CN109506875A - 非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统涉及一种爆炸冲击测试装置，目的是为了克服现有技术中水下爆炸冲击波、高速破片侵彻和气泡脉动载荷单独作用叠加得到结果不够精确，以及缺少必要的实验验证而无法确定其有效性的问题，其包括大口径轻气炮发射管、小口径轻气炮发射管、等效加载模拟器、测速装置、冲击波测量装置和信号处理装置。本发明可实现爆炸冲击波、高速破片和气泡脉动载荷耦合加载的特点，适于实验室环境，容易普及采用。

Description

非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统

技术领域

本发明涉及一种爆炸冲击测试装置，具体涉及冲击波与高速破片耦合的测试装置。

背景技术

水下爆炸易产生爆炸冲击波、高速破片侵彻和气泡脉动射流等载荷。其中水下爆炸冲击波载荷的峰值压力大、作用时间短，而破片的撞击速度高，在冲击波和高速破片的耦合加载下可以使舰艇局部变形或破裂(局部响应)，是水中爆炸毁伤效应的主要来源。水的密度大且不易压缩性造成水下爆炸对目标的毁伤效果远远大于空气中爆炸。

目前对于不同结构及材料水下爆炸冲击波和高速破片耦合加载的研究主要有如下几种方法：

1、完全利用数值仿真技术对结构材料的水下爆炸冲击波和高速破片耦合加载进行研究，这种方法由于缺少必要的实验验证而无法确定其有效性；

2、采用水下高速破片和爆炸冲击波单独作用研究他们对结构材料的毁伤的特性和机理，但是水下爆炸冲击波、高速破片侵彻和气泡脉动载荷单独作用累加对结构的毁伤效应远远小于这些载荷耦合作用的破坏效应，得到的结果不够精确；

3、采用真实的武器在水下爆炸所产生的冲击波和高速破片实现，但是实弹爆炸这种加载方式存在危险性大、实验数据测试难度大、可重复性低和普及困难等缺点。

而公开号为CN103322857B、公开日为2014年12月17日的中国发明专利《一种小型两级轻气炮》，解决了超高速驱动设备由于发射高速破片时采用火药，导致危险性大和在实验室环境下普及困难的问题；

公开号为CN103344405B、公开日为2015年12月09日的中国发明专利《一种柱形非药式水下爆炸冲击波等效加载实验装置》，提供了一种水下爆炸冲击波等效加载装置用以进行水下冲击波加载实验，同时也解决了通常该装置由于发射弹药时采用火药，导致危险性大、实验数据测试难度大、可重复性低和实验室环境下普及困难的问题。

综上所述，现有技术中还存在着水下高速破片和爆炸冲击波单独作用累加对结构的毁伤效应远远小于这些载荷耦合作用的破坏效应，导致无法得到精确的结果的问题；以及采用数值仿真技术缺少必要的实验验证，而无法确定其有效性的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中水下爆炸冲击波、高速破片侵彻和气泡脉动载荷单独作用叠加得到结果不够精确，以及缺少必要的实验验证而无法确定其有效性的问题，提供了一种非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载实验系统。

本发明的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，包括大口径轻气炮发射管、小口径轻气炮发射管、等效加载模拟器、测速装置、冲击波测量装置和信号处理装置；

小口径轻气炮发射管同轴套装在大口径轻气炮发射管内；小口径轻气炮发射管与大口径轻气炮发射管位于相同一侧的一端均与轻气炮高压气室连通；

小口径轻气炮发射管内填装有高速破片，大口径轻气炮发射管的内壁与小口径轻气炮发射管的外壁之间填装有环形的高速飞板，当大口径轻气炮发射管发射时、高速飞板能够跟随气流移动；当小口径轻气炮发射管发射时、高速破片能够跟随气流移动；

等效加载模拟器的活塞的轴心设有通孔，小口径轻气炮发射管的另一端通过该通孔与等效加载模拟器的内腔连通；

测速装置用于测量高速破片和高速飞板运动时的速度、并将测得的速度信号输送至信号处理装置；

等效加载模拟器内腔用于填充水，冲击波测量装置用于测量等效加载模拟器内不同位置水中冲击波的压力、并将测得的压力信号输送至信号处理装置。

本发明的有益效果是：本发明可实现爆炸冲击波、高速破片和气泡脉动载荷耦合加载的特点，能够在实验室条件下针对爆炸冲击波和高速破片的耦合加载作用于结构材料上的毁伤响应特性开展大规模的研究，危险程度低、可重复性高、实验所得的损伤和响应特征参数数据精确且全，适于实验室环境，容易普及采用。

