CN109975356A - 一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法，该方法使用由爆炸室1、冲击波压力传感器2、准静压传感器3、挂钩4、法兰5、预制方孔金属板6、密封圈7组成的内爆炸试验装置，先将炸药装药8悬挂于挂钩4使其位于爆炸室1的中心，再将预制方孔金属板6通过密封圈7夹持安装在法兰5上，形成相对封闭环境。炸药装药8爆炸后，冲击波压力传感器2和准静压传感器3的输出电压信号经由信号传输线9、应变信号调理仪10后传递到计算机11处理并储存、记录。本方法通过改变预制方孔金属板6上的预制方孔大小、炸药装药8种类和药量，实现不同大小组合的冲击波压力和准静压可控复合加载，可为冲击波‑准静压复合毁伤研究提供手段。

Description

一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法

本发明属于爆炸毁伤测试与评估技术领域，具体涉及一种加载方法，特别是一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法。

背景技术

对于舰船、建筑等具有腔室结构目标毁伤，内爆炸是最常见的毁伤手段，此类工况下的压力效应分为冲击波压力和准静压。其中，准静压是由于爆炸产生的高温高压气体产物向外扩张膨胀受到密闭空间约束形成的，上升相对缓慢并稳定到某一较低压力，峰值远小于冲击波压力峰值，但持续时间远大于冲击波压力。

目前，国内外研究人员对炸药内爆炸冲击波效应开展了大量的研究，但对内爆准静压效应及冲击波-准静压的复合效应研究较少。随着温压炸药等后燃烧效应显著的非理想内爆炸药的推广应用，该类炸药内爆后准静压效应显著，准静压威力受到了更广泛的关注。美国海军水面武器中心已将准静压作为弹药装药威力考核指标之一。弹药爆炸后，密闭空间结构首先受到高频冲击波的作用，产生裂缝、抛掷、撕裂等预毁伤，紧接着低频的准静压继续作用于目标，造成结构解体、飞散等更严重的毁伤，目标的最终毁伤效果与冲击波压力及准静压的作用强度密切相关，特别是在冲击波作用后目标的易损性能显著降低，后续的准静压甚至可能是目标毁伤效果的决定因素。合理适配弹药冲击波和准静压的协同作用是提高内爆威力的重要途径之一。

基于上述原因，开展不同大小组合的冲击波-准静压内爆炸加载试验，研究内爆炸冲击波-准静压的复合作用是当前内爆炸毁伤效应领域的新热点。

内爆弹药侵彻进入舰船、建筑等腔室结构内后形成侵彻洞，加之建筑等腔室本身具有的门窗结构，内爆炸所在腔室结构并非完全密闭。密闭条件不一致，同一枚炸弹所形成的冲击波-准静压也是不同的，因此设计一种冲击波-准静压大小组合可调的爆炸加载方法是开展试验的关键所在。目前的内爆炸试验只能通过一定质量的炸药装药内爆炸来实现固定的冲击波压力和准静压组合，在炸药装药不变的条件下，无法实现冲击波压力和准静压的大小组合可调，即便更换炸药种类和质量，由于其威力是特定的，内爆炸输出的冲击波压力和准静压大小组合也是固定的，严重制约了冲击波-准静压复合加载研究的深入开展，急需一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法。该方法使用由爆炸室、冲击波压力传感器、准静压传感器、挂钩、法兰、预制方孔金属板、密封圈组成的内爆炸试验装置，先将炸药装药悬挂于挂钩使其位于爆炸室的中心，再将预制方孔金属板通过密封圈夹持安装在法兰上，形成相对封闭环境。炸药装药爆炸后，冲击波压力传感器和准静压传感器的输出电压信号经由信号传输线、应变信号调理仪后传递到计算机处理并储存，记录。通过改变预制方孔金属板上的预制方孔大小、炸药装药种类和质量，实现不同大小组合的冲击波压力和准静压可控复合加载，可为冲击波-准静压复合毁伤研究提供手段。

一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：预估炸药装药质量

根据冲击超压计算公式(a)和密闭条件下准静压计算公式(b)预估炸药装药的质量；

其中，p为内爆炸冲击波压力，MPa；p_qs为准静压，MPa；Q为基于爆热换算得到的等效TNT药量，kg；r为压力测点与炸药装药质心距离，m；p₀为大气压力，取0.101MPa。

步骤二：安装炸药装药

将满足试验装置抗爆量的炸药装药悬挂于挂钩，使其位于内爆炸试验装置内部几何中心；

步骤三：密封爆炸室

将预制方孔金属板和密封圈安装于法兰上，实现爆炸室的相对密闭；

步骤四：连接测试线路

将冲击波压力传感器、准静压传感器与测试线相连，测试线引出至安全位置，顺次与应变信号调理仪、计算机连接，打开测试专用软件；

步骤五：起爆并采集数据

确认测试系统处于工作状态正常后，起爆炸药装药，计算机采集数据；

步骤六：读取冲击波压力和准静压

读取计算机记录的测试曲线，根据冲击波压力传感器、准静压传感器灵敏度，按公式(c)和(d)分别计算复合加载中的冲击波压力p和准静压p_qs

其中，k S₁为冲击波压力传感器灵敏度，V/MPa；；S₂为准静压传感器灵敏度，V/MPa；U₁为计算机记录的冲击波压力曲线电压峰值，V；U₂为计算机记录的准静压曲线电压峰值，V。

