CN110553780B - 一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断方法 - Google Patents

一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断装置方法。该诊断装置在对传统DDT管实验进行改进的基础上建立的一套具有可控约束的柱壳三维爆炸装置，采用螺栓约束和kg级大质量块惯性约束，用黑火药点火。该诊断方法应用高速摄影与约束约束壳体速度联合诊断，高速摄影对全过程的时空演化图像进行观测，激光干涉测速系统测得的约束壳体速度进行反应烈度的精确表征。本发明的有益效果为实现了对约束的定量控制，对事故反应三维时空演化图像的精密观测，对反应烈度的精确量化，具有诊断装置简单，测试方便，可靠性高，状态稳定可控的特点，可用于各种炸药和武器弹药的事故反应烈度表征的量化诊断试验，并能实现对不同炸药转烈特性的对比。

Description

一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断方法
技术领域
本发明属于诊断实验技术领域，具体涉及一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断方法。
背景技术
装药系统在全寿命周期内，即贮存、运输等过程中，在遭受撞击、火烧事故条件下，存在意外反应的风险，当剧烈爆炸时，有可能造成装备损毁和人员大量伤亡的严重事故。区别于传统冲击起爆，意外刺激下的非冲击点火反应发展通常是非线性的复杂过程，已有认识认为反应起源于温升热分解，反应演化与传导和对流燃烧密切相关，且燃烧转爆轰（DDT）是结构耦合下对流燃烧发展的结果。
对于炸药的反应发展已有广泛的研究，已有传统DDT实验技术在一维假定下采用电探针技术对燃烧波阵面进行诊断分析，通常利用事后回收壳体碎片对烈度进行表征，分析来解释许多实验观测得到的现象。建模采用的工具和理论来自于简单的条件或不同的环境。共同的特征是具有厚壁套管，在点燃端有结实的塞子，沿套管布置了多个传感器，在炸药中埋有传感器（不常用）。典型的传感器有电探针（导电）、帽式探针（特定压力导通）和连续的压力传感器。
DDT实验技术存在较多局限性，目前的DDT实验技术是对一维理想情况反应的研究，缺乏三维时空演化图像，对约束没有定量控制，对事故反应演化过程特征的认识也存在不足，对于剧烈反应的特征量化的相关研究也很少。已有的定性/半定量方法难以准确描述烈度演化过程，例如通过碎块尺寸、现场观察复杂结构产生碎块尺寸不一的方法只能反映破坏后效，超压表征也无法区分与爆轰的差别，压力表征爆炸的途径中压力测量通常不完整，亟需探索一种更有效的实验控制装置和控制方法对其进行量化表征。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断方法。
本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，其特点是，所述的诊断装置包括引线压块、紧固螺栓、惯性质量块、黑火药粉末、药柱和约束壳体；所述的约束壳体为顶部开口底部封闭的中空圆柱体；所述的惯性质量块为中空的伞形旋成体，惯性质量块的竖直部分为圆柱体，惯性质量块的水平部分为圆盘；约束壳体的中心空腔底部放置有药柱，惯性质量块的圆柱体插入约束壳体的中心空腔并压紧药柱，惯性质量块的圆盘通过紧固螺栓固定在约束壳体的顶部开口处；惯性质量块的中心通孔底部放置有黑火药粉末，黑火药粉末与药柱接触，惯性质量块的中心通孔上部安装有引线，引线的末端接触黑火药粉末；惯性质量块的圆盘上放置有引线压块，引线压块压住引线，引线的顶端穿出惯性质量块并从惯性质量块和引线压块的侧面缝隙中伸出，引线的顶端与外部控制系统的点火开关连接；引线压块的上表面为水平面。
所述的惯性质量块的水平面的表面粗糙度Ra大于6.3μm，惯性质量块的竖直端与约束壳体空腔相配合，确保紧密贴合无缝隙。
所述的惯性质量块的材料为钢。
所述的药柱与约束壳体空腔相配合，确保紧密贴合无缝隙。
所述的约束壳体的底部具有伸出的台阶，台阶用于搬运约束壳体。
所述的约束壳体的材料为钢，约束壳体的厚度根据需要可预先设置成系列数值。
本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置的诊断方法包括以下步骤：
a．将所述诊断装置放置在试验区域内；
b．在诊断装置的上面、下面和侧面分别放置命名为PDV-1、PDV-2和PDV-3的激光干涉速度仪，激光干涉速度仪发出的光束与测量面垂直；
c．在距离诊断装置的侧面5m处放置高速摄影相机；
d．在诊断装置的外围布置压力传感器；
e．打开外部控制系统的点火开关，通过引线点燃黑火药粉末，药柱发生反应，同时高速摄影相机记录药柱的反应过程，PDV-1、PDV-2和PDV-3记录约束壳体的运动速度；
f．通过压力传感器测得的反应超压换算相对释能，通过PDV-1、PDV-2和PDV-3测得约束壳体的加速度峰值，从而计算压力，最终量化反应烈度。
本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断方法针对结构和惯性约束的影响，对传统DDT管实验进行改进，建立了一套具有可控约束的柱壳三维爆炸装置，采用螺栓约束和kg级大质量块惯性约束，用黑火药点火，利用高速摄影对全过程的时空演化图像进行观测，采用激光干涉测速系统测得的约束壳体速度进行反应烈度的精确表征。
