CN107478093A - 一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷的方法，所述方法包括以下步骤：根据所需要定制的脉冲载荷波形设计梯度泡沫铝弹丸的长度、梯度序列及弹丸速度；制备所设计的梯度泡沫铝弹丸；将制备好的梯度泡沫铝弹丸从一级轻气炮中以所设计的弹丸速度射出，从而在弹丸着靶处形成所定制的脉冲载荷波形。本发明为科研人员及工程设计人员提供一种可定制化产生不同波形脉冲载荷的方法，其可定制包括三角形脉冲载荷、矩形脉冲载荷、爆炸脉冲载荷在内的多种波形。这种方法可广泛应用于交通运输、安全防护及军事等领域中爆炸冲击载荷的试验模拟，可有效节省试验成本，具有可观的经济效益。

Description

一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统及方法
技术领域
本发明属于脉冲载荷试验加载技术领域，具体涉及一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统及方法，特别是在实验室中可定制不同波形脉冲载荷的方法。
背景技术
爆炸冲击等脉冲载荷作用下结构的动态响应是一项广泛存在于交通运输、安全防护及军事等领域的重要研究课题，受到各国科研人员广泛关注。然而，这一课题的试验研究远远滞后于理论和数值方法研究。原因是爆炸冲击等脉冲载荷的试验加载往往涉及到高能量爆炸物，这一加载方式存在安全性差、需要专用试验场地、使用技术复杂、费用高等不足，尤其是无法定制所需要的脉冲波。因此，为了能在常规试验条件下频繁的进行试验研究，急需一种安全、简单、经济的可定制波形的脉冲载荷加载技术。泡沫铝子弹撞击加载技术作为一种爆炸加载替代技术可以实现不同冲量的爆炸波加载，然而不足之处是无法实现波形的控制。爆炸波波形往往受 TNT当量、爆炸距离及爆炸环境(密闭或开放)等因素的影响而呈现不同特征，其决定着冲击能量输入的集中程度，越是尖锐的波形，其导致冲击能量集中作用于靶板的时间越短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种安全、简单、经济的基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统及方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，包括梯度泡沫铝弹丸、用于发射所述梯度泡沫铝弹丸的一级轻气炮以及靶板，所述梯度泡沫铝弹丸设置在所述一级轻气炮内，所述靶板通过固定装置进行固定，所述梯度泡沫铝弹丸由多层不同密度泡沫铝层叠而成。
优选的，所述层叠方式具体为将N层不同密度的泡沫铝依照密度梯度序列依次堆叠，层间通过无钎剂钎焊方法进行连接。
优选的，所述N层不同密度泡沫铝的层数需大于等于十层，单层厚度大于等于三倍单胞尺寸。
优选的，所述梯度泡沫铝的相对密度范围为0.05～0.2。
优选的，所述无钎剂钎焊方法采用真空活性钎焊技术并以Zn-Al-Cu基合金作为钎料。
优选的，所述靶板为均质板、夹芯板或层合板结构，所述靶板的材质为金属或复合材料。
优选的，所述一级轻气炮内部设置的高压气体为氮气或氦气。
一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统的试验方法，包括以下步骤：
S1、根据所需要定制的脉冲载荷波形设计梯度泡沫铝弹丸的长度、梯度序列及弹丸速度；
S2、制备梯度泡沫铝弹丸；
S3、将步骤S2制备好的梯度泡沫铝弹丸通过一级轻气炮以设计速度射向靶板，在所述梯度泡沫铝弹丸着靶处形成脉冲载荷波形。
优选的，所述梯度序列和弹丸长度取决于所需定制脉冲载荷的波形。
优选的，所述泡沫铝密度和弹丸速度取决于所需定制脉冲载荷的冲量。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所提出的脉冲载荷加载试验系统，包括梯度泡沫铝弹丸、一级轻气炮和靶板，梯度泡沫铝弹丸设置在一级轻气炮内，靶板通过固定装置进行固定，梯度泡沫铝弹丸由多层不同密度泡沫铝层叠而成，采用层叠的方式可有效并精确控制梯度序列，避免一体成型制备梯度泡沫铝其梯度序列不可精确控制的缺点，不同于采用炸药等高能高危爆炸物产生爆炸载荷，采用梯度泡沫弹丸冲击加载产生脉冲载荷具备安全、简单、低成本、可重复性强等优势，不但可以实现不同冲量的脉冲载荷加载，还可以实现波形的控制。
