CN106706197A - 基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置，用于测量水下极近场爆炸的冲击波压力和气泡射流压力，包括：吸能回收装置，其吸收全部陷入飞片中全部水下爆炸冲击波压力脉冲动能；冲击波载荷分离装置，其用于将改进的霍普金森杆中的水下爆炸冲击波压力脉冲全部转移至飞片中，实现冲击波载荷分离；改进的霍普金森杆测量元件，其用于放大水下爆炸冲击波压力和气泡射流压力信号，并辅助所述冲击波载荷分离装置实现冲击波载荷分离，最终实现时空分离的水下极近场爆炸的冲击波压力和气泡射流压力的测量。

Description

基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置，属于水下爆炸压力传感器设计领域。

背景技术

精确的水下爆炸压力测量结果能为研究结构在水下爆炸作用下的动响应和毁伤提供输入载荷条件。而近场、接触爆炸作用下压力传感器需求紧急程度越来越高。虽然得益于测量技术的不断进步和革新，目前自由场压力测量技术已经较为成熟，但是对于水下爆炸壁压测量方面，国内外还尚无一种有效的测量方法。

现在的测量方法存在以下几个方面的问题：如今壁压测量只针对中远场爆炸情形，对气泡射流测量部分的原理还没能解决；国外关于壁压传感器都是基于材料的压阻、压电特性而开发的。该类传感器量程较小，热稳定性差，非线性较严重，不能应用于伴随有高温的场合，同时在试验中暴露了易失效、过早失效、记录时间短等问题，还需改进。在水下爆炸压力测量中，一方面由于传感器容易被雷管碎片和炸药爆轰产物损坏；另一方面电气石等敏感元件测压范围有限导致炸药水下爆炸近距离压力测量难以实现。因此，需要一种响应速度快、量程大、性价比高、可重复使用的水下爆炸压力传感器。

因此，需要有一种新的、有效的水下爆炸壁压测量传感器，同时捕捉水下近场爆炸载荷压力和气泡射流压力。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种新的、有效的遭受极近场水下爆炸壁压传感器，同时捕捉水下爆炸载荷压力和气泡射流压力，以解决目前测量技术所存在的局限而提供一种基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置。

本发明的目的是这样实现的：包括内表面设置有环肋的防护筒、由上至下设置在防护筒内的吸能回收部分、冲击载荷分离器部分和改进的霍普金森杆测量元件，所述改进的霍普金森杆测量元件包括与防护筒底部固连的底座、安装在底座上的改进的霍普金森杆、对称贴在改进的霍普金森杆上的应变片；所述冲击载荷分离器部分包括与防护筒内对应的环肋连接的一号十字式开孔支撑件、与一号十字式开孔支撑件固连的直线轴承固定基座、设置在直线轴承固定基座内的下滚珠直线轴承、设置在直线轴承固定基座上端的直线轴承固定及激光测速基座、设置在的直线轴承固定及激光测速基座外表面的环形激光测速装置基座、设置在环形激光测速装置基座上的激光发射器和激光接收器、设置在直线轴承固定及激光测速基座内的上滚珠直线轴承，所述直线轴承固定基座上还设置有单向弹簧挡板装置基座，单向弹簧挡板装置基座上安装有单向弹簧挡板装置，所述改进的霍普金森杆的上端伸入至下滚珠直线轴承内；所述吸能回收部分包括防护筒内对应的环肋连接的二号十字式开孔支撑件、与二号十字式开孔支撑件固连的限位圆柱套筒、设置在限位圆柱套筒内的直线轴承、设置在直线轴承内的飞片、设置在圆柱套筒内顶端的阻尼橡胶垫，所述飞片的下端依次穿过上滚珠直线轴承、单向弹簧挡板装置后伸入至下滚珠直线轴承内并与改进的霍普金森杆的上端接触。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述单向弹簧挡板装置包括安装在单向弹簧挡板装置基座上的两个铰接座、分别与两个铰接座铰接的两个挡板，两个挡板的两端之间分别设置有弹簧。