本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断方法建立了高速摄影与约束壳体速度联合诊断的可控约束诊断装置和诊断方法，实现了对约束的定量控制，对事故反应三维时空演化图像的精密观测，对反应烈度的精确量化。本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置和诊断方法具有装置简单，测试方便，可靠性高，状态稳定可控的特点，可用于各种炸药和武器弹药的事故反应烈度表征的量化诊断试验，并能实现对不同炸药转烈特性的对比。
附图说明
图1为本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置示意图；
图2为本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断方法测得的约束壳体表面速度曲线图像；
图中，1.引线压块 2.紧固螺栓 3.惯性质量块 4.黑火药粉末 5.药柱 6.约束壳体 PDV-1、PDV-2和PDV-3为激光干涉速度仪
Figure 239544DEST_PATH_IMAGE002
为PDV-1
Figure 788337DEST_PATH_IMAGE004
为PDV-2
Figure 141958DEST_PATH_IMAGE006
为PDV-3。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置包括引线压块1、紧固螺栓2、惯性质量块3、黑火药粉末4、药柱5和约束壳体6；所述的约束壳体6为顶部开口底部封闭的中空圆柱体；所述的惯性质量块3为中空的伞形旋成体，惯性质量块3的竖直部分为圆柱体，惯性质量块3的水平部分为圆盘；约束壳体6的中心空腔底部放置有药柱5，惯性质量块3的圆柱体插入约束壳体6的中心空腔并压紧药柱5，惯性质量块3的圆盘通过紧固螺栓2固定在约束壳体6的顶部开口处；惯性质量块3的中心通孔底部放置有黑火药粉末4，黑火药粉末4与药柱5接触，惯性质量块3的中心通孔上部安装有引线，引线的末端接触黑火药粉末4；惯性质量块3的圆盘上放置有引线压块1，引线压块1压住引线，引线的顶端穿出惯性质量块3并从惯性质量块3和引线压块1的侧面缝隙中伸出，引线的顶端与外部控制系统的点火开关连接；引线压块1的上表面为水平面。
所述的惯性质量块3的水平面的表面粗糙度Ra需大于6.3μm，惯性质量块3的竖直端与约束壳体6的空腔相配合，确保紧密贴合无缝隙。
所述的惯性质量块3的材料为钢。
所述的药柱5与约束壳体6空腔相配合，确保紧密贴合无缝隙。
所述的约束壳体6的底部具有伸出的台阶，台阶用于搬运约束壳体6。
所述的约束壳体6的材料为钢，约束壳体6的厚度根据需要可预先设置成系列数值。
本发明的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置的诊断方法包括以下步骤：
a．将所述诊断装置放置在试验区域内；
b．在诊断装置的上面、下面和侧面分别放置命名为PDV-1、PDV-2和PDV-3的激光干涉速度仪，激光干涉速度仪发出的光束与测量面垂直；
c．在距离诊断装置的侧面5m处放置高速摄影相机；
d．在诊断装置的外围布置压力传感器；
e．打开外部控制系统的点火开关，通过引线点燃黑火药粉末4，药柱5发生反应，同时高速摄影相机记录药柱5的反应过程，PDV-1、PDV-2和PDV-3记录约束壳体6的运动速度；
f．通过压力传感器测得的反应超压换算相对释能，通过PDV-1、PDV-2和PDV-3测得约束壳体6的加速度峰值，从而计算压力，最终量化反应烈度。
实施例1
本实施例采用间接点火的方式，黑火药粉末4为1克，药柱5为Φ50X50mmHMX基PBX炸药，约束壳体6为50mm厚的钢，药柱5的外径与约束壳体6的内径相配合，确保紧密贴合无缝隙。在药柱5上端布置少量黑火药粉末4。先将药柱5放入约束壳体6中。再放上惯性质量块3，然后将黑火药粉末4填入，再将引线压块1、紧固螺栓2、惯性质量块3和约束壳体6依次串接，紧固螺栓2拧紧。实验过程中通过外部点火器点燃黑火药粉末4。药柱5与约束壳体6确保紧密贴合无缝隙。惯性质量块3下端与药柱5上表面也要确保光滑贴合，并压紧。惯性质量块3紧密嵌入约束壳体6，确保药柱5四周无空隙，反应产生的气体不会提前泄露。诊断装置上面、侧面和下面各布置一个激光干涉速度仪，即PDV-1、PDV-2和PDV-3，并在诊断装置外围布置压力传感器，远处布置高速摄影相机观测整体。
本实施例的具体试验过程如下，先打开点火开关，引线点燃黑火药粉末4上端，黑火药粉末4向下燃烧引燃药柱5，诊断装置内部药柱5发生燃烧反应产生气体，激光干涉仪采集到约束壳体6位移，压力传感器采集到压力信号，高速摄影得到反应过程图像。约束壳体6加速膨胀达到最高速度后约束壳体6破裂，激光干涉速度仪和压力传感器信号中断，试验结束。
本实施例的具体试验结果如下，图2给出了布置在诊断周围装置的三个激光干涉速度仪PDV-1、PDV-2和PDV-3测量得到的约束壳体6速度随时间变化的曲线，横轴为时间，单位为ms，纵轴为约束壳体6速度，单位为m/s。从药柱5点火到反应爆发的整个过程时间为ms级。实验中测得超压峰值大于1.2GPa，换算相对释能约35％，测得约束壳体6加速度峰值为90m/s，估算压力约为2GPa，量化反应烈度为爆炸。通过观测诊断装置的高速摄影图像，观测到了高烈度反应，反应驱动约束壳体6大块破裂。约束壳体6膨胀破裂后，快速的降压导致反应熄灭，此时超压小于100MPa。

