CN110579303A - 基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法，目的是解决目前测量技术中线缆连接复杂、需要供电、不适合极端环境等问题。测量装置由外壳、梯度缓冲组件和定位环组成，外梯度缓冲组件填充在外壳内部，定位环固定在外壳的开口端。梯度缓冲组件在外壳内沿轴线方向自由运动。梯度缓冲组件由前端滑块、低密度泡沫层、第一隔板、中密度泡沫层、第二隔板、高密度泡沫层和止位板依次同轴无缝紧密粘接而成。测量方法是根据爆炸时前端滑块压缩梯度缓存组件产生的塑性变形量、低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的能量、冲量灵敏度系数分别计算得到爆炸冲击波能量和冲量。本发明可实现在恶劣环境下的爆炸场冲击波参数测量。

Description

基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法

技术领域

本发明属于一种测量装置，特别涉及一种爆炸产生的冲击波能量和冲量一体化测量装置，更具体地，是涉及一种利用梯度泡沫材料压溃特性测量爆炸冲击波能量和冲量的无源传感器装置。

背景技术

传感器在科学技术领域扮演着非常重要的角色，已广泛应用于自然科学和工程技术各个方面。传感器按测试信号的类型可以分为温度传感器、压力传感器、加速度传感器等，按照工作原理可以分为电学传感器、光电式传感器、半导体传感器等，按照是否使用线缆可以分为有线传感器和无线传感器，按照供电的方式可以分为有源传感器和无源传感器。

有线的传感器受到线缆相互连接的限制，信号远距离传送比较困难。若采用较多传感器，测试系统将会非常复杂，出现故障时检查非常困难。同时线缆很难承受高温，有线传感器不适合在在高温环境下工作。这些问题都限制了有线传感器在科学研究和工程技术中的应用，但是无线传感器能够非常好地避免这些问题。

有源传感器的传输距离很远，并且其测试的精度、准度以及灵敏性都比较高。但是有源传感器需要供电才能工作，因此在一些高温、高压、高速等特殊环境下很难更换或提供电源。在这方面无源传感器也能很好地避免，不仅不需要提供额外的供电，而且可以克服恶劣环境完成测试工作。

综上所述，无线无源的传感器，对于传感器技术乃至整个科学研究和工程技术领域至关重要。

爆炸物在空气中爆炸后，在极短时间内产生高温、高压的爆轰产物，爆轰产物以极高速度向周围空气膨胀，由于直接受到爆轰产物的作用，周围的空气介质被瞬时强烈压缩，周围空气介质的密度和压力骤然升高，从而形成爆炸冲击波。冲击波是爆炸对人员、设备等造成损伤和破坏的主要元素，冲击波能量和冲量的测量是评估爆炸物毁伤效应的最重要方法之一。

爆炸过程在一个高压、高温、高速的极端环境内进行，同时具有很大的破坏力。因此在冲击波的能量、冲量等参数测量时，有线传感器和有源传感器都存在一定的局限性。然而无线、无源传感器在爆炸冲击波能量和冲量测量方面具有很大优势。国内外在传感器设计、校准以及数据处理等方面进行了大量的研究工作，但是也存在一些问题，例如爆炸冲击波与测量装置之间的耦合机理不明，在实际测量过程中受到外界环境影响较大，同一次试验往往出现不符合冲击波传播规律的情况。因此，需要进一步开展爆炸冲击波测量装置和测量方法的研究。

泡沫材料受到爆炸冲击时发生逐层变形和压溃现象，同时吸收空气冲击波能量，在冲击波测量方面极具发展潜力。近几年，梯度泡沫材料由于可设计性强引起了学者们的广泛研究。梯度泡沫材料是指组成泡沫材料的密度沿厚度方向由一端向另一端逐渐增加(或降低)，从而使泡沫材料力学特性也逐渐增加(或降低)。梯度泡沫材料可设计性强，可以根据具体需求进行设计，可以应用在不同领域以满足特定需求。根据爆炸载荷下梯度泡沫材料变形情况，可以精确计算出距离爆源一定距离处的冲量和能量。同时，梯度泡沫材料性能稳定可靠，成本低，部件加工、装配简单，在爆炸冲击波能量和冲量测量方面具有很大优势，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前有线或有源测量技术中线缆连接复杂、需要供电、不适合极端环境等问题，提供一种基于梯度泡沫的无线、无源的爆炸冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法。该测量装置及方法可以用于爆炸靶场等恶劣实验环境的爆炸冲击波能量和冲量的测量，为爆炸冲击波参数测量和校对提供一种新的选择。本发明具有部件加工装配简单、成本低、抗干扰能力强、数据结果处理方便等特点。

本发明提供一种爆炸冲击波能量和冲量无线无源一体化测量装置及方法，利用梯度泡沫材料受压逐层塑性变形机理，通过将压溃变形位移计算出所处位置的能量和冲量，从而实现在恶劣实验环境下的爆炸场冲击波参数测量。

本发明整体呈圆柱状，由外壳、梯度缓冲组件和定位环组成。外壳、梯度缓冲组件和定位环同轴(中心轴OO’)装配，梯度缓冲组件填充在外壳内部，定位环通过活动螺栓固定在外壳的开口一端，以防止梯度缓冲组件从外壳开口处滑出。

