CN106706254A - 一种水下爆炸冲击波等效加载实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下爆炸冲击波等效加载实验装置。包括发射系统、测速系统、高压水舱系统、液压系统、测量系统。改变了传统的通过压电传感器直接测量水舱中水压的方法，利用冲击动力学中弹性波的反射和透射知识间接获得等效爆炸冲击波，简化了实验装置，优化了测试方法，提高了测量精度。本发明装置通过子弹撞击高压水舱系统，将子弹的动能转化为高压水舱内冲击波的能量。本发明可在不使用炸药条件下获得多种水深环境下的远场爆炸冲击波，同时可完成对多种材料的水下爆炸冲击动力学响应分析，具有测量精度高，安全性高，实验成本低，操作简单等优点。

Description

一种水下爆炸冲击波等效加载实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种维弹性波和冲击动力学实验装置，特别是一种水下爆炸冲击波等效加载实验装置。

背景技术

海洋工程结构通常在海水腐蚀、高低温、瞬态冲击荷载等恶劣环境下工作，承受的主要冲击载荷包括碰撞、三维流体载荷作用等。此外，舰船结构还面临武器打击威胁，须应对来自于水面和水下的爆炸载荷作用。目前，对于水下爆炸冲击波作用在海洋结构物上的实验研究较少，而是主要利用ABAQUS、LS-DYNA、AUTODYN等有限元仿真软件进行模拟研究，由于缺少必要的实验验证很难证明软件仿真的准确性。因而，通过实验手段研究海洋结构物和材料在水下爆炸冲击波载荷作用下的响应显得尤为重要。现有的实验手段集中在水池爆炸实验和等效靶板实验，由于传统爆炸实验的可控性差、效率低、成本高、危险系数高、对实验环境要求高等缺点，设计一种水下爆炸冲击波等效加载实验测试系统和精确的测试方法将具有重要的工程意义。

目前，相关水下爆炸等效加载实验装置的研究在国内外相对较少。美国西北大学于2006年研究了直接碰撞转水中脉冲经扩张涵道测试蜂窝夹层复合材料板系统。2010年，美国佐治亚理工大学研究直接碰撞转水中脉冲经等截面涵道测试夹层复合材料板系统。国内，北京理工大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学分别进行了水下爆炸等效加载实验装置的设计与研究，取得了一定的进展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不使用炸药的情况下能够实现多种水深环境下的水下远场爆炸冲击波等效加载的水下爆炸冲击波等效加载实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括含发射系统、测速系统、高压水舱系统、测量系统以及液压系统，

所述发射系统包括发射管和位于发射管前端的高压气室，

所述高压水舱系统包括高压水舱、入射杆、阻挡片，高压水舱上开有放气孔和注水口，入射杆通过入射杆支架安装在高压水舱前端，阻挡片通过阻挡片支架安装在入射杆前端，入射杆后端伸入高压水舱前端，待测试样板材安装在高压水舱后端，

所述测量系统包括应变片、动态应变仪、示波器和计算机，应变片粘贴在入射杆上，应变片通过引线连接至动态应变仪，动态应变仪通过数据连接线连接计算机，

所述液压系统包括低压水箱、换压器和油泵，低压水箱通过第一高压水管与换压器相连，换压器通过第二高压水管与高压水舱上的注水口相连，换压器通过高压油管连接油泵，

发射系统与高压水舱系统呈一字型水平布置，即发射管后端与高压水舱前端相对，测速系统安装在发射管末端与阻挡片之间。

本发明还可以包括：

1、所述测速系统包括两个激光发射器、两个激光接收器以及激光测速仪，两个激光发射器水平并排放置并固定，两个激光接收器与两个激光发射器相对放置并固定在发射管壁末端位置。

2、一个激光发射器与一个激光接收器组成一组激光器，两组激光器平行间距为50mm-100mm，激光测速仪上设有置零键。

3、应变片粘贴在入射杆长度的1/2位置处。

本发明针对现有相关水下爆炸冲击波等效加载实验设备的局限性以及测试技术的不足问题，提出了一种水下远场爆炸冲击波等效加载实验装置和新型的测试方法，在不使用炸药的情况下，能够实现多种水深环境下的水下远场爆炸冲击波等效加载，可通过本发明方法间接并简便的获得等效水下远场爆炸冲击波，也可实现对多种新型材料水下远场爆炸冲击作用下的力学响应实验测试。

本发明实验装置和测试方法相比已有相关实验设备有突出的技术改进和测试方法的改善，本发明的高压水舱可通过液压系统调节水压，从而模拟不同水深环境，传统等效水下爆炸冲击波的测量方法均是通过在实验装置水舱内布置高频压电传感器等测量装置直接测量等效冲击波压力，但是测量装置多数是测量被测位置处水舱围压，较难获得水舱中心的压力，如若将测量装置安装在水舱中心位置，不仅会对冲击波的传播有一定影响还会对后面测量的冲击波造成误差。因此，本发明采用了一种新型的测量方法，利用冲击动力学原理以及一维弹性波的反射和透射理论知识，采用间接的测量方式获得等效水下爆炸冲击波波形。