2.防护筒内还设置有三号十字式开孔支撑件和四号十字式开孔支撑件，且三号十字式开孔支撑件和四号十字式开孔支撑件位于一号十字式开孔支撑件下方，改进的霍普金森杆的上端依次穿过三号十字式开孔支撑件和四号十字式开孔支撑件后伸入至下滚珠直线轴承内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：①为了放大水下爆炸冲击波压力和气泡射流压力信号，本发明采用了以改进的霍普金森杆801为基础的测量元件。②充分应用应力波在结构中的传递规律，设置冲击波载荷分离装置8将改进的霍普金森杆801中的水下爆炸冲击波压力脉冲全部转移至飞片907中，实现冲击波载荷和气泡射流载荷的时空分离。③利用吸能回收装置9吸收全部陷入飞片907中全部水下爆炸冲击波压力脉冲动能，并为飞片907提供运动轨道，对飞片907进行回收。④本发明基于霍普金森杆的水下爆炸压力传感器能够直接测量水下爆炸冲击波压力和气泡射流压力，且以改进的霍普金森杆801为基础的测量元件量程大，便于加工，成本低廉，可以广泛应用于水下爆炸压力测量领域。

附图说明

图1为本发明的水下爆炸壁压测量装置的轴侧视图；

图2a是根据图1的示意性截面图；图2b是根据图2a的横剖图；

图3a为图2a中细节7的示意性分解放大图；图3b为图2b中细节7的放大横剖图；

图4a为图2a中细节8的示意性分解放大图；图4b是图4a细节V的放大补充图；图4c为图2b中细节8的放大横剖图；

图5a为图2a中细节9的示意性分解放大图；图5b为图2b中细节9的放大横剖图；

图6为试验装置总体示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1～6，一种基于改进的霍普金森杆水下爆炸压力测量装置，其试验使用环境、具体结构和测量过程及测量方法如下：

1.试验使用环境

本发明的使用环境如图6所示，除了本发明主体-水下爆炸压力测量装置1，试验辅助系统包括光源5、水泥浇筑底座2、高速摄影机4、小型水箱3、数据采集系统6。

通过螺栓连接的方式将水下爆炸压力测量装置1固定在水泥浇筑底座2上，水泥浇筑底座2具有造价低、结构牢固等特点，为水下爆炸压力测量装置1提供支撑。

小型水箱3四周侧面开有两对长圆形的采光窗口以及观察窗口，窗口由外到内依次是长圆形透明树脂板、密封垫片，最后通过螺栓连接的方式将采光窗口以及观察窗口固定在小型水箱3上。

本试验的光源5采用高频光源，光源5设置在距小型水箱采光窗口0.5米附近，其高度与拍摄物体对齐。

高速摄影机4设置在距小型水箱观察窗口1米附近，高速摄影机4的镜头高度调至与拍摄物体对齐。

数据采集系统6(包括电脑)可安置在距小型水箱5～6米处，数据采集系统与高速摄影机、应变仪706和激光接收器810通过数据线相连，在远程控制高速摄影机4、应变仪706和激光接收器810的触发和关闭。

2.水下爆炸压力测量装置

该压力测量装置主体由上到下依次由吸能回收装置9、冲击波载荷分离器装置8和改进的霍普金森杆测量元件7组成，吸能回收装置用于吸收全部陷入飞片907中全部水下爆炸冲击波压力脉冲动能，冲击波载荷分离装置用于将改进的霍普金森杆801中的水下爆炸冲击波压力脉冲全部转移至飞片907中，实现冲击波载荷分离，改进的霍普金森杆测量元件用于放大水下爆炸冲击波压力和气泡射流压力信号，并辅助所述冲击波载荷分离装置实现冲击波载荷分离，最终实现时空分离的水下极近场爆炸的冲击波压力和气泡射流压力的测量。

吸能回收装置9由二号十字式开孔支撑件902、限位圆柱套筒903、阻尼橡胶垫904、滚珠直线轴承905、直线轴承压板906和飞片907组成。在直线轴承压板906底部采用螺纹连接方式将滚珠直线轴承905装配于限位圆柱套筒903的内部；吸能橡胶垫904装配在限位圆柱套筒903内孔的端部；限位圆柱套筒903通过螺栓连接方式装配在二号十字式开孔支撑件902上；二号十字式开孔支撑件902通过螺栓方式安装在防护筒901的内置环肋上。

