CN106018134B - 冲击波加载实验样品的回收装置及软回收方法 - Google Patents

冲击波加载实验样品的回收装置及软回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种冲击波加载实验样品的回收装置，涉及冲击动力学领域，冲击波加载实验样品的回收装置包括回收舱、封盖和缓冲材料层，所述回收舱的一端为样品固定端，所述回收舱的另一端为回收端，所述封盖与所述回收端可拆卸连接，用于封闭所述回收端，所述缓冲材料层贴合所述封盖设置，所述缓冲材料层包括多层缓冲层，所述多层缓冲层并排贴合设置，所述多层缓冲层的波阻抗沿所述样品固定端指向所述回收端的方向递增。本发明还提供了一种软回收方法。本发明能够拓宽软回收的样品靶的碰撞速度范围，避免样品二次损伤，软回收效果好，而且在回收高速的样品靶的时候，所需要的缓冲材料层体积小，重量轻，便于安装和实施。

Description

冲击波加载实验样品的回收装置及软回收方法
技术领域
本发明涉及冲击动力学领域，具体而言，涉及一种冲击波加载实验样品的回收装置及软回收方法。
背景技术
冲击动力学是一门以力学、材料学、物理学为基础的力学分支学科，以冲击载荷作用下材料的动力学行为和结构特性为主要研究对象，包括材料构件在动载荷下的运动、变形、破坏和失效现象。主要应用领域有：爆破工程、钻井开矿、机械加工、水下爆炸切割等。
材料的冲击动力学特性研究是材料设计、结构性能及装备安全性评估的重要基础，具有广泛的工程需求背景和重要的科学价值。一维应变条件下的冲击动力学实验是研究冲击波加载下材料结构—性能关联的重要方法之一。在现有技术中，一维应变条件下的层裂实验，可采用一级轻气炮、二级轻气炮、电炮、激光等驱动飞片撞击样品，碰撞速度范围从几十米每秒至10km/s以上。驱动飞片与样品碰撞，从而实现对层裂损伤演化过程的研究。在实验中，普遍采用激光速度干涉仪(VISAR)对实验样品的自由面粒子速度历史或界面速度剖面进行连续测量，结合对样品进行软回收，并借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等仪器对样品的微结构特征进行表征分析。在上述诊断技术中，自由面速度剖面诊断和软回收样品表征相结合是当前动态实验研究中最重要的手段。其中，软回收的样品的微结构表征可以获取关于微结构演化的直观信息。因此，在保证自由面速度剖面可测量的前提下，如何提高冲击样品的软回收能力就显得非常重要。
人们在早期冲击波实验中普遍采用“动量陷阱”原理的样品软回收技术。首先，在受冲击样品后表面紧贴一层同种材料的“动量陷阱”片，其厚度要足够大，根据冲击波理论，样品在受到冲击压缩和卸载过程后停止运动，动量被“动量陷阱”片吸收，样品和“动量陷阱”片分离，可避免对样品造成二次冲击；其次，样品被嵌入一个“动量陷阱”盒中，可实现软回收功能。但是，采用这种“动量陷进”原理进行软回收，是一种单纯的软回收技术，只能实现低速(1km/s)加载下样品的软回收，对于高速加载的样品的软回收则无能为力。
发明内容
本发明提供的一种冲击波加载实验样品的回收装置，包括回收舱、封盖和缓冲材料层，所述回收舱两端开口，所述回收舱的一端为样品固定端，所述回收舱的另一端为回收端，所述封盖与所述回收端可拆卸连接，用于封闭所述回收端，所述缓冲材料层贴合所述封盖设置，所述缓冲材料层包括多层缓冲层，所述多层缓冲层并排贴合设置，所述多层缓冲层的波阻抗沿所述样品固定端指向所述回收端的方向递增。
