放置处模型箱内壁进行打磨、除锈(尘)、清洗三道准备工序，而后在两者接合部均匀涂抹厚度为1cm的AB胶，静置20分钟，使靶体4与模型箱1紧密接合。

b.固定靶体4。在靶体4横向两端与模型箱1内壁间用模具浇筑两个混凝土卡槽16，用以固定靶体4，混凝土卡槽16高出靶体15cm，其厚度方向分别超出靶体4厚度的2/3。

②组装并布设爆炸装置

a.组装爆炸装置。通过连接件组合细径导爆索12与微型电雷管11，用透明塑料保鲜膜14包覆药球13，保鲜膜14口部套入热塑管15，将细径导爆索接入微型药球，而后用吹风机加热热塑管，确保药球13与导爆索12紧密接合，导爆索12接入药球13内部长度为其直径1/3。

b.布设爆炸装置。将组装完毕的爆炸装置套入特制的适配器17中，根据试验要求调节适配器标尺及水平仪，将爆炸装置固定在模型箱内特定位置。爆炸装置的布设应保证连接件高于试验介质上表面。

③布设传感器

如图3至图5，激光位移传感器19放置在靶体4上沿中心，加速度传感器18沿靶体4背面中心轴向间隔100mm设置1列(3个)，应变片20在靶体4背面中轴线一侧间隔100mm设置3列(14个)，压力传感器5沿靶体4正面法向间隔200mm设置3列，横向和纵向间隔100m设置3列(36个)。

④试验介质3装填

以0.5m³/s的速度将水沿模型箱内壁面匀速注入模型箱至600mm。

⑤高速摄影机7设置

用特制金属固定装置将高速摄影机7固定在模型箱1一侧，距观察窗0.5m。

⑥连接爆炸装置与爆炸测控系统

通过同步控制单元9连接爆炸装置与爆炸测控系统，确定连接无误后做好安全防护措施。

⑦启动离心机及起爆

检查各道工序顺利完成后，试验人员撤离离心机室。启动离心机，当离心加载速度达到目标值时实施爆炸试验。

实施效果：参阅图1至图5，离心机达到设置离心加速度后，爆炸装置安全起爆，模型箱整体结构安全稳定；高速摄影机捕捉到明显的水中爆炸现象，包括冲击波及气泡脉动的成型及传播；各类传感器测得各类试验数据，包括水中距爆炸源不同位置处压力峰值、靶体背面不同位置的加速度与应变变化及靶体整体法向位移变化，数据测试同步性高且都在有效量程内，可信度高。

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 (7)

1.一种在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱、数据采集与分析单元和同步控制单元，所述模型箱内装有试验介质，在试验介质中安装有爆炸装置，在模型箱底部固定安装有靶体，在模型箱内安装有数据接收单元，数据接收单元与数据传输单元连接，数据传输单元与数据采集与分析单元连接；爆炸装置起爆后，数据接收单元接收各种试验数据，试验数据通过数据传输单元传输到数据采集与分析单元中进行处理，上传到同步控制单元中。

2.根据权利要求1所述的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，其特征在于：所述数据接收单元包含压力传感器、加速度传感器、激光位移传感器、应变片和高速摄影机，所述压力传感器位于靶体正面的试验介质中，所述加速度传感器沿靶体背面中心轴向间隔分布，所述激光位移传感器放置在靶体上沿中心，所述靶体正面正对模型箱一侧设有观察窗，观察窗外设有高速摄影机。

3.根据权利要求2所述的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，其特征在于：所述爆炸装置包括连接件、微型电雷管、细径导爆索和微型药球，所述微型电雷管和导爆索端部部分位于连接件内，细径导爆索与微型电雷管连接，所述连接件包含壳体，泡沫铝柱体和橡胶垫圈，泡沫铝柱体内部形成一端封闭的空腔体，空腔体放置微型电雷管和细径导爆索端部部分，微型电雷管和细径导爆索端部与空腔体腔壁之间均设有橡胶垫圈，在壳体的外侧均匀缠绕两层碳纤维。

4.根据权利要求3所述的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，其特征在于：所述细径导爆索包含芯药和包裹芯药的包覆层，所述芯药包含黑索金和添加剂，所述包覆层包含银质壳体和外覆的聚四氟乙烯。

5.根据权利要求3或4所述的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，其特征在于：所述药球外设有保鲜膜。

6.根据权利要求5所述的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，其特征在于：所述细径导爆索接入药球内部长度为其直径1/3～2/3。

7.根据权利要求6所述的在离心机平台上开展水下爆炸研究的模型试验装置，其特征在于：所述靶体为钢板，靶体通过混凝土卡槽固定在模型箱中。