CN111288913A - 内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法及系统，以解决利用现有方法不能反映内层、外层筒体变形同时随时间变化过程的问题。系统包括设置在双层筒轴线上的爆炸物，起爆装置，激光位移干涉仪及信号记录设备，首先在爆心处外层筒开设一个小通孔，将激光干涉仪探头置于通孔处，用于测量内层筒外壁的位移，将另一激光干涉仪探头置于距外层筒外壁面，用于测量爆心环面外层筒外壁面位移。本发明利用PDV可以获得不同时刻内层钢筒、外层钢筒径向位移量随时间的变化关系，从而获得爆心处双层钢筒内、外层壁面在不同时刻的变形量。

Description

内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种利用PDV(激光位移干涉仪)测量内部爆炸作用下双层 筒变形的方法及系统。

背景技术

目前测量内部爆炸作用下钢筒(主要针对单层钢筒)变形主要手段有以 下几种：一是在钢筒外壁粘贴应变计对容器的动态变形进行测量，参见：钟 方平,陈春毅,林俊德,等.带平板封头的双层爆炸容器动力响应的实验研究 [J].爆炸与冲击.Vol.19,No.3，1999.p199-203.Zhong Fang-ping,Chen Chun-yi, Lin Jun-de,et al.Experimentalstudy of dynamic response of double-walled explosion vessels with flathead.Explosion and Shock Waves.Vol.19,No.3， 1999.p199-203.；二是实验后通过测量工具对钢筒的变形进行手工测量；三是 利用高速相机对爆炸载荷下钢筒的变形进行连续拍照，参见：汤铁钢,谷岩, 李庆忠,等.爆轰加载下金属钢筒膨胀破裂过程研究[J].爆炸与冲击.Vol.23, No.6，2003.p529-533.TANG Tieg-ang,GU Yan,LI Qing-zhong,etal.Expanding fracture of steel cyl inder shell by detonation driving[J].Explosion and Shock Waves.Vol.23,No.6，2003.p529-533.，对实验照片进行数据处理，从而得到 钢筒的变形情况；四是利用激光的多普勒效应来测量爆炸容器的径向变形， 参见：胡永乐,陈子辰,王文,等.爆炸容器动态径向变形非接触测量技术[J]. 机械强度.2009,31(5):759-763.Hu Yong-le,Chen Zi-chen,Wang Wen,et al. Non-contactmeasurement technique for dynamic radial deformation of explosion containmentvessels[J].Journal of Mechanical Strength.2009,31(5):759-763.，主 要是针对单层钢筒外壁面变形进行测量；五是利用电探针测量内部爆炸作用 下钢筒爆心环面外壁面的位移与时间变化关系，秦学军,张德志,杨军,等.内部 爆炸作用下钢筒变形过程的电探针测量技术[J].爆炸与冲击，Vol.34,No.1, 2014:115-119.Qin Xue-jun,Zhang De-zhi,Yang Jun,et al.Electric probe measurement technique on deformational processof cylindrical steel shell under inside-explosion loading.Explosion and ShockWaves.Vol.34,No.1, 2014:115-119.,主要是针对单层钢筒外壁面变形进行测量。此外，利用金属丝 缠绕在单层钢筒的外壁，钢筒在内部爆炸作用下变形时金属丝的电阻发生变化，从而利用金属丝电阻的变化获得钢筒外壁面的变形量，参见：李进，熊 琛，张德志，等.用于柱形爆炸容器周向大变形历程测量的应变丝技术[J].爆 炸与冲击.Vol.37,No.6，2017.p976-981.Li Jin,Xiong Chen,Zhang De-zhi,et al. Strain Wire MeasurementTechnique on Process of Circumferential Large Deformation of CylindricalExplosion Vessels[J].Explosion and Shock Waves. Vol.37,No.6，2017.p976-981.。应变计只能测量钢筒的单点变形，钢筒的整体 变形只能通过单点变形来近似，同时，应变计粘贴在钢筒上也容易脱落；实 验后手工测量容器变形量，由于工具和人为因素对测量结果也会造成一定的 误差，也无法反映钢筒变形与时间的关系；采用高速摄像来研究内部爆炸作 用下钢筒变形，对实验环境要求较高，同时实验需要性能较好、造价不菲的 拍摄设备，一般实验室不具备实验条件。