以上所述的冲击波加载实验样品的回收装置，优选地，所述封盖上还设有多普勒光纤探针测量系统，所述缓冲材料层设有容纳多普勒光纤光信号穿过的通孔。采用多普勒光纤探针测量系统能够快速准确的测量出样品靶的速度随着时间的变化，有助于获得样品靶在冲击下的宏观响应。
以上所述的冲击波加载实验样品的回收装置，优选地，缓冲层中的最大波阻抗大于最小波阻抗的15倍。当缓冲层的最大波阻抗大于最小波阻抗的15倍，便于对缓冲层进行设置，同时缓冲效果最好。
以上所述的冲击波加载实验样品的回收装置，优选地，所述缓冲层的厚度与所选材料阻抗相关联，便于对来击样品缓冲降速，从而达到更好的缓冲作用效果，优化缓冲层的设计，节约成本。
以上所述的冲击波加载实验样品的回收装置，优选地，所述第n层缓冲层的厚度根据第n层缓冲层的材料的波阻抗确定，其中n为从样品固定端开始计数的第n层缓冲层的层数，n≥1且n为正整数。
以上所述的冲击波加载实验样品的回收装置，优选地，第n层缓冲层的厚度d满足其中x为第n层的缓冲层自由面到波阻抗最小的缓冲层自由面的距离，Zx为第n层缓冲层的波阻抗，Z0为缓冲层中最小的波阻抗，A是比例系数，r是波阻抗分布指数。
当样品靶撞击在第一层缓冲层上的时候，在样品靶和缓冲层的碰撞面产生应力波，应力波一部分透射进入到第一层缓冲层中，一部分反射至样品靶内，为了避免碰撞强度过大，给样品造成二次损伤，因此根据材料的波阻抗与应力波传递的规律，第一层缓冲层的波阻抗应该尽可能小，提高回收样品的“软回收”效果。
在设定了缓冲层的最小波阻抗之后，在根据不同缓冲层的波阻抗，计算出每个缓冲层的厚度，经过这种设计出的缓冲层能够完全吸收样品靶的动能，保证“软回收”的效果，同时，这种通过计算得出准确的缓冲层厚度能够避免缓冲层厚度过厚，造成浪费。
以上所述的冲击波加载实验样品的回收装置，优选地，波阻抗分布指数r为2.0-3.0。采用这个范围数值进行的冲击波加载实验，能够准确的计算出各个缓冲层的所需厚度，误差最小。
以上所述的冲击波加载实验样品的回收装置，优选地，所述比例系数A为4-7。用这个范围数值的比例系数，能够大大提高厚度的计算精度。
本发明还提供了一种基于以上所述冲击波加载实验样品的回收装置的软回收方法，包括
S1.根据飞片、样品靶材料及加载载荷等实验条件，预估样品靶的自由面速度，计算出样品靶的最大冲击力；
S2.根据公式绘制曲线，结合样品靶自由面速度以及样品靶的最大冲击力，选定缓冲层中最小的波阻抗，即第一个缓冲层的波阻抗，同时确定最小的波阻抗在曲线上的对应点为第一点；
S3.确定第一个缓冲层的波阻抗之后，再选定第二个缓冲层的波阻抗，在曲线上确定对应的点为第二点，第一点与第二点之间的横坐标的距离为第一缓冲层的厚度；
S4.依次计算出第三层缓冲层、第四层缓冲层…第n层缓冲层的厚度；
S5.在回收舱内依次贴合设置多个缓冲层；
S6.进行冲击波加载实验，利用回收装置回收样品靶。
本发明提供的软回收方法，首先利用得出的曲线，根据选定的第一层缓冲层的波阻抗，然后再选定第二缓冲层的波阻抗，根据第一层缓冲层的波阻抗和第二缓冲层的波阻抗在曲线上的点，计算出第一层缓冲层的厚度，依次类推，计算出余下的缓冲层的厚度，然后将多个缓冲层依次贴合布置，使得所述多层缓冲层的波阻抗沿所述样品固定端指向所述回收端的方向递增，最后进行冲击波加载实验，利用设置在回收装置内的缓冲层材料层对样品靶进行回收。