外壳为带底圆筒，外直径为D₀，满足0.01m<D₀<0.3m，内直径为D₁，满足0.6D₀<D₁<0.9D₀，长度为L₀，满足0.01m<L₀<0.5m，底部厚度为L₁，满足0.05L₀<L₁<0.2L₀，侧壁厚度δ＝(D₀-D₁)/2。外壳材料为金属或者有机玻璃等，屈服强度σ₁满足σ₁>100MPa，密度ρ₁满足1g/cm³<ρ₁<9g/cm³。外壳用于承载和规范梯度缓冲组件在外壳内部自由滑动，外壳和梯度缓冲组件之间的摩擦系数μ<0.05。外壳的侧壁挖有观察窗，沿着外壳外侧壁轴向刻制有刻度尺，外壳开口的端面上有定位螺纹孔，外壳的底面中心挖有固定螺纹孔、辅助装卸孔。

外壳侧壁沿轴向开有观察窗，观察窗为一个长条形通槽，长度为q，满足0.6L<q<0.8L，宽度为p，满足0.01D₀<p<0.1D₀，深度和外壳的壁厚相同，等于δ。通过观察窗可观察梯度缓冲组件安装、变形以及移动情况。外壳外侧壁沿轴向刻制有刻度尺，刻度尺长度等于q，刻度尺分度值小于等于1mm，用于直接读梯度缓冲组件的变形量和位移，通过梯度缓冲组件变形量可以计算出对应的爆炸冲击波能量和冲量。刻度尺一般刻在观察窗的长边上，便于测量和观察。

外壳开口端的端面沿环向均匀分布有n个定位螺纹孔，n为正偶数，一般为4。定位螺纹孔孔径为Φ，满足0.2δ<Φ<0.8δ，深度为ξ，满足0.03L₀<ξ<0.1L₀。

外壳底部中心挖有一个固定螺纹孔，固定螺纹孔外端面与外壳底部外端面平齐，固定螺纹孔孔径为D₂，满足0.2D₀<D₂<0.8D₀，深度为L₂，满足0.3L₁<L₂<0.8L₁。固定螺纹孔的主要作用是将本发明固定安装在支架上。

外壳底部中心还有一个辅助装卸孔，辅助装卸孔为圆形孔，与固定螺纹孔同轴。辅助装卸孔的内端面与外壳底部内端面平齐，辅助装卸孔的外端面与固定螺纹孔的内端面平齐，即辅助装卸孔与固定螺纹孔连通。辅助装卸孔孔径为D₃，满足0.1D₀<D₃<D₂，深度L₃＝L₁-L₂。辅助装卸孔的作用是辅助外壳内安装梯度缓冲组件和卸载变形后的梯度缓冲组件。辅助装卸孔与固定螺纹孔的外端面是指离外壳底部近的端面，内端面是指离外壳底部远的端面。

定位准星是位于外壳侧壁沿轴向(即与中心轴OO’同向)的一个长条形凸起，定位准星的一侧面与外壳开口端的端面齐平。定位准星沿外壳轴向的长度为k₀，满足0.03L₀<k₀<0.1L₀，沿外壳径向的高度为j₀，0.2δ<j₀<0.8δ，垂直于外壳径向的宽度为i₀，满足0.2j₀<i₀<0.5j₀。

定位照门是位于外壳侧壁与定位准星在同一条轴线上的长条形凸起，垂直于中心轴OO’的截面为凹字形，一个端面与外壳底面外表面平齐。定位照门沿外壳中心轴OO’方向的长度为u₀，满足0.03L₀<u₀<0.1L₀，沿外壳直径方向的高度为v₀，满足0.05D₀<v₀<0.2D₀，垂直于外壳直径方向的宽度为w₀，满足0.05D₀<w₀<0.2D₀。定位照门沿中心轴OO’方向挖有一个长条形凹槽，长条形凹槽宽为w₁，满足0.3w₀<w₁<0.7w₀，高为v₁，满足0.3v₀<v₁<0.7v₀。测量人员通过调整本发明的位置和方向使爆炸物、定位准星、定位照门在一条直线上，完成爆炸物瞄准操作，使爆炸冲击波传播方向垂直于外壳开口一端的端面。

梯度缓冲组件为圆柱形，直径为d，满足0.98D₁<d<D₁，确保梯度缓冲组件整个横截面承受爆炸冲击波的作用，长度l₀＝L₀-L₁，在外壳内沿中心轴OO’方向自由运动。梯度缓冲组件由前端滑块、低密度泡沫层、第一隔板、中密度泡沫层、第二隔板、高密度泡沫层和止位板依次同轴(中心轴OO’)无缝紧密粘接而成。前端滑块位于外壳开口一侧，且端面与外壳开口一侧的端面齐平。

低密度泡沫层为圆柱形，直径等于d，厚度为l₁，满足0.2L₀<l₁<0.4L₀。低密度泡沫层材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<0.4g/cm³。

中密度泡沫层为圆柱形，直径等于d，厚度为l₂，满足0.2L₀<l₂<0.4L₀。中密度泡沫层材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<ρ₂₂<0.8g/cm³。