当透射冲击波脉冲从飞片907的自由端反射时，飞片907带着陷入其中的透射冲击波脉冲的全部动量飞离，滚珠直线轴承905可控制飞片907的运动轨迹，而联合阻尼橡胶垫904的限位圆柱套筒903可以将飞片907的动能转化至阻尼橡胶垫904中进而控制飞片907的最终位移。

冲击波载荷分离器装置8由改进的霍普金森杆801、上下直线轴承压板813、802、上下滚珠直线轴承812、803、一号十字式开孔支撑件804、直线轴承固定基座805、单向弹簧挡板装置基座806、单向弹簧挡板装置807、直线轴承固定及激光测速基座808、激光发射器809，激光接收器810、环形激光测速装置基座811、飞片907组成。其装配顺序为：在直线轴承压板802底部采用螺纹连接方式将一对滚珠直线轴承803装配于直线轴承固定基座805和直线轴承固定及激光测速基座808的内部；通过螺栓连接方式将单向弹簧挡板装置807和单向弹簧挡板装置基座806装配在一起(如图4b所示)；再将单向弹簧挡板装置基座806通过螺纹连接方式进行装配(如图4c所示)；通过螺纹连接方式将激光发射器809和激光接收器810装配在环形激光测速装置基座811上，在将装配体整体螺纹安装固定在直线轴承固定及激光测速基座808上；直线轴承固定基座805和直线轴承固定及激光测速基座808通过螺栓连接；将连接完整的基座螺栓连接在一号十字式开孔支撑件804上。

当冲击波载荷分离器装置8处于操作状态中时，水下爆炸冲击波以纵波的形式在改进的霍普金森杆801以一定的速度沿着轴向进行传播，而初始状态的飞片907与改进的霍普金森杆801端部涂以机油相连接，冲击波脉冲波经过改进的霍普金森杆801和飞片907的接触端面透射入飞片907中，而当冲击波脉冲在飞片的自由端反射为拉伸脉冲波，并当接触端部出现净拉力时，飞片907将带着陷入其中的动量沿着滚珠直线轴承803的轴向方向飞离。飞片907的长度要求总大于冲击波脉冲长度的一半，冲击波脉冲的动量将全部陷入飞片907中，因此当飞片907飞离时，改进的霍普金森杆801将保持静止。飞片907的动量可由激光发射器809和激光接收器810组成的测速计来测得，而单向弹簧挡板装置807可以控制飞片907的运动方向，实现冲击波载荷的分离，为之后的气泡射流载荷测量做好准备。

改进的霍普金森杆测量元件7由六角螺母701、平垫圈702、底座703、改进的霍普金森杆801、应变片706组成。其装配顺序为：采用螺纹连接方式将底座703装配在防护筒901上；将应变片706对称贴在改进的霍普金森杆801上；最后将改进的霍普金森杆801自下而上穿过底座703，并且利用六角螺母701和平垫圈702将改进的霍普金森杆801固定连接在底座703上。

试验时，当水下爆炸冲击波作用在改进的霍普金森杆801时，透射冲击波脉冲以纵波的形式进行传播。随后触发冲击波载荷分离器装置8，当飞片907飞离时，改进的霍普金森杆801将保持静止，为后面测量射流载荷做好准备。当水下爆炸射流载荷作用在改进的霍普金森杆801时，透射射流载荷脉冲以纵波的形式进行传播，射流载荷脉冲在改进的霍普金森杆801的上方自由端反射为拉伸脉冲波，并当改进的霍普金森杆801底部出现净拉力时，改进的霍普金森杆801将带着陷入其中的动量飞离底座703(并通过撞击底座703最终耗尽能量)。

该水下爆炸压力测量装置满足测量和强度要求：为使得脉冲波在测量元件的传播过程属于弹性范围之内，根据冲击波传递规律以及测量元件的固有材料属性，对测量元件的材料及长度进行选定。改进的霍普金森杆和飞片均要处于弹性状态下，且接触端面处的改进的霍普金森杆和飞片需要具有相同的直径和材质，即弹性模量E、波速c和波阻抗ρc均相同。改进的霍普金森杆和飞片的材料为40Cr。