以上所述的软回收方法，优选地，S1包括测试样品靶的冲击波速度及冲击波后粒子速度，利用公式P≈ρ0Du
其中，P为最大冲击力，
ρ0为材料的零压密度
D为冲击波速度，D＝C0+λu，C0为材料的零压声速，λ为材料的Grüneisen状态参数，
u均为冲击波后粒子速度
计算出冲击实验组的样品靶的最大冲击力。通过计算得出最大冲击力，从而能够根据计算出的缓冲材料层所需要抵消的最大冲击力为多少计算出所需要的缓冲材料层的各个参数，保证设计出来的缓冲材料层能够对样品靶起到缓冲的效果，实现对样品靶的软回收，避免样品靶的最大冲击力超出缓冲材料层能够缓冲的范围，使得样品靶受到二次层裂，影响回收的品质，进而影响实验数据的采集和统计。
以上所述的软回收方法，优选地，S6包括利用任意反射面的速度干涉仪(VISAR，Velocity interferonmeter system for any reflector)记录样品靶的自由面粒子速度在时间上的变化，以时间为横轴，以自由面粒子速度为纵轴，绘制自由面粒子速度-时间图。
以上所述的软回收方法，优选地，所述缓冲层的层数优选为3-8层。采用3-8层的缓冲层的设计，能够保证较好的缓冲效果，同时成本不会太高，并且能够适合绝大部分的样品吧的速度范围。
相对于现有技术，本发明提供的冲击波加载实验样品的回收装置及软回收方法包括以下有益效果：其中冲击波加载实验样品的回收装置包括回收舱、封盖和缓冲材料层，所述回收舱两端开口，所述回收舱的一端为样品固定端，所述回收舱的另一端为回收端，所述封盖与所述回收端可拆卸连接，用于封闭所述回收端，所述缓冲材料层贴合所述封盖设置，所述缓冲材料层包括多层缓冲层，所述多层缓冲层并排贴合设置，所述多层缓冲层的波阻抗沿所述样品固定端指向所述回收端的方向递增，当样品靶受到飞片撞击，在回收舱内飞行，飞行到回收端，受到缓冲材料层的缓冲，减速直到静止，实现了对样品靶的回收。在实验中，在轻气炮的驱动下，弹托与飞片获得一定的速度，经过一段时间的自由飞行后，飞片与样品靶发生碰撞。碰撞后，样品则在回收舱内部飞行，并最终与回收舱内部的缓冲材料接触，使得样品的速度逐渐衰减下来；设计缓冲材料层的波阻抗为梯度变化，逐渐递增，使得样品靶在减速飞行过程中，只受到低压斜波加载，直至速度减为零，不会产生二次层裂，同时缓冲材料层的波阻抗为梯度变化，能够提高软回收的样品靶的碰撞速度范围，避免样品二次冲击，软回收效果好，而且在回收相同碰撞速度的样品靶的时候，所需要的缓冲材料层体积更小，重量更轻，便于安装和实施，而且由于将缓冲材料层分为多层缓冲层，使得技术人员通过测量设备，对每层的缓冲层的样品靶的速度进行测试，能够实现软回收的同时，对样品靶在回收过程中的速度剖面进行测量。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施例提供的冲击波加载实验样品的回收装置及飞片的示意图；
图2是本发明第三实施例提供的基于以上所述冲击波加载实验样品的回收装置的软回收方法中的示意图。
其中，附图标记与部件名称之间的对应关系如下：飞片101，样品靶102，回收舱103，样品固定端104，回收端105，封盖106，缓冲层108，缓冲材料层109。
具体实施方式