Claims (6)

1.一种单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，其特征在于，所述的诊断装置包括引线压块（1）、紧固螺栓（2）、惯性质量块（3）、黑火药粉末（4）、药柱（5）和约束壳体（6）；所述的约束壳体（6）为顶部开口底部封闭的中空圆柱体；所述的惯性质量块（3）为中空的伞形旋成体，惯性质量块（3）的竖直部分为圆柱体，惯性质量块（3）的水平部分为圆盘；约束壳体（6）的中心空腔底部放置有药柱（5），惯性质量块（3）的圆柱体插入约束壳体（6）的中心空腔并压紧药柱（5），惯性质量块（3）的圆盘通过紧固螺栓（2）固定在约束壳体（6）的顶部开口处；惯性质量块（3）的中心通孔底部放置有黑火药粉末（4），黑火药粉末（4）与药柱（5）接触，惯性质量块（3）的中心通孔上部安装有引线，引线的末端接触黑火药粉末（4）；惯性质量块（3）的圆盘上放置有引线压块（1），引线压块（1）压住引线，引线的顶端穿出惯性质量块（3）并从惯性质量块（3）和引线压块（1）的侧面缝隙中伸出，引线的顶端与外部控制系统的点火开关连接；引线压块（1）的上表面为水平面；
所述单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置的诊断方法包括以下步骤：
a．将所述诊断装置放置在试验区域内；
b．在诊断装置的上面、下面和侧面分别放置命名为PDV-1、PDV-2和PDV-3的激光干涉速度仪，激光干涉速度仪发出的光束与测量面垂直；
c．在距离诊断装置的侧面5m处放置高速摄影相机；
d．在诊断装置的外围布置压力传感器；
e．打开外部控制系统的点火开关，通过引线点燃黑火药粉末（4），药柱（5）发生反应，同时高速摄影相机记录药柱（5）的反应过程，PDV-1、PDV-2和PDV-3记录约束壳体（6）的运动速度；
f．通过压力传感器测得的反应超压换算相对释能，通过PDV-1、PDV-2和PDV-3测得约束壳体（6）的加速度峰值，从而计算压力，最终量化反应烈度。
2.根据权利要求1所述的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，其特征在于，所述的惯性质量块（3）的水平面的表面粗糙度为Ra大于6.3μm，惯性质量块（3）的竖直端外径与约束壳体（6）空腔相配合，确保紧密贴合无缝隙。
3.根据权利要求1所述的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，其特征在于，所述的惯性质量块（3）的材料为钢。
4.根据权利要求1所述的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，其特征在于，所述的药柱（5）与约束壳体（6）空腔相配合，确保紧密贴合无缝隙。
5.根据权利要求1所述的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，其特征在于，所述的约束壳体（6）的底部具有伸出的台阶，台阶用于搬运约束壳体（6）。
6.根据权利要求1所述的单向柱壳约束反应烈度量化诊断装置，其特征在于，所述的约束壳体（6）的材料为钢，约束壳体（6）的厚度根据需要可预先设置成系列数值。
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