高密度泡沫层为圆柱形，直径等于d，厚度为l₃，满足0.2L₀<l₃<0.4L₀。高密度泡沫层材料为金属泡沫，密度ρ₂₂<ρ₂₃<1.2g/cm³。

前端滑块为圆柱形，直径等于d，厚度为t₁，满足0.05L₀<t₁<0.2L₀。前端滑块材料为金属，在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形，屈服强度σ₂₄>400MPa，密度ρ₂₄>7.0g/cm³。前端滑块位于外壳开口一端，靠近爆炸冲击波，两端面与外壳的中心轴OO’垂直，用于将空气中爆炸冲击波能量转换为自身的动能。

第一隔板和第二隔板均为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₂，满足0.01L₀<t₂<0.05L₀，材料为金属或高聚物，屈服强度σ₂₅>100MPa，密度ρ₂₅>1.0g/cm³。第一隔板位于低密度泡沫层和中密度泡沫层之间，第二隔板位于中密度泡沫层和高密度泡沫层之间。

止位板为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₃，满足0.01L₀<t₃<0.1L₀。止位板材料为金属，屈服强度σ₂₆>400MPa，密度ρ₂₆>7.0g/cm³。止位板位于外壳的底部，与底部内表面贴合，作用是确保高密度泡沫层不被压入辅助装卸孔内。

定位环为圆环形，外直径等于D₀，内直径为D₄，D₄略小于外壳内直径，满足0.9D₁<D₄<D₁。定位环厚度为t₀，满足0.05t₁<t₀<0.5t₁。定位环材料为金属，屈服强度σ₃>300MPa，密度ρ₃>7.0g/cm³。定位环上活动螺钉数等于n，这n个活动螺钉插在外壳开口端面的n个定位螺纹孔中，使得定位环固定在外壳开口端面上。定位环受到爆炸冲击波作用时不产生明显塑性变形，将梯度缓冲组件固定在外壳内，使得梯度缓冲组件在运输和安装时不会从外壳开口一侧滑出。

采用本发明进行爆炸场冲击波能量和冲量测量的方法包括以下步骤：

第一步，组装梯度缓冲组件，方法是：将前端滑块、低密度泡沫层、第一隔板、中密度泡沫层、第二隔板、高密度泡沫层和止位板依次同轴粘接，接触紧密、无缝隙。

第二步，将梯度缓冲组件放置于外壳内，前端滑块朝向外壳开口端。

第三步，将定位环安装在外壳开口端的端面，并用活动螺钉固定。

第四步，通过固定螺纹孔将本发明固定安装在支架上，前端滑块朝向爆炸物，调整本发明的角度使爆炸物、定位准星、定位照门在一条直线上，确保爆炸冲击波传播方向垂直于前端滑块端面。

第五步，读取前端滑块在刻度尺上对应的位置，通过刻度尺记录下前端滑块和低密度泡沫层交界面的位置x₁。

第六步，爆炸物发生爆炸，爆炸冲击波通过空气传播到前端滑块外表面，前端滑块承受冲击波载荷，冲击波的能量传递给前端滑块，并转化为前端滑块的动能。

第七步，具有一定速度的前端滑块压缩低密度泡沫层，低密度泡沫层发生压溃，若低密度泡沫层完全压实，中密度泡沫层开始发生压溃，若中密度泡沫层也完全压实，高密度泡沫层开始发生压溃。由于受到前端滑块的压缩，低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层按顺序依次压实，低密度泡沫层未完全压实前，中密度泡沫层和高密度泡沫层不发生变形。同理，中密度泡沫层未完全压实前，高密度泡沫层不发生变形。

第八步，通过刻度尺记录前端滑块和低密度泡沫层交界面的位置x₂，并记录被完全压实的泡沫层数。前端滑块压缩梯度缓冲组件产生的塑性变形量Δx＝x₂-x₁(x₁、x₂和Δx单位均为m)。

第九步，通过霍普金森杆实验技术标定低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的能量灵敏度系数和冲量灵敏度系数，假设低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的能量灵敏度系数分别为α₁、α₂、α₃(单位为kg·m/s²)，低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层的冲量灵敏度系数分别为β₁、β₂、β₃(单位为kg/s)。

第十步，根据位移量Δx和能量灵敏度系数、冲量灵敏度系数计算测试得到的能量和冲量，分成以下三种情况：

若0<Δx≤l₁，爆炸冲击波能量E＝α₁·Δx，冲量I＝β₁·Δx；

若l₁<Δx≤l₁+l₂，爆炸冲击波能量E＝α₁·l₁+α₂·(Δx-l₁)，冲量I＝β₁·l₁+β₂·(Δx-l₁)；

若l₁+l₂<Δx≤l₁+l₂+l₃，爆炸冲击波能量E＝α₁l₁+α₂l₂+α₃·(Δx-l₁-l₂)，冲量I＝β₁l₁+β₂l₂+β₃·(Δx-l₁-l₂)。

第十一步，将爆炸冲击波压溃变形的梯度缓冲组件通过将外壳底部的辅助装卸孔卸下，同时装入新的低密度泡沫层、中密度泡沫层、高密度泡沫层，实现测试结构的重复使用。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明测量方法是通过装置外壳上的刻度可读取梯度泡沫部件的塑性变形量，根据预设的泡沫材料参数计算出爆炸冲击波在测量装置处的冲量和能量，该方法简单、可靠、实用性强，适合恶劣实验环境下的爆炸冲击波参数测量。