本发明提供了一种动态拉伸应变率为变量的动力损伤实验方法来改善上述问题。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1是本发明第一实施例提供的冲击波加载实验样品的回收装置及飞片的示意图；本发明第一实施例提供的冲击波加载实验样品的回收装置，包括回收舱、封盖和缓冲材料层，所述回收舱两端开口，所述回收舱的一端为样品固定端，所述回收舱的另一端为回收端，所述封盖与所述回收端可拆卸连接，用于封闭所述回收端，所述缓冲材料层贴合所述封盖设置，所述缓冲材料层包括多层缓冲层，所述多层缓冲层并排贴合设置，所述多层缓冲层的波阻抗沿所述样品固定端指向所述回收端的方向递增。
本实施例中，样品靶固定在回收舱上的样品固定端，在冲击波加载实验中，击飞飞片撞击样品靶。当样品靶受到飞片撞击，在回收舱内飞行，飞行到回收端，受到缓冲材料层的缓冲，减速直到静止，实现了对样品靶的回收。
在实验中，在轻气炮的驱动下，弹托与飞片获得一定的速度，经过一段时间的自由飞行后，飞片与样品靶发生碰撞。碰撞后，样品就在回收舱内部飞行，并最终与回收舱内部的缓冲材料接触，使得样品的速度逐渐衰减下来；设计缓冲材料层的波阻抗为梯度变化，逐渐递增，使得样品靶在减速飞行过程中，只受到低压斜波加载，直至速度减为零，不会产生二次层裂，同时缓冲材料层的波阻抗为梯度变化，能够提高软回收的样品靶的碰撞速度范围，软回收效果好，而且在回收相同碰撞速度的样品靶的时候，所需要的缓冲材料层体积更小，重量更轻，便于安装和实施。
而且由于将缓冲材料层分为多层缓冲层，使得技术人员通过测量设备，对每层的缓冲层的样品靶的速度进行测试，能够实现软回收的同时，对样品靶在回收过程中的速度剖面进行测量。
本发明第二实施例提供的冲击波加载实验样品的回收装置在所述封盖上还设有多普勒光纤探针测量系统，所述缓冲材料层设有容纳多普勒光纤光信号穿过的通孔。
采用多普勒光纤探针测量系统(Doppler Pins System,DPS)能够快速准确的测量出样品靶的速度随着时间的变化，有助于获得样品靶在冲击下的宏观响应。
进一步地，缓冲层中的最大波阻抗大于最小波阻抗的15倍。当缓冲层的最大波阻抗大于最小波阻抗的15倍，便于对缓冲层进行设置，同时缓冲效果最好，缓冲层的设计更加合理，减少缓冲层层数，节约成本。
在本实施例提供的回收装置中，所述缓冲层的厚度与所选材料阻抗相关联，便于对来击样品缓冲降速，从而达到更好的缓冲作用效果，优化缓冲层的设计，节约成本。所述第n层缓冲层的厚度根据第n层缓冲层的材料的波阻抗确定，其中n为从样品固定端开始计数的第n层缓冲层的层数，n≥1且n为正整数。
第n层缓冲层的厚度d满足其中x为第n层的缓冲层自由面到波阻抗最小的缓冲层自由面的距离，Zx为第n层缓冲层的波阻抗，Z0为缓冲层中最小的波阻抗，A是比例系数，r是波阻抗分布指数。
公式中，优选地，波阻抗分布指数r为2.0-3.0。采用这个范围数值进行的冲击波加载实验，能够准确的计算出各个缓冲层的所需厚度，误差最小。
公式中，优选地，所述比例系数A为4-7。用这个范围数值的比例系数，能够大大提高厚度的计算精度。参数A的选取是根据最大和最小阻抗，以及实际实验中阻抗材料的设计空间(即总厚度限制)，优选范围为4-7。
当样品靶撞击在第一层缓冲层上的时候，在样品靶和缓冲层的碰撞面产生应力波，应力波一部分透射进入到第一层缓冲层中，一部分反射至样品靶内，为了避免碰撞强度过大，给样品造成二次损伤，因此根据材料的波阻抗与应力波传递的规律，第一层缓冲层的波阻抗应该尽可能小，提高回收样品的“软回收”效果。
