CN106932163A - 固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置。包含发射系统、测速系统、高压水舱系统、电测系统和液压系统。发射系统与高压水舱系统呈一字型水平布置，发射系统发射管口与高压水舱头部端口相对，测速系统水平安装在两端口之间。通过液压系统向高压水舱注水，并通过换压器调节高压水舱内水压模拟高静水压环境，利用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。通过电测系统可测得冲击波的压力时程曲线，同时可在不使用炸药的实验室环境下完成对多种材料在固支边界条件下的水下爆炸冲击动力学响应分析，具有可控性强，安全性高，实验成本低，操作简单等优点。

Description

固支边界条件的深水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爆炸与冲击动力学及力学实验装置，特别是一种通过撞击产生等效深水爆炸冲击波载荷及其作用下测试结构力学响应的实验装置。
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能在不使用炸药的情况下实现多种水深环境下的水下爆炸冲击波等效加载，可实现对多种材料水下爆炸冲击作用下的力学响应实验测试的固支边界条件的深水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：
包含发射系统、测速系统、高压水舱系统、电测系统和液压系统，
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，待测板材试样安装在高压水舱的末端，高压水舱的前端设置阻挡片，高压水舱上开有放气孔、冲击波测量装置安装口和注水口，
所述发射系统与高压水舱系统呈一字型水平布置，即发射管末端与高压水舱前端相对，
测速系统安装在发射管末端与高压水舱前端之间，
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，
所述电测系统包括高频压电传感器、信号放大器以及计算机，高频压电传感器安装在冲击波测量装置安装口内、并通过信号传输线将电信号传输到信号放大器，信号放大器通过数据传输线将处理后的电信号传输到计算机。
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，两组激光器平行间距为50mm。
2、所述高压水舱由两个环形支架水平固定安装在底座上。
3、高压气室壁上安装有压力表、触发开关，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控制子弹发射速度。
4、高压水舱为等外径圆柱管，高压水舱前端内径大于末端内径，放气孔上布置有一截止阀，高压水舱前端设置限制阻挡片向外移动的挡板，所述挡板为法兰结构。
5、换压器上部分截面直径小于下面部分，上部分为水，下面为油，利用换压器上下截面不同，通过油泵调节换压器下面部分油柱的高度，改变高压水舱内水压。
本发明针对已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，提出了一种固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，在不使用炸药的情况下，能够实现多种水深环境下的水下爆炸冲击波等效加载，通过改变发射系统的子弹速度，可改变水下爆炸冲击波波峰值，同时该发明装置也可实现对多种新型材料水下爆炸冲击作用下的力学响应实验测试。
本发明的实验测试系统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，从而模拟不同水深的高静水压环境。
本发明的有益效果是：本发明相比其它已有技术有明显的技术改进和提升。本发明系统主要包括发射系统、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深水爆炸冲击波加载，对多种结构材料在深水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。本发明具有安全性高、可操作性强、实验成本低、性能稳定、应用前景广等优点。
附图说明
图1为发明的总体结构示意图。
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为电测系统结构示意图。
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，本发明的测试系统包含发射系统1、测速系统2、高压水舱系统3、电测系统4以及液压系统5五大主要部分。所述发射系统与高压水舱系统呈一字型水平布置，加载系统发射管端口与高压水舱头端口相对，激光测速系统水平安装在两端口之间。所述高压水舱由两环形支架水平固定安装在底座上。
结合图2，发射系统1包括高压气室1-1、压力表一1-4、发射管1-3、子弹1-2、触发开关1-5等部件。压力表一安装在高压气室壁上，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3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，两组激光器平行间距为50mm；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，高压水舱系统包括上挡板3-2、阻挡片3-1、“O”型橡胶密封圈、放气孔3-4、第一冲击波测量装置安装口3-5、第二冲击波测量装置安装口3-7、第三冲击波测量装置安装口3-11、注水口3-9、截止阀一3-3、高压水舱支架一3-6、高压水舱支架二3-8、压力表二3-10、待测板材试样3-12、螺栓3-13、“O”型橡胶密封垫3-14、高压水舱3-15、固支法兰3-18、“O”型橡胶密封圈3-16、高压水舱底座3-17等部件；高压水舱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三个冲击波测量装置安装口、一个放气孔、一个压力表连接口和一个注水口，高压水舱为等外径圆柱管(外径为500mm,长度为3000mm)，在阻挡片端部内径(100mm)大于后侧高压水舱内径(60mm)；放气孔上布置有一截止阀；所述挡板为法兰结构，用螺栓固定安装在高压水舱头部端口，限制阻挡片向外移动。所述阻挡片周向设有一凹槽，用于安装“O”型橡胶密封圈，起到密封作用；所述截止阀安装在放气孔上，待高压水舱注满水后呈关闭状态；所述板材试样通过螺栓和固支法兰紧密安装在高压水舱尾端，并在板材试样与高压水舱接触位置安装“O”型橡胶密封垫，起密封作用。
结合图5，电测系统包括高频压电传感器、信号放大器4-4、高频压电传感器一信号传输线4-1、高频压电传感器二信号传输线4-2、高频压电传感器三信号传输线4-3、数据传输线4-5、计算机4-6等部件；高频压电传感器紧密安装在冲击波测量装置安装口内，并通过信号传输线将电信号传输到放大器，然后通过放大器对信号放大处理，进而通过数据传输线将处理后的电信号传输到计算机，通过计算机处理可绘制高压水舱内不同测点处的等效冲击波压力时程曲线。
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，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，换压器上部分截面直径小于下面部分，上部分为水，下面为由，利用换压器上下截面不同，通过油泵调节换压器下面部分油柱的高度，可改变高压水舱内水压。
本发明还包括这样一些特征：
1.发射系统中子弹与高压水舱系统中的阻挡片材质相同，可选用泡沫铝、合金钢、铝等材质，阻挡片直径为100mm，厚度随实验时水舱压力不同。所述子弹直径与高压水舱的待测板材试样端内径均为60mm，挡板法兰内径为75mm，大于子弹直径。
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(0-3MP)，模拟不同水深的水压环境，从而实现一种不同水深(0-300m)下爆炸冲击波等效加载实验测试系统和测试方法。
采用本发明的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置的实验方法的具体步骤为：
(1)使用本发明测试系统时，首先在阻挡片3-1上安装好“O”型橡胶密封圈3-16，并安装好阻挡片3-1、挡板3-2、“O”型橡胶密封垫3-14、待测试样板材3-12和固支法兰3-18，并用螺栓3-13固定。
(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，关闭截止阀一3-3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3-15内水压，观察压力表二3-10，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4-6、信号放大器4-4，调节高压气室1-1内气压，将子弹1-2推至发射管1-3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1-5进行实验。
(5)记录激光测速仪显示器2-6上时间，通过信号放大器4-4、计算机4-6对高频压电传感器收集的信号处理，绘制出各测点处的压力时程曲线，同时也可在待测试样板材3-12上粘贴应变片获得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、挡板3-2、固支法兰3-18和待测试样板材3-12，关闭信号放大器4-4、计算机4-6、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。