2.本发明测量装置及方法基于梯度泡沫材料逐层压溃机理，由于逐层压溃过程具有较高灵敏度，该测量装置及方法可以实现不同强度爆炸冲击波能量和冲量测量，从而适用于爆炸冲击波的近场、中场、远场参数测量。

3.本发明的装置具有加工装配简单，成本低，无需供电，测试布设迅速，结果数据处理方便等特点。

附图说明

图1是本发明装置纵向中轴截面图；

图2是本发明装置外壳1结构图，图2(a)是外壳1纵向中轴截面图，图2(b)是外壳的后部斜视图，图2(c)是外壳1的前部斜视图，图2(d)是的图2(b)A圆圈处的局部放大视图，图2(e)是图2(b)B圆圈处的局部放大视图，图2(f)是图2(c)C圆圈处的局部放大视图；

图3是本发明装置梯度缓冲组件2纵向中轴截面图；

图4是本发明装置定位环3结构图，图4(a)是定位环3俯视图，图4(b)是定位环3的D-D截面视图。

图5是本发明装置受爆炸冲击后的轴向剖视图。

附图标记说明：

1.外壳，11.观察窗，12.刻度尺，13.定位螺纹孔，14.固定螺纹孔，15.辅助装卸孔，16.定位准星，17.定位照门，2.梯度缓冲组件，21.低密度泡沫层，22.中密度泡沫层，23.高密度泡沫层，24.前端滑块，25.隔板，26.止位板，3.定位环

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明专利，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明纵向中轴截面图，如图1所示，本发明整体呈圆柱状，由外壳1、梯度缓冲组件2和定位环3组成。外壳1、梯度缓冲组件2和定位环3同轴(中心轴OO’)装配，梯度缓冲组件2填充在外壳1内部，定位环3通过活动螺栓固定在外壳1的开口一端，以防止梯度缓冲组件2从外壳1开口处滑出。

图2(a)是外壳1纵向中轴截面图，如图2(a)所示，外壳1为带底圆筒，外直径为D₀，满足0.01m<D₀<0.3m，内直径为D₁，满足0.6D₀<D₁<0.9D₀，长度为L₀，满足0.01m<L₀<0.5m，底部厚度为L₁，满足0.05L₀<L₁<0.2L₀，侧壁厚度δ＝(D₀-D₁)/2。外壳1材料为金属或者有机玻璃等，屈服强度σ₁满足σ₁>100MPa，密度ρ₁满足1g/cm³<ρ₁<9g/cm³。外壳1用于承载和规范梯度缓冲组件2在外壳1内部自由滑动，外壳1和梯度缓冲组件2之间的摩擦系数μ<0.05。外壳1的侧壁挖有观察窗11，沿着外壳1外侧壁轴向刻制有刻度尺12，外壳1开口的端面上有定位螺纹孔13，外壳1的底面中心挖有固定螺纹孔14、辅助装卸孔15。

图2(c)是外壳1的前部斜视图，如图2(c)所示，外壳1侧壁沿轴向开有观察窗11，观察窗11为一个长条形通槽，长度为q，满足0.6L<q<0.8L，宽度为p，满足0.01D₀<p<0.1D₀，深度和外壳1的壁厚相同，等于δ。通过观察窗11可观察梯度缓冲组件2安装、变形以及移动情况。如图2(c)和图2(f)所示，外壳1外侧壁沿轴向刻制有刻度尺12，刻度尺12长度等于q，刻度尺分度值小于等于1mm，用于直接读梯度缓冲组件2的变形量和位移，通过梯度缓冲组件2变形量可以计算出对应的爆炸冲击波能量和冲量。刻度尺12一般刻在观察窗11的长边上，便于测量和观察。

如图2(c)所示，外壳1开口端的端面沿环向均匀分布有n个定位螺纹孔13，n为正偶数，一般为4。定位螺纹孔13孔径为Φ，满足0.2δ<Φ<0.8δ，深度为ξ(如图2(a)所示)，满足0.03L₀<ξ<0.1L₀。

图2(b)是外壳的后部斜视图，如图2(b)所示，外壳1底部中心挖有一个固定螺纹孔14，固定螺纹孔14外端面与外壳1底部外端面平齐，固定螺纹孔14孔径为D₂，满足0.2D₀<D₂<0.8D₀，深度为L₂(如图2(a)所示)，满足0.3L₁<L₂<0.8L₁。固定螺纹孔14的主要作用是将本发明固定安装在支架上。

如图2(a)所示，外壳1底部中心还有一个辅助装卸孔15，辅助装卸孔15为圆形孔，与固定螺纹孔14同轴。辅助装卸孔15的内端面与外壳1底部内端面平齐，辅助装卸孔15的外端面与固定螺纹孔14的内端面平齐，即辅助装卸孔15与固定螺纹孔14连通。辅助装卸孔15孔径为D₃，满足0.1D₀<D₃<D₂，深度L₃＝L₁-L₂。辅助装卸孔15的作用是辅助外壳1内安装梯度缓冲组件2和卸载变形后的梯度缓冲组件2。辅助装卸孔15与固定螺纹孔14的外端面是指离外壳1底部近的端面，内端面是指离外壳1底部远的端面。