进一步的，为了使得梯度泡沫铝弹丸产生的脉冲载荷光滑连续，需使得不同密度梯度泡沫铝的层数大于十层，且单层厚度大于等于三倍单胞尺寸时可保证各层梯度序列可产生有效载荷。
进一步的，由于泡沫铝是一种多孔材料，两个泡沫铝层之间的接触只有部分胞元壁面的交错接触，采用真空活性钎焊技术可有效实现壁面之间的焊接，此外对于铝基体泡沫采用 Zn-Al-Cu基合金作为钎料的能实现更强的连接。
进一步的，高压气体采用氮气或氦气，氦气为一种惰性气体可有效隔绝氧气，防止焊接过程中氧化反应的发生。
进一步的，根据试验研究对象的不同，靶板可采用均质板、夹芯板或层合板等。
本发明还提供了一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统的方法，根据所需要定制的脉冲载荷波形设计梯度泡沫铝弹丸的长度、梯度序列及弹丸速度；制备所设计的梯度泡沫铝弹丸；将制备好的梯度泡沫铝弹丸从一级轻气炮中以所设计的弹丸速度射出，从而在弹丸着靶处形成所定制的脉冲载荷波形，本发明为科研人员及工程设计人员提供一种可定制化产生不同波形脉冲载荷的方法，其可定制包括三角形脉冲载荷、矩形脉冲载荷、爆炸脉冲载荷在内的多种波形。
进一步的，脉冲载荷的波形产生依赖于弹丸的梯度序列和弹丸长度及发射速度，因此在定制脉冲载荷波形时需确定这些变量。
进一步的，脉冲载荷的冲量取决于泡沫铝弹丸质量和速度，因此在定制脉冲载荷整体的冲量时需首先确定弹丸质量和发射速度。
综上所述，本方法可广泛应用于交通运输、安全防护及军事等领域中爆炸冲击载荷的试验模拟，可有效节省试验成本，具有可观的经济效益。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于梯度泡沫铝弹丸定制脉冲载荷的试验系统示意图；
图2为本发明梯度泡沫铝弹丸的剖视图；
图3为本发明梯度泡沫铝弹丸的制备示意图；
图4为本发明实施例1三角波形示意图；
图5为本发明实施例2矩形波形示意图。
其中：1.梯度泡沫铝弹丸；2.一级轻气炮；3.靶板；4.固定装置；11.泡沫铝；12.钎料； 13.密度梯度序列。
具体实施方式
本发明提供了一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷的方法，在泡沫铝子弹的基础上引入了梯度序列(如胞元孔尺寸梯度和密度梯度)这一可设计项，梯度序列形式和泡沫铝子弹长度、密度、发射速度等设计参量共同决定了所产生脉冲载荷的冲量和峰值、带宽及半带宽等波形参数，从而能同时定制冲量和特定波形的脉冲载荷。
此外，基于所设计的梯度泡沫铝弹丸各参数，通过层叠多层不同均匀密度泡沫铝的方式制备得到梯度泡沫铝弹丸。
本发明一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷的方法，包括以下步骤：
S1、根据所需要定制的脉冲载荷波形设计梯度泡沫铝弹丸的长度、梯度序列及弹丸速度；
S2、制备梯度泡沫铝弹丸；
S3、将步骤S2制备好的梯度泡沫铝弹丸通过一级轻气炮以设计速度射向靶板，在所述梯度泡沫铝弹丸着靶处形成脉冲载荷波形。
其中，所述梯度序列和弹丸长度取决于所需定制脉冲载荷的波形。根据所需定制脉冲载荷的带宽及发射速度反推出弹丸的长度，根据波形的半带宽及发射速度可反推出梯度序列。
所述泡沫铝密度和弹丸速度取决于所需定制脉冲载荷的冲量。根据波形可求出脉冲载荷冲量，根据冲量及弹丸发射速度进一步求出泡沫铝弹丸的质量，根据质量及梯度序列进一步可求出泡沫铝弹丸的各层密度。
请参阅图1，本发明还公开了一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷的试验系统，包括梯度泡沫铝弹丸1，发射梯度泡沫铝弹丸的一级轻气炮2和靶板3，所述梯度泡沫铝弹丸1设置在所述一级轻气炮2内，所述靶板3通过固定装置4进行固定。
请参阅图2和图3，所述梯度泡沫铝弹丸1由多层不同密度泡沫铝层叠而成，所述层叠方式具体为将N层不同密度的泡沫铝11依照密度梯度序列13依次堆叠，层间通过无钎剂钎焊方法进行连接。
所述N层不同密度泡沫铝的层数需大于等于十层，单层厚度大于等于三倍单胞尺寸。
所述无钎剂钎焊方法采用真空活性钎焊技术并以Zn-Al-Cu基合金作为钎料12。
所述一级轻气炮2的高压气体为氮气或氦气。
所述靶板3为均质板、夹芯板或层合板等待研究结构，材质为金属或复合材料等。
实施例1