并且，由于采用实体装置进行了实验，能够避免完全采用数值仿真技术无法确定研究结果有效性的问题。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一、二、三、四、八、九或十所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载实验系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或十所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载实验系统的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式八所述的高速飞板和弹托配合状态的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式九所述的活塞的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一

本发明的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载实验系统，如图1和图2所示，包括大口径轻气炮发射管1、小口径轻气炮发射管2、等效加载模拟器3、测速装置4、冲击波测量装置和信号处理装置6；

如图1所示，小口径轻气炮发射管2同轴套装在大口径轻气炮发射管1内；小口径轻气炮发射管2与大口径轻气炮发射管1位于相同一侧的一端均与轻气炮高压气室连通；

小口径轻气炮发射管2内填装有高速破片7，大口径轻气炮发射管1的内壁与小口径轻气炮发射管2的外壁之间填装有环形的高速飞板8，当大口径轻气炮发射管1发射时、高速飞板8能够跟随气流移动；当小口径轻气炮发射管2发射时、高速破片7能够跟随气流移动；

等效加载模拟器3的活塞9的轴心设有通孔，小口径轻气炮发射管2的另一端通过该通孔与等效加载模拟器3的内腔连通；

测速装置4用于测量高速破片7和高速飞板8运动时的速度、并将测得的速度信号输送至信号处理装置6；

等效加载模拟器3内腔用于填充水，冲击波测量装置用于测量等效加载模拟器3内不同位置水中冲击波的压力、并将测得的压力信号输送至信号处理装置6。

大口径轻气炮发射管1与轻气炮高压气室连接，并通过支座固定在支承台上，大口径轻气炮发射管1与等效加载模拟器3间隔一定距离呈一字型水平设置；

公开号为CN103344405B、公开日为2015年12月09日的中国发明专利《一种柱形非药式水下爆炸冲击波等效加载实验装置》中，提供了一种主加载水舱(等效加载模拟器3)，活塞安装在主加载水舱的头部端内，测试靶板固定安装在主加载水舱的尾部端内，且测试靶板的板面与主加载水舱沿长度方向的中心线垂直。

大口径轻气炮发射管1内放置具有内孔和弹托18的高速飞板8，高速飞板8在高压气体的作用下，沿小口径轻气炮发射管2的外圆高速飞行，经过测速装置4并撞击设于等效加载模拟器3一端的活塞9，在等效加载模拟器3的水中产生冲击波，作用在结构靶件10。

小口径轻气炮发射管2内置于大口径轻气炮发射管1内，小口径轻气炮发射管2一端属于轻气炮、另一端与具有止口19的活塞9连接并在距离另一端出口一定的位置具有小口径轻气炮发射管泄气口11，在高压气体的作用下，高速破片7沿小口径轻气炮发射管2高速飞行，经小口径轻气炮发射管泄气口11的测速装置4进行测速后，高速破片7从活塞9的内孔进入等效加载模拟器3的水中飞行，最后撞击结构靶件10。

小口径轻气炮发射管2可沿轴向移动，以便在大口径轻气炮发射管1内沿小口径轻气炮发射管2安装弹托18和高速飞板8，在小口径轻气炮发射管2中放置高速破片。

等效加载模拟器3的内部是圆柱形或者是具有不超过7度锥角的喇叭形，其一端内孔放置具有的活塞，喇叭口在活塞端是小口，另一端连接结构靶件。

为了防止等效加载模拟器3中水从活塞9漏出，可以事先在活塞9的轴心通孔处用薄的塑封膜密封。

具体实施方式二

本具体实施方式二与具体实施方式一的区别在于，如图1和图2所示，大口径轻气炮发射管1的另一端与等效加载模拟器3之间留有间隔；小口径轻气炮发射管2另一端靠近出口处设有小口径轻气炮发射管泄气口11，且该小口径轻气炮发射管泄气口11同时位于大口径轻气炮发射管1与等效加载模拟器3的间隔处；

测速装置4包括两路激光测速装置，该两路激光测速装置的激光光路能够穿过小口径轻气炮发射管泄气口11，且光路与小口径轻气炮发射管2的主轴相互垂直。

高速破片7经过小口径轻气炮发射管泄气口11时，采用两路激光测速装置测得该高速破片7的速度；高速飞板8经过大口径轻气炮发射管1与等效加载模拟器3的间隔时，采用两路激光测速装置测得该高速飞板8的速度。

