CN107478379B - 爆炸场冲量和风动压测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种爆炸场冲量和风动压测试装置，包括受力模块1、测力模块2和固定模块3，受力模块1和测力模块2固连后安装于固定模块3，装置固有频率根据被测爆炸场冲击波频率特性确定，爆炸场冲量和风动压载荷作用于受力模块1后，测力模块2输出电压曲线，进而根据测力模块2灵敏度得到冲量和风动压。本发明不仅能实现爆炸场风动压参量的测试，而且具备冲量测试能力，实现了一套装置同时完成冲量和风动压的测量，所获取的数据可为弹药威力评估和目标易损性研究提供数据支撑。

Description

爆炸场冲量和风动压测试装置
本发明属于爆炸毁伤测试与评估技术领域，具体涉及一种测试装置，特别是一种爆炸场冲量和风动压测试装置。
背景技术
炸药装药在空气中爆炸产生的高温、高压爆轰产物急剧膨胀，把周围空气从原来的位置迅速挤压出去，形成空气冲击波，同时，从爆炸中心向外涌出的高压气浪紧跟在冲击波阵面后形成冲击风或曳力风，冲击波和冲击风都会对目标造成不同程度的破坏，是装药对目标造成毁伤的主要作用形式。
冲击波对障碍物的作用主要有超压载荷和冲量载荷，当冲击波的正压持续时间小于目标自身周期的四分之一时，由于目标结构尚来不及响应，冲击波作用过程已经结束，此时目标的毁伤程度主要取决于冲量载荷。对烟囱、尖塔、电杆等一类细长目标的破坏，起主要作用是随爆炸冲击波而来的冲击风。这类目标的横向面积较小，冲击波在迎风面上形成的反射高压很快就被侧面稀疏波稀疏，而空气流体绕过目标形成环流向前运动，使得目标结构承受冲击风的吹袭，风动压载荷就是这种风压就加载到细长物体上的载荷。
在冲量测试方面，目前冲量测试普遍采用超压曲线积分法。由于高灵敏压力传感器的广泛使用及测试技术的进步，超压峰值测试结果准确度得到了大幅度的提高，积分法直接利用测试获得的超压曲线积分得到冲量。但是，一方面受到测试条件的影响，不能获得光滑、连续的超压时间曲线时有发生；另一方面受到人为因素的影响，积分时间段起点、终点的选择会因人而异，积分结果不一致。通过多次试验结果来看，该方法获得的冲量重复性较差，对爆炸威力评估影响大。
在风动压和风动压载荷测试方面，清华大学的席葆树教授在1973年设计完成了采用电感式差压传感器的LDY-6型微压差传感器风动压测试仪器，首次成功得到了核试验现场的爆炸场风动压，西北核技术研究所的彭常贤在《空气风动压探头的动态响应研究》文中介绍了一种采用一皮托管和一膜片式双边变磁阻传感器所组成的空气风动压测试探头，探头具有两个同时进气的总压和静超压管道空腔，根据总压和静超压之差计算风动压。但是核爆炸风动压持续时间长、峰值高，而普通化学爆炸冲击波持续只有数毫秒，皮托管的响应时间很难满足化爆冲击波和风动压的测试需求。
相对于高频的冲击波，风动压载荷则为低频信号，当下对冲量和风动压载荷的测试是相互独立的，且风动压载荷测试尚无较为成熟可靠的测试方法，更未见能同时实现冲量和风动压载荷的测试装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种爆炸场冲量和风动压测试装置，既能实现对高频冲击波冲量的测试，又能实现对低频风动压载荷的测试。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
(一)装置组成
本发明的爆炸场冲量和风动压测试装置的原理模型为质量-弹簧-阻尼组成的单自由度二阶系统。质量-弹簧-阻尼系统的运动方程为
Figure BDA0001412770670000021
式中m为系统质量块质量，c为系统阻尼，k为弹簧刚度，x为系统的位移输出，f(t)为作用力。
系统的角频率ω和阻尼比ε表达式为
Figure BDA0001412770670000022
据此，本发明设计的冲量和风动压测试装置主要包括受力模块、测力模块和固定模块，如图1所示。其中受力模块相当于质量块，测力模块相当于弹簧-阻尼，受力模块受到的外力为静态力F时，位移为：
x＝F/ω2 (3)
外加一个脉冲载荷I，最大静态位移为：
x＝I/ω (4)
用静态力表示相应压力为：
F＝Iω (5)
(二)装置固有频率