在设定了缓冲层的最小波阻抗之后，在根据不同缓冲层的波阻抗，利用公式和波阻抗的对应关系，计算出每个缓冲层的厚度，经过这种设计出的缓冲层能够完全吸收样品靶的动能，保证“软回收”的效果，同时，这种通过计算得出准确的缓冲层厚度能够避免缓冲层厚度过厚，造成浪费。
在本实施例中，最低阻抗材料的阻抗尽量低，这样有助于避免二次损伤，目前常用TPX阻抗1.84x10^5g/(s*cm^2))或PMMA(阻抗3.14x10^5g/(s*cm^2))。
最大阻抗材料的阻抗略大于样品材料，常用Ta(阻抗5.48x10^6g/(s*cm^2))或W(阻抗7.74x10^6g/(s*cm^2))。
图2是本发明第三实施例提供的基于以上所述冲击波加载实验样品的回收装置的软回收方法中的示意图。本发明第三实施例提供的是基于以上实施例的冲击波加载实验样品的回收装置的软回收方法，包括
S1.根据飞片、样品靶材料及加载载荷等实验条件，预估样品靶的自由面速度，计算出样品靶的最大冲击力；
S2.根据公式绘制曲线，结合样品靶自由面速度以及样品靶的最大冲击力，选定缓冲层中最小的波阻抗，即第一个缓冲层的波阻抗，同时确定最小的波阻抗在曲线上的对应点为第一点；
S3.确定第一个缓冲层的波阻抗之后，再选定第二个缓冲层的波阻抗，在曲线上确定对应的点为第二点，第一点与第二点之间的横坐标的距离为第一缓冲层的厚度；
S4.依次计算出第三层缓冲层、第四层缓冲层…第n层缓冲层的厚度；
S5.在回收舱内依次贴合设置多个缓冲层；
S6.进行冲击波加载实验，利用回收装置回收样品靶。
本发明提供的软回收方法，首先利用得出的曲线，根据选定的第一层缓冲层的波阻抗，然后再选定第二缓冲层的波阻抗，根据第一层缓冲层的波阻抗和第二缓冲层的波阻抗在曲线上的点，计算出第一层缓冲层的厚度，依次类推，计算出余下的缓冲层的厚度，然后将多个缓冲层依次贴合布置，使得所述多层缓冲层的波阻抗沿所述样品固定端指向所述回收端的方向递增，最后进行冲击波加载实验，利用设置在回收装置内的缓冲层材料层对样品靶进行回收。
本实施例中，优选地，S1包括测试样品靶的冲击波速度及冲击波后粒子速度，利用公式P≈ρ0Du
其中，P为最大冲击力，
ρ0为材料的零压密度
D为冲击波速度，D＝C0+λu，C0为材料的零压声速，λ为材料的Grüneisen状态参数，
u均为冲击波后粒子速度
计算出冲击实验组的样品靶的最大冲击力。
通过计算得出最大冲击力，从而能够根据计算出的缓冲材料层所需要抵消的最大冲击力为多少计算出所需要的缓冲材料层的各个参数，保证设计出来的缓冲材料层能够对样品靶起到缓冲的效果，实现对样品靶的软回收，避免样品靶的最大冲击力超出缓冲材料层能够缓冲的范围，使得样品靶受到二次层裂，影响回收的品质，进而影响实验数据的采集和统计。
本实施例中，优选地，S6还包括利用任意反射面的速度干涉仪(VISAR，Velocityinterferonmeter system for any reflector)记录样品靶的自由面粒子速度在时间上的变化，以时间为横轴，以自由面粒子速度为纵轴，绘制自由面粒子速度-时间图。利用任意反射面的速度干涉仪(VISAR，Velocity interferonmeter system for any reflector)记录样品靶的自由面粒子速度随时间的变化，测量效率高。
