CN110542504A - 一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试系统及方法，所述系统包括计算机、控制器、伺服液压加载系统、致裂针头及压力传感器，所述计算机与控制器电连接，用于向控制器发送指令，所述控制器用于控制伺服液压加载系统对管路施加压力，所述致裂针头固定在炸药件内，所述压力传感器连接在致裂针头上，并与控制器电连接。该方法操作简单，可无需换算直接获得炸药件内部残余应力，并且由于其需求空间较小，可进一步获得炸药件残余应力的空间分布情况。

Description

一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试系统及方法

技术领域

本发明涉及炸药结构力学性能技术领域，具体涉及一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试系统及方法。

背景技术

高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive，PBX)是广泛用于炮弹、核武器、导弹等战斗部的装填炸药，它由高能炸药、粘结剂等按一定比例混合，再经一定工艺压制加工形成一定构型的炸药结构件。由于压制、时效不完全等影响，在炸药结构件内会引起残余应力(一般约为1～2MPa)，由于炸药材料本身拉伸强度较低(<10MPa)，残余应力的影响会进一步降低炸药件的承载性能，因此残余应力的准确测试非常重要。目前在炸药领域残余应力的测试方法可分为无损和有损类，无损测试类，如X射线衍射、中子衍射、超声等，X射线衍射、中子衍射等的准确测量强烈依赖于晶体晶格参数，并且仅能测试炸药表层残余应力，而超声法仅能测试均匀的应力场，不适合局部残余应力的测试。有损测试类，如盲孔法，其可以测试炸药件内部残余应力，通过开孔后观测孔边变形回复情况并根据弹性常数换算得到残余应力，并非直接测得，存在一定误差。因此，目前缺少一种能直接测量炸药件内部残余应力的测试方法。

发明内容

本发明的目的是弥补X射线衍射等方法无法测试内部残余应力，盲孔法等无法直接准确测得残余应力的不足，提供一种基于液压致裂法的可用于炸药件内部残余应力测试的方法，该方法操作简单，可无需换算直接获得炸药件内部残余应力，并且由于其需求空间较小，可进一步获得炸药件残余应力的空间分布情况。

为了达到上述技术效果，本发明提供了如下技术方案：

一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试系统，所述系统包括计算机、控制器、伺服液压加载系统、致裂针头及压力传感器，所述计算机与控制器电连接，用于向控制器发送指令，所述控制器用于控制伺服液压加载系统对管路施加压力，所述致裂针头固定在炸药件内，所述压力传感器连接在致裂针头上，并与控制器电连接。

一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试方法，包括以下步骤：(1)在试样的待测位置钻孔，将致裂针头放入孔洞内并进行密封，计算机将加压指令发送给控制器，控制器将指令下发给伺服液压加载系统，液压油经液压管路传递到致裂针头和试样，此时压力传感器记录致裂针头处的压力变化并传递至控制器，控制器将压力反馈至计算机，当试样孔壁发生破裂时，记录此时的压力为P；(2)取一小块没有残余应力的炸药块，采用步骤(1)的方法进行致裂，获得无残余应力时破裂压力P0，则被测出残余应力σres根据下式求出：

σ_res＝P-P₀ (1)

进一步的技术方案为，试样尺寸大于1.5倍的孔洞直径。

本申请中，若σres<0,则被测处残余应力为压应力；若σres>0,则被测处残余应力为拉应力。

支撑原理如下：在试样上钻孔，试样存在均匀内力σres并由孔内部施加均匀压力P，其理论模型为：假设在无限大平面内有一半径R的圆孔，孔内受均匀内压P作用，孔附近存在均匀内力σr＝σθ＝σres(如图2)，圆孔附近的应力状态为：

式中：σr、σθ分别为孔壁径向应力和切向应力，MPa；P为孔内液体压力，MPa；σres为孔附近残余应力，MPa；r为到圆心O的距离，mm；R为小孔半径，mm。

可见，σr是压应力(负值)，σθ为拉应力(正值)。当r等于R时(即孔壁处)，σr达到最大压应力，σθ达到最大拉应力，即：

σ_r＝-P+σ_res,σ_θ＝P+σ_res (3)

由于炸药材料的拉伸强度远小于压缩强度，当内压不断增加直到σθ达到材料的拉伸强度时，孔壁将最先出现破裂，此时有：

σ_θ＝σ_t＝P_b+σ_res (4)

式中：σt为材料的拉伸强度，MPa；Pb为破裂压力，MPa。

若孔壁不存在残余应力(即σ_res＝0)，则测得的破裂压力即为材料拉伸强度：

σ_θ＝σ_t＝P₀ (5)

因此根据无残余应力试样测得的破裂压力P0和残余应力测试点破裂压力Pb，即可计算得到测试点残余应力：

σ_res＝P-P₀ (6)