根据冲量准则，为保证该测试装置对冲量的测试精度，要求系统的周期T至少大于爆炸冲击波的持续时间τ的4倍，即
Figure BDA0001412770670000034
装药在空中爆炸时，爆炸冲击波超压的持续时间经验计算式为
Figure BDA0001412770670000031
根据式(6)、(7)，测试装置的无阻尼固有频率ω应满足如下要求
Figure BDA0001412770670000032
式中，τ为冲击正压持续时间，s；r为离爆炸点的距离，m；Q为装药TNT当量，kg；a为系数，可取1.35×10-3。
(三)装置输出曲线及冲量、风动压读取
本发明设计的测试装置测力模块能将受力模块受到的载荷F转化为相应的电压信号，测试装置灵敏度为S，实时输出的电压值为U，有
Figure BDA0001412770670000033
高频冲量载荷作用与测试装置受力模块后，装置输出的电压首峰值U1，受力模块开始阻尼振动，装置自振周期为T；紧接着低频的动压载荷作用于受力模块，其作用时间远大于冲量作用，受力模块在阻尼振动上叠加了动压载荷作用引起的运动，阻尼振动时间相对风动压的持续时间短，阻尼振动结束后装置受到动压载荷持续输出平台电压值U2，若装置的受力模块面积为A，有爆炸后冲量i和风动压q
Figure BDA0001412770670000041
Figure BDA0001412770670000042
式中，i为爆炸冲击波冲量，Pa·s；q为爆炸风动压，Pa；S为测力模块灵敏度，V/N；A为受力模块面积，m2；U1为装置输出电压首峰值，V；U2为装置输出的平台电压，V。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
(1)本发明装置可实现爆炸场风动压载荷进行测试，解决了当前的炸药爆炸场风动压载荷测试的难题，可用于爆炸风动压毁伤威力测试与评估；
(2)本发明装置提供了一种新的冲击波冲量测试手段，可为弹药威力评估和目标易损性研究提供基础数据；
(3)本发明实现了一套装置装置同时完成冲量载荷、动压载荷测试，有助于减轻测试工作量，缩短试验测试准备时间，降低试验成本。
附图说明
图1是本发明的爆炸场冲量和风动压测试装置示意图；
图2是典型的质量-弹簧-阻尼单自由度二阶系统；
图3是本发明的爆炸场冲量和风动压测试装置的典型输出曲线。
图中标号分别代表：1、受力模块，2、测力模块，3、固定模块。
具体实施方式
下面结合附图及优选的实施例对本发明作进一步的详述。
图1给出了本发明的爆炸场冲量和风动压测试装置所设计的测试装置示意图，图2给出了爆炸场冲量和风动压测试装置的基本原理，在图1、图2的基础上实现本发明设计方法的详述。
爆炸场冲量和风动压测试装置，其特征在于，包括受力模块1、测力模块2、固定模块3。
所述受力模块1为刚性平板，可选用Q235等金属材料，与测力模块2刚性固连；
所述测力模块2由力传感器及安装组件组成，安装于固定模块3，力传感器可选用弹性力传感器、应变片力传感器、电感式力传感器等；
所述固定模块3为刚性金属框架结构，在外力作用下保持静止，用于安装受力模块1和测力模块2组成的刚性连接体。
装置的固有频率为ω，由受力模块1、测力模块2和固定模块3的质量、材料、尺寸等确定。根据冲量准则，为保证该测试装置对冲量的测试精度，要求装置的周期T至少大于爆炸冲击波的持续时间τ的4倍，即
Figure BDA0001412770670000051
装药在空中爆炸时，爆炸冲击波超压的持续时间经验计算式为
Figure BDA0001412770670000052
式中，τ为冲击正压持续时间，s；r为离爆炸点的距离，m；Q为装药TNT当量，kg；a为系数，可取1.35×10-3。
根据式(1)、(2)，测试装置的固有频率ω应满足如下要求
Figure BDA0001412770670000053
本发明的爆炸场冲量和风动压测试装置的原理模型为质量-弹簧-阻尼组成的单自由度二阶系统，如图2所示。对照图2，本发明装置的受力模块1和测力模块2组成质量-弹簧-阻尼系统，受力模块1相当于图2中的质量块，测力模块2相当于弹簧-阻尼系统，系统的运动方程为
Figure BDA0001412770670000061
式中m为系统质量块质量，c为系统阻尼，k为弹簧刚度，x为系统的位移输出，f(t)为作用力。