Claims (9)

1.一种固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，包含发射系统、测速系统、高压水舱系统、电测系统和液压系统，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，待测板材试样安装在高压水舱的末端，高压水舱的前端设置阻挡片，高压水舱上开有放气孔、冲击波测量装置安装口和注水口，
所述发射系统与高压水舱系统呈一字型水平布置，即发射管末端与高压水舱前端相对，
测速系统安装在发射管末端与高压水舱前端之间，
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，
所述电测系统包括高频压电传感器、信号放大器以及计算机，高频压电传感器安装在冲击波测量装置安装口内、并通过信号传输线将电信号传输到信号放大器，信号放大器通过数据传输线将处理后的电信号传输到计算机。
2.根据权利要求1所述的固支边界条件的深水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，两组激光器平行间距为50mm。
3.根据权利要求1或2所述的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：高压气室壁上安装有压力表、触发开关，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控制子弹发射速度。
4.根据权利要求1或2所述的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：高压水舱为等外径圆柱管，高压水舱前端内径大于末端内径，放气孔上布置有一截止阀，高压水舱前端设置限制阻挡片向外移动的挡板，所述挡板为法兰结构。
5.根据权利要求3所述的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：高压水舱为等外径圆柱管，高压水舱前端内径大于末端内径，放气孔上布置有一截止阀，高压水舱前端设置限制阻挡片向外移动的挡板，所述挡板为法兰结构。
6.根据权利要求1或2所述的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：换压器上部分截面直径小于下面部分，上部分为水，下面为油，利用换压器上下截面不同，通过油泵调节换压器下面部分油柱的高度，改变高压水舱内水压。
7.根据权利要求3所述的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：换压器上部分截面直径小于下面部分，上部分为水，下面为油，利用换压器上下截面不同，通过油泵调节换压器下面部分油柱的高度，改变高压水舱内水压。
8.根据权利要求4所述的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：换压器上部分截面直径小于下面部分，上部分为水，下面为油，利用换压器上下截面不同，通过油泵调节换压器下面部分油柱的高度，改变高压水舱内水压。
9.根据权利要求5所述的固支边界条件的深水爆炸冲击波等效加载实验装置，其特征是：换压器上部分截面直径小于下面部分，上部分为水，下面为油，利用换压器上下截面不同，通过油泵调节换压器下面部分油柱的高度，改变高压水舱内水压。
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