如图2(b)所示，定位准星16是位于外壳1侧壁沿轴向(即与中心轴OO’同向)的一个长条形凸起，定位准星16的一侧面与外壳1开口端的端面齐平。定位准星16沿外壳1轴向的长度如图2(e)所示，为k₀，满足0.03L₀<k₀<0.1L₀，沿外壳1径向的高度为j₀，0.2δ<j₀<0.8δ，垂直于外壳1径向的宽度为i₀，满足0.2j₀<i₀<0.5j₀。

如图2(b)所示，定位照门17是位于外壳1侧壁与定位准星16在同一条轴线上的长条形凸起，如图2(d)所示，垂直于中心轴OO’的截面为凹字形，一个端面与外壳1底面外表面平齐。定位照门17沿外壳1中心轴OO’方向的长度为u₀，满足0.03L₀<u₀<0.1L₀，沿外壳1直径方向的高度为v₀，满足0.05D₀<v₀<0.2D₀，垂直于外壳1直径方向的宽度为w₀，满足0.05D₀<w₀<0.2D₀。定位照门17沿中心轴OO’方向挖有一个长条形凹槽171，长条形凹槽171宽为w₁，满足0.3w₀<w₁<0.7w₀，高为v₁，满足0.3v₀<v₁<0.7v₀。测量人员通过调整本发明的位置和方向使爆炸物、定位准星16、定位照门17在一条直线上，完成爆炸物瞄准操作，使爆炸冲击波传播方向垂直于外壳1开口一端的端面。

图3是本发明梯度缓冲组件2纵向中轴截面图；如图3所示，梯度缓冲组件2为圆柱形，直径为d，满足0.98D₁<d<D₁，确保梯度缓冲组件2整个横截面承受爆炸冲击波的作用，长度l₀＝L₀-L₁，在外壳1内沿中心轴OO’方向自由运动。梯度缓冲组件2由前端滑块24、低密度泡沫层21、第一隔板251、中密度泡沫层22、第二隔板252、高密度泡沫层23和止位板26依次同轴(中心轴OO’)无缝紧密粘接而成。前端滑块24位于外壳1开口一侧，且端面与外壳1开口一侧的端面齐平。

低密度泡沫层21为圆柱形，直径等于d，厚度为l₁，满足0.2L₀<l₁<0.4L₀。低密度泡沫层21材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<0.4g/cm³。

中密度泡沫层22为圆柱形，直径等于d，厚度为l₂，满足0.2L₀<l₂<0.4L₀。中密度泡沫层22材料为金属泡沫，密度ρ₂₁<ρ₂₂<0.8g/cm³。

高密度泡沫层23为圆柱形，直径等于d，厚度为l₃，满足0.2L₀<l₃<0.4L₀。高密度泡沫层23材料为金属泡沫，密度ρ₂₂<ρ₂₃<1.2g/cm³。

前端滑块24为圆柱形，直径等于d，厚度为t₁，满足0.05L₀<t₁<0.2L₀。前端滑块24材料为金属，在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形，屈服强度σ₂₄>400MPa，密度ρ₂₄>7.0g/cm³。前端滑块24位于外壳1开口一端，靠近爆炸冲击波，两端面与外壳1的中心轴OO’垂直，用于将空气中爆炸冲击波能量转换为自身的动能。

第一隔板251和第二隔板252均为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₂，满足0.01L₀<t₂<0.05L₀，材料为金属或高聚物，屈服强度σ₂₅>100MPa，密度ρ₂₅>1.0g/cm³。第一隔板251位于低密度泡沫层21和中密度泡沫层22之间，第二隔板252位于中密度泡沫层22和高密度泡沫层23之间。

止位板26为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₃，满足0.01L₀<t₃<0.1L₀。止位板26材料为金属，屈服强度σ₂₆>400MPa，密度ρ₂₆>7.0g/cm³。止位板26位于外壳1的底部，与底部内表面贴合，作用是确保高密度泡沫层23不被压入辅助装卸孔15内。

图4是本发明定位环3结构图，图4(a)是定位环3俯视图，如图4(a)所示，定位环3为圆环形，外直径等于D₀，内直径为D₄，D₄略小于外壳1内直径，满足0.9D₁<D₄<D₁。图4(b)是定位环3的D-D截面视图，如图4(b)所示，定位环3厚度为t₀，满足0.05t₁<t₀<0.5t₁。定位环3材料为金属，屈服强度σ₃>300MPa，密度ρ₃>7.0g/cm³。定位环3上活动螺钉数等于n，这n个活动螺钉插在外壳1开口端面的n个定位螺纹孔13中，使得定位环3固定在外壳1开口端面上。定位环3受到爆炸冲击波作用时不产生明显塑性变形，将梯度缓冲组件2固定在外壳1内，使得梯度缓冲组件2在运输和安装时不会从外壳1开口一侧滑出。

采用本发明进行爆炸场冲击波能量和冲量测量的方法包括以下步骤：

第一步，组装梯度缓冲组件2，方法是：将前端滑块24、低密度泡沫层21、第一隔板251、中密度泡沫层22、第二隔板252、高密度泡沫层23和止位板26依次同轴粘接，接触紧密、无缝隙。