本发明具有测量精度高、可操作性强、安全性高、操作简单、实验成本低等优点。

附图说明

图1为本发明实验装置的总体结构示意图。

图2为发射系统结构示意图。

图3为测速系统结构示意图。

图4为高压水舱系统结构示意图。

图5为测量系统结构示意图。

图6为液压系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步描述。

结合图1，本发明的实验装置包含发射系统1、测速系统2、高压水舱系统3、测量系统4以及液压系统5五大主要部分。该测试方法是利用冲击动力学中弹性波的反射和透射的知识，通过测量所述实验装置中入射杆上的入射波以及反射波，间接获得等效水下爆炸冲击波。

结合图2，发射系统包括高压气室1-1、气室压力表1-5、发射管1-4、子弹1-3、触发装置1-2等部件，气室压力表安装在高压气室壁上，与气室连通，发射管紧密连接高压气室，子弹安装在发射管内，且子弹直径与发射管内径相等，通过调节高压气室内压力，可控制子弹发射速度。

结合图3，测速系统包括激光发射器一2-1、激光发射器二2-2、激光接收器一2-3、激光接收器二2-4、激光测速仪2-5、激光测速仪显示器2-6、激光测速仪置零键2-7等部件，两个激光发射器水平并排放置并固定，两个激光接收器与两个激光发射器相对放置并固定在发射管壁末端位置，两组激光器平行间距为50mm-100mm，激光测速仪上设有置零键，每次实验时先置零，子弹通过第一组激光器时，激光测速仪开始计时，在通过第二组激光器时，计时结束，时间会在激光测速仪的显示屏上表示出。

结合图4，高压水舱系统包括阻挡片3-1、阻挡片支架3-2、入射杆支架3-3、应变片3-4、高压水舱支架一3-5、高压水舱3-6、截止阀一3-7、放气孔3-8、高压水舱支架二3-9、高压水舱注水口3-10、水舱压力表3-11、“O”型橡胶密封垫3-12、螺栓3-13、待测试样板材3-14、轴承3-15、“O”型橡胶密封圈3-16、入射杆3-17、高压水舱系统底座3-18、压力连接杆3-19等部件，高压水舱为等直径圆柱管(内径：60mm，外径：300mm，长度1800mm)，由两环形支架水平固定安装在底座上，在高压水舱壁上设有一个放气孔、一个压力表连接口和一个注水口，放气孔上布置一个截止阀，高压水舱被撞击端安装一入射杆，在水舱内的入射杆端设有一凹槽，用于安装“O”型橡胶密封圈，起到密封作用，所述入射杆通过入射杆支架与阻挡片紧密接触，所述入射杆支架固定安装在高压水舱系统底座上，内环为含滚珠的环状结构，起到稳定和支撑入射杆的作用，所述阻挡片支架为带颈法兰，最小内径为70mm，固定安装在高压水舱系统底座上，用于限制阻挡片，阻挡片支架与高压水舱支架通过压力连接杆固定连接，所述板材试样通过螺栓紧密安装在高压水舱尾端，并在接触位置安装“O”型橡胶密封垫，起密封作用。

结合图5，测量系统包括应变片3-4、动态应变仪4-1、示波器4-2、计算机4-3等部件，应变片粘贴在入射杆长度的1/2位置处，并通过引线连接至动态应变仪，动态应变仪再通过数据连接线连接至计算机，利用一维弹性波的反射和透射相关理论，通过应变片采集入射杆上入射波波形和反射波波形可获得高压水舱内等效冲击波波形；

弹性波在两种介质分界面上的反射、透射理论：

弹性波从一种介质进入相接触的另一种介质时，由于两种介质的阻抗不同，将在两种介质的分界面上发生反射和透射现象。假设入射的右行波强度为σ₁，反射的左行波强度为σ₁′，透射到第二种介质中的右行波强度为σ₂，根据动量守恒关系可知

σ₁′＝Fσ₁

σ₂＝Tσ₁

式中F和T分别为反射系数和透射系数

则

σ₁+σ₁′＝σ₂

即透射波强度为入射波和反射波强度的叠加。因而可根据入射杆上应变片采集的入射波以及反射波间接获得透射波。

结合图6，液压系统包括低压水箱5-1、截止阀二5-2、高压水管一5-3、高压水管二5-4、截止阀三5-5、换压器5-6、高压油管5-7、油泵5-8等部件等部件，所述低压水箱通过高压水管一连接换压器上部，高压管二一端连接换压器上部，另一端连接高压水舱注水口，所述高压油管连接油泵和换压器下部，在高压管一和高压管二上各安装有一个截止阀。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述高压水舱系统中的阻挡片(直径为110mm)与入射杆材质相同，可选用泡沫铝、合金钢、铝等材质；所述子弹直径与入射杆直径以及高压水舱内径一致，均为60mm,入射杆长度为1000mm。