具体实施方式三

本具体实施方式三与具体实施方式一或二的区别在于，如图1和图2所示冲击波测量装置包括多个压力传感器12，该多个压力传感器12设于等效加载模拟器3的侧壁上、且沿等效加载模拟器3轴线的方向间隔排布。

多个压力传感器12分别用于测量等效加载模拟器3不同位置水中冲击波的压力，并将压力参数输送至信号处理装置6，并通过信号处理装置6计算出水中冲击波压力的衰减特性、速度特性和作用在结构靶件10的冲击波压力。

具体实施方式四

本具体实施方式四与具体实施方式三的区别在于，如图1和图2所示，冲击波测量装置还包括示波器13，多个压力传感器12的压力信号输出端均与示波器13的压力信号输入端相连，示波器13用于显示多个压力传感器12的信号波形并将该信号波形输送至信号处理装置6。

具体实施方式五

本具体实施方式五与具体实施方式一、二或四的区别在于，如图2所示，还包括靶舱14；

等效加载模拟器3位于靶舱14内，且靶舱14内靠近结构靶件10的一侧设有破片回收舱15。

大口径轻气炮发射管1和小口径轻气炮发射管2的出口端均连入靶舱14中；在靶舱14的后端安装有高速破片回收舱；在靶舱14的外壁设有两个舱门21便于安装放置弹托18、高速飞板8、高速破片7以及结构靶件10，同时也方便对测速装置4和冲击波测量装置等装置进行调试。

具体实施方式六

本具体实施方式六与具体实施方式五的区别在于，如图2所示，靶舱14外设有多个高速相机16，该多个高速相机16均通过设于靶舱14侧壁的光学观察窗17采集靶舱14内影像、并将影像信号发送至信号处理装置6。

多个高速相机16位于靶舱14外不同位置，并且压力传感器的信号经示波器用于触发高速相机16，压力传感器12感应冲击波后通过示波器13触发高速相机16工作。

具体实施方式七

本具体实施方式七与具体实施方式六的区别在于，如图2所示，多个高速相机16中，一个高速相机16镜头的轴线与小口径轻气炮发射管2的轴线垂直；

剩余高速相机16中，两个高速相机16镜头的轴线与小口径轻气炮发射管2的轴线夹角均为锐角且相等，且该两个高速相机16镜头的轴线汇聚于结构靶件10上。

上述的其中两个高速相机16在靶舱14的外壁与靶舱14轴线成一定锐角θ，作为三维散斑DIC系统的一部分，用于拍摄记录结构靶件15在水下爆炸冲击波和高速破片7耦合作用下的响应过程以及分析确定水下爆炸冲击波和高速破片7耦合作用的时序。

具体实施方式八

本具体实施方式八与具体实施方式一的区别在于，如图1和图3所示，高速飞板8背向活塞9的一侧固定有弹托18，弹托18的轴心设有内孔、且该弹托18的内径小于等于高速飞板8的内径、弹托18的外径大于等于高速飞板8的外径；

弹托18的内侧壁和外侧壁均环周设有密封圈，弹托18的内侧壁通过密封圈与小口径轻气炮发射管2的外壁紧密贴合、弹托18的外侧壁通过密封圈与大口径轻气炮发射管1的内壁紧密贴合。

弹托18采用尼龙等轻质材料制成，密封圈能够保证气体的密封以便获得高的撞击速度，可以在弹托18的前端加工具有一定深度的止口用于嵌入放置高速飞板8。

具体实施方式九

本具体实施方式九与具体实施方式一的区别在于，如图1和图4所示，活塞9朝向小口径轻气炮发射管2的一侧设有止口19，该止口19与活塞9的内孔同轴、且止口19内径与小口径轻气炮发射管2的外径适配。

活塞与高速飞板8撞击的一端具有止口19，该止口19内径与小口径轻气炮发射管2的外径相同，深度为2～3毫米，用于对小口径轻气炮发射管2进行定位和提供有效支承。

具体实施方式十

本具体实施方式二与具体实施方式一、二、四、六、七、八或九的区别在于，如图1和图2所示，大口径轻气炮发射管1另一端出口处的侧壁设有大口径轻气炮发射管泄气口5。

大口径轻气炮发射管泄气口5能够防止高压气体对等效加载模拟活塞的冲击影响。

Claims (10)