测试试样尺寸需要满足“小孔口问题”的两个条件，即孔洞尺寸远小于试样尺寸且孔边距试样边界较远(即试样有效尺寸需要大于1.5倍孔口尺寸)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：第一，由于钻孔较小(最小直径1.2mm)，可有效测得炸药内部/表面局部区域残余应力；第二，该法通过测试压力直接获得残余应力，无需通过变形换算，测试结果可靠；第三，由于钻孔较小，可对炸药件多个位置、不同深度分别进行残余应力测试，获得炸药件残余应力的大致分布。该方法不仅可用于炸药件，也可用于其他脆性材料结构件。

附图说明

图1为炸药残余应力测试系统示意图；

图2为无限大平面受内压作用示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试系统，所述系统包括计算机、控制器、伺服液压加载系统、致裂针头及压力传感器，所述计算机与控制器电连接，用于向控制器发送指令，所述控制器用于控制伺服液压加载系统对管路施加压力，所述致裂针头固定在炸药件内，所述压力传感器连接在致裂针头上，并与控制器电连接。

实施例2

首先在试样残余应力被测位置钻孔，孔径稍大于致裂针头，深度至残余应力测试深度；将致裂针头放入孔洞并对被测位置进行局部密封。通过计算机将加压指令发送给控制器，控制器再将指令下发给执行单元(伺服液压加载系统)，液压油经液压管路传递到致裂针头和试样孔处，此时裂针头处的压力变化通过压力传感器采集至控制器以保证管路内压力的精确变化，同时控制器将压力反馈到计算机以便于人员对实验过程的监控。直至试样孔壁发生破裂，记录破裂压力Pb。同时在确保无残余应力部位(或取样一小块炸药以保证无残余应力)采用同样的方法致裂，获得无残余应力时破裂压力P0(P0即材料拉伸强度)。被测出残余应力σres根据式(1)求出

σ_res＝P-P₀ (1)。

支撑原理如下：在试样上钻孔，试样存在均匀内力σres并由孔内部施加均匀压力P，其理论模型为：假设在无限大平面内有一半径R的圆孔，孔内受均匀内压P作用，孔附近存在均匀内力σr＝σθ＝σres(如图2)，圆孔附近的应力状态为：

式中：σr、σθ分别为孔壁径向应力和切向应力，MPa；P为孔内液体压力，MPa；σres为孔附近残余应力，MPa；r为到圆心O的距离，mm；R为小孔半径，mm。

可见，σr是压应力(负值)，σθ为拉应力(正值)。当r等于R时(即孔壁处)，σr达到最大压应力，σθ达到最大拉应力，即：

σ_r＝-P+σ_res,σ_θ＝P+σ_res (3)

由于炸药材料的拉伸强度远小于压缩强度，当内压不断增加直到σθ达到材料的拉伸强度时，孔壁将最先出现破裂，此时有：

σ_θ＝σ_t＝P_b+σ_res (4)

式中：σt为材料的拉伸强度，MPa；Pb为破裂压力，MPa。

若孔壁不存在残余应力(即σ_res＝0)，则测得的破裂压力即为材料拉伸强度：

σ_θ＝σ_t＝P₀ (5)

因此根据无残余应力试样测得的破裂压力P0和残余应力测试点破裂压力Pb，即可计算得到测试点残余应力：

σ_res＝P-P₀ (6)

测试试样尺寸需要满足“小孔口问题”的两个条件，即孔洞尺寸远小于试样尺寸且孔边距试样边界较远(即试样有效尺寸需要大于1.5倍孔口尺寸)。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明专利的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进(如改变特征尺寸等)，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试系统，其特征在于，所述系统包括计算机、控制器、伺服液压加载系统、致裂针头及压力传感器，所述计算机与控制器电连接，用于向控制器发送指令，所述控制器用于控制伺服液压加载系统对管路施加压力，所述致裂针头固定在炸药件内，所述压力传感器连接在致裂针头上，并与控制器电连接。

2.一种基于液压致裂法的炸药件残余应力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在试样的待测位置钻孔，将致裂针头放入孔洞内并进行密封，计算机将加压指令发送给控制器，控制器将指令下发给伺服液压加载系统，液压油经液压管路传递到致裂针头和试样，此时压力传感器记录致裂针头处的压力变化并传递至控制器，控制器将压力反馈至计算机，当试样孔壁发生破裂时，记录此时的压力为P；(2)取一小块没有残余应力的炸药块，采用步骤(1)的方法进行致裂，获得无残余应力时破裂压力P₀，则被测出残余应力σ_res根据下式求出：σ_res＝P-P₀。

3.根据权利要求2所述的基于液压致裂法的炸药件残余应力测试方法，其特征在于，试样尺寸大于1.5倍的孔洞直径。