2.所述实验测试系统中高压水管、高压油管、放气孔为高压钢丝缠绕胶管，均能承受30MP的最大压力。

3.本发明装置可通过液压系统调节高压水舱内水压(0-30MP)，模拟不同水深的水压环境，从而实现一种不同水深(0-3000m)下爆炸冲击波等效加载实验测试系统和测试方法。

利用本发明的水下爆炸冲击波等效加载实验装置的测试方法的具体实施步骤为：

(1)使用本发明装置时，首先在已粘贴好应变片3-4的入射杆3-17上安装“O”型橡胶密封圈3-16、阻挡片3-1、“O”型橡胶密封垫3-14，并用螺栓3-13固定安装好待测试样板材3-12。

(2)打开截止阀一3-3、截止阀二5-2和截止阀三5-5，向高压水舱3-15内注水，通过排气口3-4排除高压水舱3-15内的空气，并在排气口开始3-4排水时，关闭截止阀一3-7和截止阀二5-2，通过油泵5-8向换压器5-6注油，增加高压水舱3-6内水压，观察压力表二3-11，当压力值达到实验所需值时，关闭截止阀三5-5。

(3)打开计算机4-3、示波器4-2、动态应变仪4-1，调节高压气室1-1内气压，将子弹1-3推至发射管1-4最内端。

(4)将测速系统2连接电源并打开，按下激光测速仪置零键2-7，打开发射系统1的触发开关1-2进行实验。

(5)记录激光测速仪显示器2-6上时间，通过动态应变仪4-1、示波器4-2、计算机4-3对应变片3-4收集的信号处理，绘制出测点处的入射波和反射波波形曲线，并求得透射波(等效水下爆炸爆炸冲击波)波形，同时也可在待测试样板材3-12上粘贴应变片得到待测材料的应力响应。

(6)将子弹1-2放回发射管1-3，打开截止阀三5-5，通过换压器5-6降低高压水舱3-15内水压，打开截止阀一3-3，拆除阻挡片3-1、“O”型橡胶密封圈3-16、“O”型橡胶密封垫3-12和待测试样板材3-14，关闭动态应变仪4-1、示波器4-2、计算机4-2、激光测速仪2-5，断开所有电源。

以上内容仅为本发明的较佳实施案例，对于本技术领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均可有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本发明相比其它已有相关发明有明显的技术改进和提升。本发明实验装置主要包括发射系统、测速系统、高压水舱系统、电测系统以及液压系统等五大主要部分。由于增加了油泵和换压器等装置，使得本发明系统可在不使用炸药的情况下实现模拟多种水深下的远场爆炸冲击波加载，同时，本发明采用了一种新型的测量方法，利用冲击动力学原理以及一维弹性波的反射和透射理论知识，采用间接的测量方式获得等效水下爆炸冲击波波形。对多种结构材料在深水远场爆炸冲击波作用下的研究将提供更加便利的实验测试系统和测试方法。本发明具有测量精度高、可操作性强、安全性高、操作简单、实验成本低等优点。

Claims (4)

1.一种水下爆炸冲击波等效加载实验装置，包括含发射系统、测速系统、高压水舱系统、测量系统以及液压系统，其特征是：

所述发射系统包括发射管和位于发射管前端的高压气室，

所述高压水舱系统包括高压水舱、入射杆、阻挡片，高压水舱上开有放气孔和注水口，入射杆通过入射杆支架安装在高压水舱前端，阻挡片通过阻挡片支架安装在入射杆前端，入射杆后端伸入高压水舱前端，待测试样板材安装在高压水舱后端，

所述测量系统包括应变片、动态应变仪、示波器和计算机，应变片粘贴在入射杆上，应变片通过引线连接至动态应变仪，动态应变仪通过数据连接线连接计算机，

所述液压系统包括低压水箱、换压器和油泵，低压水箱通过第一高压水管与换压器相连，换压器通过第二高压水管与高压水舱上的注水口相连，换压器通过高压油管连接油泵，

发射系统与高压水舱系统呈一字型水平布置，即发射管后端与高压水舱前端相对，测速系统安装在发射管末端与阻挡片之间。

2.根据权利要求1所述的水下爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：所述测速系统包括两个激光发射器、两个激光接收器以及激光测速仪，两个激光发射器水平并排放置并固定，两个激光接收器与两个激光发射器相对放置并固定在发射管壁末端位置。

3.根据权利要求2所述的水下爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：一个激光发射器与一个激光接收器组成一组激光器，两组激光器平行间距为50mm-100mm，激光测速仪上设有置零键。

4.根据权利要求1、2或3所述的水下爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：应变片粘贴在入射杆长度的1/2位置处。