质量-弹簧-阻尼系统的固定频率ω为
Figure BDA0001412770670000062
受力模块1受到的外力为静态力F时位移为：
x＝F/ω2 (6)
受力模块2受到一个脉冲载荷I，最大静态位移为：
x＝I/ω (7)
用静态力表示相应压力为：
F＝Iω (8)
测试装置的典型输出曲线如图3所示。在t0时，高频冲量载荷作用与测试装置受力模块1后，测力模块2输出的电压首峰值U1(t1时刻)，受力模块1开始阻尼振动，系统自振周期为T；紧接着低频的动压载荷作用于受力模块1，其作用时间远大于冲量作用，受力模块1在阻尼振动上叠加了风动压载荷作用引起的运动，阻尼振动时间相对风动压的持续时间短，阻尼振动结束后受力模块1受到风动压载荷作用，测力模块2输出平台电压值U2(t2时刻)，平台的持续时间决定于风动压载荷的持续时间。
若系统的受力模块面积为A，爆炸后冲量i和风动压q按分别按式(9)、式(10)计算
Figure BDA0001412770670000063
Figure BDA0001412770670000071
其中，i为爆炸冲击波冲量，Pa·s；q为爆炸风动压，Pa；S为测力模块2灵敏度，V/N；A为受力模块1面积，m2；U1为测力模块2输出电压首峰值，V；U2为测力模块2输出的平台电压，V。
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的同等变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例设计适用于装药量Q为30kg的TNT爆炸、测点距离r为10m的冲量和风动压载荷测试装置。将Q、r代入公式(7)求得此处冲击波正压作用时间τ＝7.53×10-3s，依据
Figure BDA0001412770670000072
进而求得系统固有频率ω<417Hz。此处爆炸冲量载荷
Figure BDA0001412770670000073
风动压载荷
Figure BDA0001412770670000074
其中S、A有由力模块2灵敏度和受力模块1面积确定，U1、U2根据测力模块2测试输出曲线读取。
实施例2
本实施例设计适用于装药量Q为300kg的TNT爆炸、测点距离r为20m的冲量-风动压载荷测试装置。将Q、r代入公式(7)求得此处冲击波正压作用时间τ＝15.62×10-3s，依据
Figure BDA0001412770670000075
进而求得系统固有频率ω<201Hz，此处爆炸冲量载荷
Figure BDA0001412770670000076
风动压载荷
Figure BDA0001412770670000077
其中S、A由测力模块2灵敏度和受力模块1面积确定，U1、U2根据测力模块2测试输出曲线读取。

Claims (1)

1.爆炸场冲量和风动压测试装置，其特征在于，包括受力模块(1)、测力模块(2)、固定模块(3)，由受力模块(1)、测力模块(2)、固定模块(3)组成的装置的固有频率ω应满足
Figure FDA0002416640110000011
其中，r为受力模块(1)与爆炸场爆心的距离，m；Q为爆炸场装药的TNT当量，kg；ω为 测试装置固有频率，Hz；
所述受力模块(1)为刚性平板，与测力模块(2)刚性固连；
所述测力模块(2)由传感器及安装组件组成，安装于固定模块(3)，传感器选用弹性、应变片或电感式类型力传感器；
所述固定模块(3)为刚性金属框架结构，在爆炸力作用下保持静止，用于承载受力模块(1)和测力模块(2)；
所述受力模块(1)受到爆炸场冲量和风动压载荷作用后，测力模块(2)输出电压曲线，按公式a、公式b分别计算冲量i和风动压q
Figure FDA0002416640110000012
Figure FDA0002416640110000013
其中，i为爆炸冲击波冲量，Pa·s；q为爆炸风动压，Pa；S为测力模块(2)灵敏度，V/N；A为受力模块(1)受力面积，m2；U1为测力模块(2)输出电压曲线的首峰值，V；U2为测力模块(2)输出电压曲线振荡结束后的平台值，V。
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