1.非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，包括大口径轻气炮发射管(1)、小口径轻气炮发射管(2)、等效加载模拟器(3)、测速装置(4)、冲击波测量装置和信号处理装置(6)；

小口径轻气炮发射管(2)同轴套装在大口径轻气炮发射管(1)内；小口径轻气炮发射管(2)与大口径轻气炮发射管(1)位于相同一侧的一端均与轻气炮高压气室连通；

小口径轻气炮发射管(2)内填装有高速破片(7)，大口径轻气炮发射管(1)的内壁与小口径轻气炮发射管(2)的外壁之间填装有环形的高速飞板(8)，当大口径轻气炮发射管(1)发射时、高速飞板(8)能够跟随气流移动；当小口径轻气炮发射管(2)发射时、高速破片(7)能够跟随气流移动；

等效加载模拟器(3)的活塞(9)的轴心设有通孔，小口径轻气炮发射管(2)的另一端通过该通孔与等效加载模拟器(3)的内腔连通；

测速装置(4)用于测量高速破片(7)和高速飞板(8)运动时的速度、并将测得的速度信号输送至信号处理装置(6)；

等效加载模拟器(3)内腔用于填充水，冲击波测量装置用于测量等效加载模拟器(3)内不同位置水中冲击波的压力、并将测得的压力信号输送至信号处理装置(6)。

2.根据权利要求1所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，大口径轻气炮发射管(1)的另一端与等效加载模拟器(3)之间留有间隔；小口径轻气炮发射管(2)另一端靠近出口处设有小口径轻气炮发射管泄气口(11)，且该小口径轻气炮发射管泄气口(11)同时位于大口径轻气炮发射管(1)与等效加载模拟器(3)的间隔处；

测速装置(4)包括两路激光测速装置，该两路激光测速装置的激光光路能够穿过小口径轻气炮发射管泄气口(11)，且光路与小口径轻气炮发射管(2)的主轴相互垂直。

3.根据权利要求1或2所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，冲击波测量装置包括多个压力传感器(12)，该多个压力传感器(12)设于等效加载模拟器(3)的侧壁上、且沿等效加载模拟器(3)轴线的方向间隔排布。

4.根据权利要求3所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，冲击波测量装置还包括示波器(13)，多个压力传感器(12)的压力信号输出端均与示波器(13)的压力信号输入端相连，示波器(13)用于显示多个压力传感器(12)的信号波形并将该信号波形输送至信号处理装置(6)。

5.根据权利要求1、2或4所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，还包括靶舱(14)；

等效加载模拟器(3)位于靶舱(14)内，且靶舱(14)内靠近结构靶件(10)的一侧设有破片回收舱(15)。

6.根据权利要求5所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，靶舱(14)外设有多个高速相机(16)，该多个高速相机(16)均通过设于靶舱(14)侧壁的光学观察窗(17)采集靶舱(14)内影像、并将影像信号发送至信号处理装置(6)。

7.根据权利要求6所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，多个高速相机(16)中，一个高速相机(16)镜头的轴线与小口径轻气炮发射管(2)的轴线垂直；

剩余高速相机(16)中，两个高速相机(16)镜头的轴线与小口径轻气炮发射管(2)的轴线夹角均为锐角且相等，且该两个高速相机(16)镜头的轴线汇聚于结构靶件(10)上。

8.根据权利要求1所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，高速飞板(8)背向活塞(9)的一侧固定有弹托(18)，弹托(18)的轴心设有内孔、且该弹托(18)的内径小于等于高速飞板(8)的内径、弹托(18)的外径大于等于高速飞板(8)的外径；

弹托(18)的内侧壁和外侧壁均环周设有密封圈，弹托(18)的内侧壁通过密封圈与小口径轻气炮发射管(2)的外壁紧密贴合、弹托(18)的外侧壁通过密封圈与大口径轻气炮发射管(1)的内壁紧密贴合。

9.根据权利要求1所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，活塞(9)朝向小口径轻气炮发射管(2)的一侧设有止口(19)，该止口(19)与活塞(9)的内孔同轴、且止口(19)内径与小口径轻气炮发射管(2)的外径适配。

10.根据权利要求1、2、4、6、7、8或9所述的非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统，其特征在于，大口径轻气炮发射管(1)另一端出口处的侧壁设有大口径轻气炮发射管泄气口(5)。