第二步，将梯度缓冲组件2放置于外壳1内，前端滑块24朝向外壳1开口端。

第三步，将定位环3安装在外壳1开口端的端面，并用活动螺钉固定。

第四步，通过固定螺纹孔14将本发明固定安装在支架上，前端滑块24朝向爆炸物，调整本发明的角度使爆炸物、定位准星16、定位照门17在一条直线上，确保爆炸冲击波传播方向垂直于前端滑块24端面。

第五步，读取前端滑块24在刻度尺12上对应的位置，通过刻度尺12记录下前端滑块24和低密度泡沫层21交界面的位置x₁(如图1所示)。

第六步，爆炸物发生爆炸，爆炸冲击波通过空气传播到前端滑块24外表面，前端滑块24承受冲击波载荷，冲击波的能量传递给前端滑块24，并转化为前端滑块24的动能。

第七步，具有一定速度的前端滑块24压缩低密度泡沫层21，低密度泡沫层21发生压溃，若低密度泡沫层21完全压实，中密度泡沫层22开始发生压溃，若中密度泡沫层22也完全压实，高密度泡沫层23开始发生压溃。由于受到前端滑块24的压缩，低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23按顺序依次压实，低密度泡沫层21未完全压实前，中密度泡沫层22和高密度泡沫层23不发生变形。同理，中密度泡沫层22未完全压实前，高密度泡沫层23不发生变形。

第八步，通过刻度尺12记录前端滑块24和低密度泡沫层21交界面的位置x₂(如图5所示)，并记录被完全压实的泡沫层数。前端滑块24压缩梯度缓冲组件2产生的塑性变形量Δx＝x₂-x₁(x₁、x₂和Δx单位均为m)。

第九步，通过霍普金森杆实验技术标定低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23的能量灵敏度系数和冲量灵敏度系数，假设低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23的能量灵敏度系数分别为α₁、α₂、α₃(单位为kg·m/s²)，低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23的冲量灵敏度系数分别为β₁、β₂、β₃(单位为kg/s)。

第十步，根据位移量Δx和能量灵敏度系数、冲量灵敏度系数计算测试得到的能量和冲量，分成以下三种情况：

若0<Δx≤l₁，爆炸冲击波能量E＝α₁·Δx，冲量I＝β₁·Δx；

若l₁<Δx≤l₁+l₂，爆炸冲击波能量E＝α₁·l₁+α₂·(Δx-l₁)，冲量I＝β₁·l₁+β₂·(Δx-l₁)；

若l₁+l₂<Δx≤l₁+l₂+l₃，爆炸冲击波能量E＝α₁l₁+α₂l₂+α₃·(Δx-l₁-l₂)，冲量I＝β₁l₁+β₂l₂+β₃·(Δx-l₁-l₂)。

第十一步，将爆炸冲击波压溃变形的梯度缓冲组件2通过将外壳1底部的辅助装卸孔15卸下，同时装入新的低密度泡沫层21、中密度泡沫层22、高密度泡沫层23，实现测试结构的重复使用。

Claims (16)

1.一种基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置整体呈圆柱状，由外壳(1)、梯度缓冲组件(2)和定位环(3)组成；外壳(1)、梯度缓冲组件(2)和定位环(3)同中心轴OO’装配，梯度缓冲组件(2)填充在外壳(1)内部，定位环(3)通过活动螺栓固定在外壳(1)的开口一端；

外壳(1)为带底圆筒，外直径为D₀，内直径为D₁，长度为L₀，底部厚度为L₁，侧壁厚度为δ；外壳(1)用于承载和规范梯度缓冲组件(2)在外壳(1)内部自由滑动，外壳(1)的侧壁挖有观察窗(11)，沿着外壳(1)外侧壁轴向刻制有刻度尺(12)，外壳(1)开口的端面上有定位螺纹孔(13)，外壳(1)的底面中心挖有固定螺纹孔(14)、辅助装卸孔(15)；

外壳(1)侧壁沿轴向开有观察窗(11)，观察窗(11)为一个长条形通槽，长度为q，宽度为p，深度和外壳(1)的壁厚相同，等于δ；外壳(1)外侧壁沿轴向刻制有刻度尺(12)，刻度尺(12)长度等于q；

外壳(1)开口端的端面沿环向均匀分布有n个定位螺纹孔(13)，n为正偶数，定位螺纹孔(13)孔径为Φ，深度为ξ；

外壳(1)底部中心挖有一个固定螺纹孔(14)，固定螺纹孔(14)外端面与外壳(1)底部外端面平齐，固定螺纹孔(14)孔径为D₂，深度为L₂；

外壳(1)底部中心的辅助装卸孔(15)为圆形孔，与固定螺纹孔(14)同轴；辅助装卸孔(15)的内端面与外壳(1)底部内端面平齐，辅助装卸孔(15)的外端面与固定螺纹孔(14)的内端面平齐，即辅助装卸孔(15)与固定螺纹孔(14)连通；辅助装卸孔(15)孔径为D₃，深度为L₃；辅助装卸孔(15)的作用是辅助外壳(1)内安装梯度缓冲组件(2)和卸载变形后的梯度缓冲组件(2)，辅助装卸孔(15)与固定螺纹孔(14)的外端面是指离外壳(1)底部近的端面，内端面是指离外壳(1)底部远的端面；

定位准星(16)是位于外壳(1)侧壁沿轴向的一个长条形凸起，定位准星(16)的一侧面与外壳(1)开口端的端面齐平；定位准星(16)沿外壳(1)轴向的长度为k₀，沿外壳(1)径向的高度为j₀，垂直于外壳(1)径向的宽度为i₀；