为得到附图4中所示三角波形，首先设计梯度泡沫铝弹丸的梯度序列(采用密度梯度形式) 为从弹头到弹尾泡沫铝层相对密度依次由0.15线性减少至0.05。
将十种不同密度(相对密度依次为0.05-0.15)泡沫铝切割为截面直径为57mm，厚度为 10mm的柱块(包含至少三个胞元)；将各柱块依次按照所设计密度梯度序列堆叠起来，各层之间通过无钎剂钎焊方法进行连接，所用钎料为Zn-Al-Cu基合金，见图2。
焊接完成后将梯度泡沫铝弹丸静置降温，然后打磨梯度泡沫铝弹丸的表面使其光滑。
最后将梯度泡沫铝弹丸填装到一级轻气炮中并发射，见图1，发射速度控制为380m/s，得到如图4中所示波形曲线(三角波)。
实施例2
为得到图5中所示矩形波形，首先设计梯度泡沫铝弹丸的梯度序列(采用密度梯度形式) 为从弹头到弹尾泡沫铝层相对密度依次由0.08线性增加至0.12。
将十种不同密度(相对密度依次为0.08-0.12)泡沫铝切割为截面直径为57mm，厚度为 10mm的柱块(包含至少三个胞元)；将各柱块依次按照所设计密度梯度序列堆叠起来，各层之间通过无钎剂钎焊方法进行连接，所用钎料为Zn-Al-Cu基合金，见图2。
焊接完成后将梯度泡沫铝弹丸静置降温，然后打磨梯度泡沫铝弹丸的表面使其光滑。
最后将梯度泡沫铝弹丸填装到一级轻气炮中并发射，参见图1，发射速度控制为380m/s，得到如图5中所示波形曲线(矩形波)。
采用本方法产生的脉冲载荷曲线的光滑度取决于泡沫铝材料的品质，由于各层胞元尺寸并非完全均匀分布使得产生的脉冲载荷波形呈现出锯齿状，如图4与图5所示。为了避免产生不平滑的脉冲载荷曲线，需选用材质较好的泡沫铝材料制备成泡沫弹丸。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，其特征在于，包括梯度泡沫铝弹丸(1)、用于发射所述梯度泡沫铝弹丸(1)的一级轻气炮(2)以及靶板(3)，所述梯度泡沫铝弹丸(1)设置在所述一级轻气炮(2)内，所述靶板(3)通过固定装置(4)进行固定，所述梯度泡沫铝弹丸(1)由多层不同密度泡沫铝层叠而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，其特征在于，所述层叠方式具体为将N层不同密度的泡沫铝依照密度梯度序列依次堆叠，层间通过无钎剂钎焊方法进行连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，其特征在于，所述N层不同密度泡沫铝的层数需大于等于十层，单层厚度大于等于三倍单胞尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，其特征在于，所述梯度泡沫铝的相对密度范围为0.05～0.2。
5.根据权利要求2所述的一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，其特征在于，所述无钎剂钎焊方法采用真空活性钎焊技术并以Zn-Al-Cu基合金作为钎料。
6.根据权利要求1所述的一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，其特征在于，所述靶板(3)为均质板、夹芯板或层合板结构，所述靶板(3)的材质为金属或复合材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于梯度泡沫铝定制脉冲载荷试验系统，其特征在于，所述一级轻气炮(2)内部设置的高压气体为氮气或氦气。
8.一种利用权利要求1所述试验系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据所需要定制的脉冲载荷波形设计梯度泡沫铝弹丸的长度、梯度序列及弹丸速度；
S2、制备梯度泡沫铝弹丸；
S3、将步骤S2制备好的梯度泡沫铝弹丸通过一级轻气炮以设计速度射向靶板，在所述梯度泡沫铝弹丸着靶处形成脉冲载荷波形。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述梯度序列和弹丸长度取决于所需定制脉冲载荷的波形。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述泡沫铝密度和弹丸速度取决于所需定制脉冲载荷的冲量。
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