3.试验过程及数据测量

本发明所述水下近场爆炸压力测量系统的试验过程及数据测量，如下所述：

1)根据图1～5对水下爆炸压力测量装置1进行装配。按照图6所示布置试验环境，将水下爆炸压力测量装置1固定在水泥浇筑底座2上，并检查水下爆炸压力测量装置1的水密性；利用LED高频光源5对水下光测环境进行补光，以保证拍摄效果；高速摄像机4放置在拍摄物体的前视角，高速摄影机4的镜头高度调至与拍摄物体对齐；通过布置数据线将高速摄影机4、应变仪706和激光接收器810与数据采集系统6相连，并检查相应的信号连接传递状态。

2)按照工况选择药包质量、爆距和水深，药柱放置在水下爆炸压力测量装置的正下方某一水深处；启动光源6和高速摄影机4，并调节光源6的亮度、位置以及角度，使得高速摄影机4中的画面清晰；调节高速摄影机4的拍摄参数、位置和角度，使得视角能够清晰捕捉包含药包爆炸后产生气泡最大半径以及辅助壁面的影像。

3)检测远程爆源触发、高速摄影机数据采集触发、应变数据采集触发和激光测速数据采集触发是否同步。

4)远程同步触发爆源、高速摄影机数据采集、应变数据采集和激光测速数据采集，药柱瞬间引爆并向外辐射冲击波脉冲压力，随后伴随水下爆炸气泡的膨胀、坍塌，气泡受到壁面吸引后产生气泡射流。药柱引爆瞬间的同时，高速摄像机4会捕捉到整个爆轰过程。同时触发的应变数据采集和激光测速仪将会分别记录冲击波载荷和气泡射流载荷的电压信号以及飞片907的速度。

Claims (3)

1.基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置，其特征在于：包括内表面设置有环肋的防护筒、由上至下设置在防护筒内的吸能回收部分、冲击载荷分离器部分和改进的霍普金森杆测量元件，所述改进的霍普金森杆测量元件包括与防护筒底部固连的底座、安装在底座上的改进的霍普金森杆、对称贴在改进的霍普金森杆上的应变片；所述冲击载荷分离器部分包括与防护筒内对应的环肋连接的一号十字式开孔支撑件、与一号十字式开孔支撑件固连的直线轴承固定基座、设置在直线轴承固定基座内的下滚珠直线轴承、设置在直线轴承固定基座上端的直线轴承固定及激光测速基座、设置在的直线轴承固定及激光测速基座外表面的环形激光测速装置基座、设置在环形激光测速装置基座上的激光发射器和激光接收器、设置在直线轴承固定及激光测速基座内的上滚珠直线轴承，所述直线轴承固定基座上还设置有单向弹簧挡板装置基座，单向弹簧挡板装置基座上安装有单向弹簧挡板装置，所述改进的霍普金森杆的上端伸入至下滚珠直线轴承内；所述吸能回收部分包括防护筒内对应的环肋连接的二号十字式开孔支撑件、与二号十字式开孔支撑件固连的限位圆柱套筒、设置在限位圆柱套筒内的直线轴承、设置在直线轴承内的飞片、设置在圆柱套筒内顶端的阻尼橡胶垫，所述飞片的下端依次穿过上滚珠直线轴承、单向弹簧挡板装置后伸入至下滚珠直线轴承内并与改进的霍普金森杆的上端接触。

2.根据权利要求1所述的基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置，其特征在于：所述单向弹簧挡板装置包括安装在单向弹簧挡板装置基座上的两个铰接座、分别与两个铰接座铰接的两个挡板，两个挡板的两端之间分别设置有弹簧。

3.根据权利要求1或2所述的基于改进的霍普金森杆的水下爆炸压力测量装置，其特征在于：防护筒内还设置有三号十字式开孔支撑件和四号十字式开孔支撑件，且三号十字式开孔支撑件和四号十字式开孔支撑件位于一号十字式开孔支撑件下方，改进的霍普金森杆的上端依次穿过三号十字式开孔支撑件和四号十字式开孔支撑件后伸入至下滚珠直线轴承内。