定位照门(17)是位于外壳(1)侧壁与定位准星(16)在同一条轴线上的长条形凸起，垂直于中轴线OO’的截面为凹字形，一个端面与外壳(1)底面外表面平齐；定位照门(17)沿外壳(1)中轴线OO’方向的长度为u₀，沿外壳(1)直径方向的高度为v₀，垂直于外壳(1)直径方向的宽度为w₀；定位照门(17)沿轴线OO’方向挖有一个长条形凹槽(171)，长条形凹槽(171)宽为w₁，高为v₁；

梯度缓冲组件(2)为圆柱形，直径为d，满足0.98D₁<d<D₁，长度为l₀，在外壳(1)内沿中心轴OO’方向自由运动；梯度缓冲组件(2)由前端滑块(24)、低密度泡沫层(21)、第一隔板(251)、中密度泡沫层(22)、第二隔板(252)、高密度泡沫层(23)和止位板(26)依次同中心轴OO’无缝紧密粘接而成；前端滑块(24)位于外壳(1)开口一侧，且端面与外壳(1)开口一侧的端面齐平；低密度泡沫层(21)为圆柱形，直径等于d，厚度为l₁；中密度泡沫层(22)为圆柱形，直径等于d，厚度为l₂；高密度泡沫层(23)为圆柱形，直径等于d，厚度为l₃；低密度泡沫层(21)、中密度泡沫层(22)、高密度泡沫层(23)材料均为金属泡沫，密度满足ρ₂₁<ρ₂₂<ρ₂₃，ρ₂₁为低密度泡沫层(21)的密度，ρ₂₂为中密度泡沫层(22)的密度，ρ₂₃为高密度泡沫层(23)的密度；

前端滑块(24)为圆柱形，直径等于d，厚度为t₁，前端滑块(24)材料为金属，在爆炸冲击波作用下不产生塑性变形；前端滑块(24)位于外壳(1)开口一端，靠近爆炸冲击波，两端面与外壳(1)的中心轴OO’垂直；

第一隔板(251)和第二隔板(252)均为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₂，第一隔板(251)位于低密度泡沫层(21)和中密度泡沫层(22)之间，第二隔板(252)位于中密度泡沫层(22)和高密度泡沫层(23)之间；

止位板(26)为圆形薄板，直径等于d，厚度为t₃，止位板(26)位于外壳(1)的底部，与底部内表面贴合，作用是确保高密度泡沫层(23)不被压入辅助装卸孔(15)内；

定位环(3)为圆环形，外直径等于D₀，内直径为D₄，D₄小于外壳(1)内直径；定位环(3)厚度为t₀；定位环(3)上活动螺钉数等于n，这n个活动螺钉插在外壳(1)开口端面的n个定位螺纹孔(13)中，使得定位环(3)固定在外壳(1)开口端面上；定位环(3)受到爆炸冲击波作用时不产生明显塑性变形，将梯度缓冲组件(2)固定在外壳(1)内，使得梯度缓冲组件(2)在运输和安装时不会从外壳(1)开口一侧滑出。

2.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述外壳(1)的外直径D₀满足0.01m<D₀<0.3m，内直径D₁满足0.6D₀<D₁<0.9D₀，长度L₀满足0.01m<L₀<0.5m，底部厚度L₁，满足0.05L₀<L₁<0.2L₀，侧壁厚度δ＝(D₀-D₁)/2。

3.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述外壳(1)材料为金属或者有机玻璃，屈服强度σ₁满足σ₁>100MPa，密度ρ₁满足1g/cm³<ρ₁<9g/cm³；外壳(1)和梯度缓冲组件(2)之间的摩擦系数μ<0.05。

4.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述观察窗(11)的长度q满足0.6L<q<0.8L，宽度p满足0.01D₀<p<0.1D₀。

5.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述刻度尺(12)分度值小于等于1mm，刻度尺(12)刻在观察窗(11)的长边上。

6.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述定位螺纹孔(13)的个数n为4，定位螺纹孔(13)孔径Φ满足0.2δ<Φ<0.8δ，深度ξ满足0.03L₀<ξ<0.1L₀。

7.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述固定螺纹孔(14)孔径D₂满足0.2D₀<D₂<0.8D₀，深度L₂满足0.3L₁<L₂<0.8L₁；所述辅助装卸孔(15)孔径D₃满足0.1D₀<D₃<D₂，深度L₃＝L₁-L₂。

8.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述定位准星(16)沿外壳(1)轴向的长度k₀满足0.03L₀<k₀<0.1L₀，沿外壳(1)径向的高度j₀满足0.2δ<j₀<0.8δ，垂直于外壳(1)径向的宽度i₀满足0.2j₀<i₀<0.5j₀。

9.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述定位照门(17)沿外壳(1)中轴线OO’方向的长度u₀满足0.03L₀<u₀<0.1L₀，沿外壳(1)直径方向的高度v₀满足0.05D₀<v₀<0.2D₀，垂直于外壳(1)直径方向的宽度w₀满足0.05D₀<w₀<0.2D₀；所述长条形凹槽(171)宽w₁满足0.3w₀<w₁<0.7w₀，高v₁满足0.3v₀<v₁<0.7v₀。