步骤七：改变预制方孔大小调整准静压

根据试验需要，如只需调整准静压，改变预制方孔金属板中心的预制方孔大小，重复步骤一到步骤六完成试验，实现冲击波压力不变、准静压减小的可控组合加载；

步骤八：改变炸药装药调整冲击波压力

根据试验需要，若需调整冲击波压力和准静压，在满足爆炸室抗爆条件下改变炸药装药的质量或种类，并改变预制方孔金属板中心的预制方孔大小，重复步骤一到步骤六完成试验，实现冲击波压力和准静压同步调整的可控组合加载。

本发明的一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法，带来的技术效果体现在以下几个方面：

(1)本发明提供了一种不同冲击波压力和准静压的可控复合加载方法，解决了内爆炸冲击波压力和准静压可控复合加载难题，可用于开展不同强度冲击波压力和准静压复合加载下的典型目标毁伤特性研究，为内爆炸冲击波-准静压复合毁伤研究提供了支撑；

(2)本发明实现了不同开口条件下的内爆炸冲击波压力和准静压的测试，可模拟不同开口大小的腔室结构内爆炸试验工况、研究内爆炸冲击波压力和准静压载荷的分布规律，具有可模拟工况多、可重复使用、试验时间和经济成本低的特点。

附图说明

图1是本发明的炸药装药与测试装置及各设备之间的位置关系示意图；

图2是本发明的一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法的流程图；

图3是本发明中预制方孔金属板示意图；

图4是50gTNT炸药在方形预制孔开口分别为20mm和100mm时相同位置处的冲击波压力曲线；

图5是50gTNT炸药在方形预制孔开口分别为20mm和100mm时相同位置处的准静压曲线。

图中标号分别代表：1、爆炸室，2、冲击波压力传感器，3、准静压传感器，4、挂钩，5、法兰，6、预制方孔金属板，7、密封圈，8、炸药装药，9、测试线，10、信号调理仪，11、计算机。

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。如图1所示，本实施例给出的一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法，其特征在于，一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法，其特征在于，该方法将炸药装药8通过挂钩4悬挂于由爆炸室1、冲击波压力传感器2、准静压传感器3、法兰5、预制方孔金属板6、密封圈7组成的内爆炸试验装置中心，冲击波压力传感器2、准静压传感器3通过测试线9先后与应变信号调理仪10、计算机11串连。

具体按下列步骤进行：

步骤一：预估炸药装药8质量

根据冲击超压计算公式(a)和密闭条件下准静压计算公式(b)预估炸药装药8的质量；

其中，p为内爆炸冲击波压力，MPa；p_qs为准静压，MPa；Q为基于爆热换算得到的等效TNT药量，kg；r为压力测点与炸药装药8质心距离，m；p₀为大气压力，取0.101MPa，V为爆炸室1容积，m3。

步骤二：安装炸药装药8

将满足爆炸室1抗爆量的炸药装药8悬挂于挂钩4，使其位于爆炸室1内部几何中心；

步骤三：密封爆炸室1

将预制方孔金属板6和密封圈7安装于法兰5上，实现爆炸室1的相对密闭；

步骤四：连接测试线路

将冲击波压力传感器2、准静压传感器3与测试线9相连，测试线9引出至安全位置，顺次与信号调理仪10、计算机11连接，打开测试专用软件；

步骤五：起爆并采集数据

确认测试系统处于工作状态正常后，起爆炸药装药8，计算机11采集数据；

步骤六：读取冲击波压力和准静压

读取计算机11记录的测试曲线，根据冲击波压力传感器2、准静压传感器3灵敏度，按公式(c)和(d)分别计算复合加载中的冲击波压力p和准静压p_qs

其中，S₁为冲击波压力传感器2灵敏度，V/MPa；；S₂为准静压传感器3灵敏度，V/MPa；U₁为计算机11记录的冲击波压力曲线电压峰值，V；U₂为计算机11记录的准静压曲线电压峰值，V。