上述方法均是针对单层筒外壁面变形进行测量，目前文献对内层、外层 筒体变形同时随时间变化的实验还未见报道。尤其对于双层筒内层外壁面变 形的测量，主要还是依靠实验后进行测量获得，不能反映内层筒变形随时间 的变化过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用PDV测量内部爆炸作用下双层筒变形的方 法及系统，以解决利用现有方法不能反映内层、外层筒体变形同时随时间变 化过程的问题。

本发明的技术方案是提供一种内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量 方法，包括以下步骤：

步骤1、在外层筒开设至少一个通孔，使得通孔位置对应的内层筒暴露；

步骤2、将第一激光位移干涉仪的探头固定在内层筒测点处，上述内层筒 测点位于所述通孔正上方设定距离处，与通孔一一对应；将第二激光位移干 涉仪的探头固定在外层筒测点处，上述外层筒测点至少为一个，距外层筒外 壁面具有设定距离，上述第二激光位移干涉仪与外层筒测点一一对应；

步骤3、引爆炸药，记录起爆时刻及第一激光位移干涉仪与第二激光位移 干涉仪的初始值；

实时记录爆炸过程中第一激光位移干涉仪测得的内层筒外壁面径向位移 以及第二激光位移干涉仪测得的外层筒外壁面径向位移；

步骤4、根据起爆时刻、第一激光位移干涉仪与第二激光位移干涉仪的初 始值及爆炸过程中的第一激光位移干涉仪与第二激光位移干涉仪的记录值， 同时得到内层筒及外层筒的径向变形过程。

进一步地，为了获得准确的测量数据，内层筒测点与内层筒外壁面之间 的距离大于内层筒外壁面最大径向位移；

外层筒测点与外层筒外壁面之间的距离大于外层筒外壁面最大径向位 移。

进一步地，上述步骤2中，当包括多个内层筒测点时，多个内层筒测点 均布在距外层筒设定距离的一半周面上；

将多个第一激光位移干涉仪同一时刻记录值的平均值作为此时刻内层筒 外壁面径向位移值。

步骤2中，当包括多个外层筒测点时，多个外层筒测点位于与多个内层 筒测点同一周面的另一半周面上；

将多个第二激光位移干涉仪同一时刻记录值的平均值作为此时刻外层筒 外壁面径向位移值；

或外层筒测点与内层测点间隔设置。

进一步地，上述内层筒测点与外层筒测点沿爆心环面设置。

本发明还提供一种内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量系统，其特 殊之处在于：包括沿径向开设在外层筒的至少一个通孔，设置在双层筒轴线 上的爆炸物，起爆装置，至少一个第一激光位移干涉仪，至少一个第二激光 位移干涉仪，至少一个第一信号记录设备及至少一个第二信号记录设备；其 中通孔、第一激光位移干涉仪及第一信号记录设备的数量一一对应；

上述起爆装置的输出分别与爆炸物、第一信号记录设备及第二信号记录 设备连接，用于使爆炸物起爆并输出触发信号至第一信号记录设备与第二信 号记录设备；

上述第一激光位移干涉仪用于测量内层筒外壁面的径向位移，包括置于 内层筒测点处的第一探头，上述内层筒测点位于所述通孔正上方设定距离处， 与通孔一一对应；上述第二激光位移干涉仪用于测量外层筒外壁面的径向位 移，包括置于外层筒测点处的第二探头，上述外层筒测点距外层筒外壁面具 有设定距离，上述第二激光位移干涉仪与外层筒测点一一对应；上述第一信 号记录设备用于记录第一激光位移干涉仪的输出；上述第二信号记录设备用 于记录第二激光位移干涉仪的输出。

进一步地，上述起爆装置包括起爆器、互感器及同步机；上述起爆器的 输出端与互感器的输入端相连，上述互感器的两个输出端分别接爆炸物及同 步机的输入端，上述同步机的输出端分别与第一信号记录设备及第二信号记 录设备连接；上述起爆器起爆后，爆炸物起爆，同时通过与起爆器连接的互 感器产生感生电信号给同步机，由同步机触发第一信号记录设备及第二信号 记录设备。

进一步地，上述第一信号记录设备及第二信号记录设备为示波器或多通 道数据采集系统；所述的爆炸物为球形炸药或柱形炸药。

进一步地，上述第一探头与内层筒外壁面之间的距离大于内层筒外壁面 最大径向位移；所述第二探头与外层筒外壁面之间的距离大于外层筒外壁面 最大径向位移。

进一步地，该系统还包括设置在外层筒外部的定位环，上述定位环与外 层筒同轴；上述第一探头依次固定在1/2定位环上，上述第二探头依次固定在 另1/2定位环上；或第一探头与第二探头间隔设置在定位环上。