优选地，所述缓冲层的层数优选为3-8层。采用3-8层的缓冲层的设计，能够保证较好的缓冲效果，同时成本不会太高，并且能够适合绝大部分的样品吧的速度范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冲击波加载实验样品的回收装置，其特征在于，包括回收舱、封盖和缓冲材料层，所述回收舱两端开口，所述回收舱的一端为样品固定端，所述回收舱的另一端为回收端，所述封盖与所述回收端可拆卸连接，用于封闭所述回收端，所述缓冲材料层贴合所述封盖设置，所述缓冲材料层包括多层缓冲层，所述多层缓冲层并排贴合设置，所述多层缓冲层的波阻抗沿所述样品固定端指向所述回收端的方向递增。
2.根据权利要求1所述的冲击波加载实验样品的回收装置，其特征在于，所述封盖上还设有多普勒光纤探针测量系统，所述缓冲材料层设有容纳多普勒光纤光信号穿过的通孔。
3.根据权利要求1所述的冲击波加载实验样品的回收装置，其特征在于，缓冲层中的最大波阻抗大于最小波阻抗的15倍。
4.根据权利要求1所述的冲击波加载实验样品的回收装置，其特征在于，第n层缓冲层的厚度根据第n层缓冲层的材料的波阻抗确定，其中n为从样品固定端开始计数的第n层缓冲层的层数，n≥1且n为正整数。
5.根据权利要求4所述的冲击波加载实验样品的回收装置，其特征在于，第n层缓冲层的厚度d满足其中x为第n层的缓冲层自由面到波阻抗最小的缓冲层自由面的距离，Zx为第n层缓冲层的波阻抗，Z0为缓冲层中最小的波阻抗，A是比例系数，r 是波阻抗分布指数。
6.根据权利要求5所述的冲击波加载实验样品的回收装置，其特征在于，波阻抗分布指数r为2.0-3.0。
7.根据权利要求5所述的冲击波加载实验样品的回收装置，其特征在于，所述比例系数A为4-7。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的冲击波加载实验样品的回收装置的软回收方法，其特征在于，包括
S1.根据飞片、样品靶材料及加载载荷等实验条件，预估样品靶的自由面速度，冲击波速度，计算出样品靶的最大冲击力；
S2.根据公式绘制曲线，结合样品靶自由面速度以及样品靶的最大冲击力，选定缓冲层中最小的波阻抗，即第一个缓冲层的波阻抗，同时确定最小的波阻抗在曲线上的对应点为第一点；
S3.确定第一个缓冲层的波阻抗之后，再选定第二个缓冲层的波阻抗，在曲线上确定对应的点为第二点，第一点与第二点之间的横坐标的距离为第一缓冲层的厚度；
S4.依次计算出第三层缓冲层、第四层缓冲层…第n层缓冲层的厚度；
S5.在回收舱内依次贴合设置多个缓冲层；
S6.进行冲击波加载实验，利用回收装置回收样品靶。
9.根据权利要求8所述的软回收方法，其特征在于，S1包括测试样品靶的冲击波速度及冲击波后粒子速度，利用公式P≈ρ0Du
其中，P为最大冲击力；
ρ0为材料的零压密度；
D为冲击波速度，D＝C0+λu，C0为材料的零压声速，λ为材料的Grüneisen状态参数；
u均为冲击波后粒子速度；
计算出冲击实验组的样品靶的最大冲击力。
10.根据权利要求8所述的软回收方法，其特征在于，S6包括利用任意反射面的速度干涉仪(VISAR，Velocity interferonmeter system for any reflector)记录样品靶的自由面粒子速度在时间上的变化，以时间为横轴，以自由面粒子速度为纵轴，绘制自由面粒子速度-时间图。
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