步骤七：改变预制方孔大小调整准静压

根据试验需要，如只需调整准静压，改变预制方孔金属板6中心的预制方孔大小，实现冲击波压力不变、准静压减小的可控组合加载；

步骤八：改变炸药装药调整冲击波压力

根据试验需要，若需调整冲击波压力，在满足爆炸室1抗爆条件下改变炸药装药8的质量或种类，实现冲击波压力和准静压同步调整的可控组合加载。

以下是发明人给出的具体实施例。

本实施例是预制方孔金属板6的预制方孔边长分别为20mm和100mm、炸药装药8为50gTNT条件下的冲击波压力和准静压复合加载。所用的爆炸室1为方形金属箱体，箱体外部尺寸1400mm×850mm×850mm，壁厚10mm，抗爆当量为100gTNT当量，冲击波压力传感器2位于爆炸室1的850mm×850mm面中心上，预制方孔金属板6为方形Q235钢薄板，边长800mm，厚度1.5mm。其试验方法包括以下步骤：

(1)选择不大于抗爆当量的TNT炸药装药50g；存放于样品暂存区；

(2)将50g的TNT炸药装药8悬挂于挂钩4，使其位于爆炸室1内部几何中心；

(3)将预制方孔边长为20mm的预制方孔金属板6和密封圈7安装于法兰5上，实现爆炸室1的相对密闭；

(4)将冲击波压力传感器2、准静压传感器3与测试线9相连，测试线9引出至安全位置，顺次与信号调理仪10、计算机11连接，打开测试专用软件；

(5)确认测试系统处于工作状态正常后，起爆炸药装药8，计算机11采集数据；

(6)读取计算机11记录的测试曲线，根据冲击波压力传感器2、准静压传感器3灵敏度，计算复合加载中的冲击波压力p和准静压p_qs，冲击波压力测试曲线见图4中的20mm曲线，准静压测试曲线见图5中的20mm曲线；

(7)将预制方孔边长为20mm的预制方孔金属板6更换为预制方孔边长100mm的预制方孔金属板6，重复步骤(1)～(6)，该条件下的冲击波压力测试曲线见图4中的100mm曲线，准静压测试曲线见图5中的100mm曲线；。

从图4可以读出，方形预制孔边长为20mm和100mm对应的超压分别为7.83MPa和7.75MPa，二者相差1.0％，可认为超压相等。图5读出方形预制孔边长为20mm和100mm对应的准静压分别为0.308MPa和0.243MPa，二者相差21.1％，实现了不改变冲击波压力条件下，与不同的准静压组合加载，验证了本方法的可行性和准确性。

Claims (1)

1.一种内爆炸冲击波压力与准静压可控复合加载试验方法，其特征在于，该方法将炸药装药(8)通过挂钩(4)悬挂于由爆炸室(1)、冲击波压力传感器(2)、准静压传感器(3)、法兰(5)、预制方孔金属板(6)、密封圈(7)组成的内爆炸试验装置中心，冲击波压力传感器(2)、准静压传感器(3)通过测试线(9)先后与应变信号调理仪(10)、计算机(11)串连；

具体按下列步骤进行：

步骤一：预估炸药装药(8)质量

根据冲击超压计算公式(a)和密闭条件下准静压计算公式(b)预估炸药装药(8)的质量；

其中，p为内爆炸冲击波压力，MPa；p_qs为准静压，MPa；Q为基于爆热换算得到的等效TNT药量，kg；r为冲击波压力测点与炸药装药(8)质心距离，m；p₀为大气压力，取0.101MPa，V为爆炸室(1)容积，m³。

步骤二：安装炸药装药(8)

将满足爆炸室(1)抗爆量的炸药装药(8)悬挂于挂钩(4)，使其位于爆炸室(1)内部几何中心；

步骤三：密封爆炸室(1)

将预制方孔金属板(6)和密封圈(7)安装于法兰(5)上，实现爆炸室(1)的相对密闭；

步骤四：连接测试线路

将冲击波压力传感器(2)、准静压传感器(3)与测试线(9)相连，测试线(9)引出至安全位置，顺次与信号调理仪(10)、计算机(11)连接，打开测试专用软件；

步骤五：起爆并采集数据

确认测试系统处于工作状态正常后，起爆炸药装药(8)，计算机(11)采集数据；

步骤六：读取冲击波压力和准静压

读取计算机(11)记录的测试曲线，根据冲击波压力传感器(2)、准静压传感器(3)灵敏度，按公式(c)和(d)分别计算复合加载中的冲击波压力p和准静压p_qs

其中，S₁为冲击波压力传感器(2)(2)灵敏度，V/MPa；；S₂为准静压传感器(3)灵敏度，V/MPa；U₁为计算机(11)记录的冲击波压力曲线电压峰值，V；U₂为计算机(11)记录的准静压曲线电压峰值，V。

步骤七：改变预制方孔大小调整准静压

根据复合加载需要，如只需调整准静压，改变预制方孔金属板(6)中心的预制方孔大小，按步骤一到步骤六的顺序重复试验；

步骤八：改变炸药装药(8)调整冲击波压力

根据复合加载需要，若需同步调整冲击波压力和准静压，在满足爆炸室(1)抗爆条件下改变炸药装药(8)的质量或种类，并改变预制方孔金属板(6)中心的预制方孔大小，按步骤一到步骤六的顺序重复试验。