10.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述梯度缓冲组件(2)的直径d满足0.98D₁<d<D₁，长度l₀＝L₀-L₁；所述低密度泡沫层(21)厚度l₁满足0.2L₀<l₁<0.4L₀；所述中密度泡沫层(22)厚度l₂满足0.2L₀<l₂<0.4L₀；所述高密度泡沫层(23)厚度l₃满足0.2L₀<l₃<0.4L₀。

11.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述低密度泡沫层(21)密度ρ₂₁满足ρ₂₁<0.4g/cm³，中密度泡沫层(22)密度ρ₂₂满足ρ₂₁<ρ₂₂<0.8g/cm³，高密度泡沫层(23)密度ρ₂₃满足ρ₂₂<ρ₂₃<1.2g/cm³。

12.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述前端滑块(24)厚度t₁满足0.05L₀<t₁<0.2L₀；前端滑块(24)屈服强度σ₂₄>400MPa，密度ρ₂₄>7.0g/cm³。

13.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述第一隔板(251)和第二隔板(252)厚度t₂满足0.01L₀<t₂<0.05L₀，材料为金属或高聚物，屈服强度σ₂₅>100MPa，密度ρ₂₅>1.0g/cm³。

14.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述止位板(26)厚度t₃满足0.01L₀<t₃<0.1L₀；止位板(26)材料为金属，屈服强度σ₂₆>400MPa，密度ρ₂₆>7.0g/cm³。

15.如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置，其特征在于所述定位环(3)内直径D₄满足0.9D₁<D₄<D₁；定位环(3)厚度t₀满足0.05t₁<t₀<0.5t₁；定位环(3)材料为金属，屈服强度σ₃>300MPa，密度ρ₃>7.0g/cm³。

16.一种采用如权利要求1所述的基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置对爆炸场冲击波能量和冲量进行测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，组装梯度缓冲组件(2)，方法是：将前端滑块(24)、低密度泡沫层(21)、第一隔板(251)、中密度泡沫层(22)、第二隔板(252)、高密度泡沫层(23)和止位板(26)依次同轴粘接，接触紧密、无缝隙；

第二步，将梯度缓冲组件(2)放置于外壳(1)内，前端滑块(24)朝向外壳(1)开口端；

第三步，将定位环(3)安装在外壳(1)开口端的端面，并用活动螺钉固定；

第四步，通过固定螺纹孔(14)将本发明固定安装在支架上，前端滑块(24)朝向爆炸物，调整本发明的角度使爆炸物、定位准星(16)、定位照门(17)在一条直线上，确保爆炸冲击波传播方向垂直于前端滑块(24)端面；

第五步，读取前端滑块(24)在刻度尺(12)上对应的位置，通过刻度尺(12)记录下前端滑块(24)和低密度泡沫层(21)交界面的位置x₁；

第六步，爆炸物发生爆炸，爆炸冲击波通过空气传播到前端滑块(24)外表面，前端滑块(24)承受冲击波载荷，冲击波的能量传递给前端滑块(24)，并转化为前端滑块(24)的动能；

第七步，具有一定速度的前端滑块(24)压缩低密度泡沫层(21)，低密度泡沫层(21)发生压溃，若低密度泡沫层(21)完全压实，中密度泡沫层(22)开始发生压溃，若中密度泡沫层(22)也完全压实，高密度泡沫层(23)开始发生压溃；

第八步，通过刻度尺(12)记录前端滑块(24)和低密度泡沫层(21)交界面的位置x₂，并记录被完全压实的泡沫层数；前端滑块(24)压缩梯度缓冲组件(2)产生的塑性变形量Δx＝x₂-x₁，x₁、x₂和Δx单位均为m；

第九步，通过霍普金森杆实验技术标定低密度泡沫层(21)、中密度泡沫层(22)、高密度泡沫层(23)的能量灵敏度系数和冲量灵敏度系数，令低密度泡沫层(21)、中密度泡沫层(22)、高密度泡沫层(23)的能量灵敏度系数分别为α₁、α₂、α₃，单位为kg·m/s²，令低密度泡沫层(21)、中密度泡沫层(22)、高密度泡沫层(23)的冲量灵敏度系数分别为β₁、β₂、β₃，单位为kg/s；

第十步，根据位移量Δx和能量灵敏度系数、冲量灵敏度系数计算测试得到的能量和冲量，分成以下三种情况：

若0<Δx≤l₁，爆炸冲击波能量E＝α₁·Δx，冲量I＝β₁·Δx；

若l₁<Δx≤l₁+l₂，爆炸冲击波能量E＝α₁·l₁+α₂·(Δx-l₁)，冲量I＝β₁·l₁+β₂·(Δx-l₁)；

若l₁+l₂<Δx≤l₁+l₂+l₃，爆炸冲击波能量E＝α₁l₁+α₂l₂+α₃·(Δx-l₁-l₂)，冲量I＝β₁l₁+β₂l₂+β₃·(Δx-l₁-l₂)；

第十一步，将爆炸冲击波压溃变形的梯度缓冲组件(2)通过将外壳(1)底部的辅助装卸孔(15)卸下，同时装入新的低密度泡沫层(21)、中密度泡沫层(22)、高密度泡沫层(23)，实现测试结构的重复使用。