本发明的有益效果是：

1、利用本发明方法可同时获得双层钢筒内、外层壁面在不同时刻的变形 量；

本发明作为内部爆炸作用下双层钢筒变形测量的新方法，利用PDV可以 获得不同时刻内层钢筒、外层钢筒径向位移量随时间的变化关系，从而获得 爆心处双层钢筒内、外层壁面在不同时刻的变形量。

2、本发明方法测量精度高；

本发明利用PDV测量内部爆炸作用下双层钢筒变形的方法，具有非接触、 精度高、动态响应快、测量范围大、容易操作等特点。

3、本发明方法测量结果客观性强；

本发明结合起爆时刻，通过PDV测量内部爆炸作用下双层钢筒变形随时 间的变化关系，测量结果客观性强。

4、本发明方法可信度高；

通过本发明测量的双层钢筒的最大变形与实验后钢筒测量的最大变形相 比，误差小于5％，说明PDV测量内部爆炸作用下双层钢筒变形的方法可信 度高。

附图说明

图1为本发明实施例中PDV测量双层钢筒变形系统示意图；

图2为120gTNT当量实验20钢筒PDV测量双层钢筒内、外层变形波形；

图中附图标记为：1-球形炸药；2-内层筒；3-外层筒；4-第一探头；5-第 一激光位移干涉仪；6-第二探头；7-第二激光位移干涉仪。

具体实施方式

本发明利用PDV测量内部爆炸作用下双层钢筒的变形，其原理是基于激 光多普勒效应，将激光技术和干涉技术相结合的可测量物体位移的光学测试 方法，具有非接触、精度高、动态响应快、测量范围大等特点。

内层筒和外层筒有一定的间隙，本发明首先在爆心处外层筒开设一个小 通孔，将一个激光干涉仪探头置于通孔处，用于测量内层筒外壁的位移，此 时激光出射方向与双层筒轴线正交。将另一激光干涉仪探头置于距外层筒外 壁面一定距离处，用于测量爆心环面外层筒外壁面位移，此时激光出射方向 与双层筒轴线亦正交。记录起爆时刻及各个激光位移干涉仪的初始值，球形 炸药引爆后，爆炸冲击波作用在内层筒的内壁面上，引起内层筒的变形，通 过探头和PDV测量系统将内层筒外壁面变形信息输入信号记录设备。当内层 筒外壁面与外层筒内壁面接触碰撞后，引起外层筒的变形，通过探头和PDV 测量系统将外层筒外壁面变形信息输入信号记录设备。根据起爆时刻、各个 激光位移干涉仪的初始值及爆炸过程中的各个激光位移干涉仪的记录值，从 而得到了内层筒和外层筒在不同时刻的变形量。

也可以沿着外层筒周向均匀开设多个通孔，将各个激光干涉仪探头置于 通孔处，测量内层筒外壁的位移，可以将多个激光位移干涉仪同一时刻记录 值的平均值作为此时刻内层筒外壁面径向位移值。同理，也可以采用多个激 光干涉仪探头测量爆心环面外层筒外壁面位移，将多个激光位移干涉仪同一 时刻记录值的平均值作为此时刻外层筒外壁面径向位移值。当同时设定多个 内层筒测点与外层筒测点时，为了系统的安装，测量内层筒位移的探头与测 量外层筒位移的探头可位于同一周面上，且各占1/2，测点数量及位置当然也 可以根据需求进行相应的调整，如外层筒测点与内层测点可以在同一环面间 隔设置，也可以位于不同环面上。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

实施例一

如图1，本实施例内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量系统包括起爆 装置及两路PDV测量系统，起爆装置包括起爆器、互感器及同步机。每一路 PDV测量系统均包括激光位移干涉仪与信号记录设备，其中信号记录设备以 示波器为例。

本实施例中双层筒为钢筒，其材料为20钢，长度为600mm，内径为100mm， 内层筒壁厚为6mm，内层筒和外层筒间隙为4mm，外层筒厚度为5.6mm。

在爆心处外层筒开设一个φ3mm的小通孔，以确保激光与孔壁不发生干 涉。将120gTNT当量的球形炸药1或柱形炸药设置在钢筒的中心轴线上，在 爆心处对称设置两路PDV测量系统，一路PDV用于测量内层钢筒2的变形， 另一路PDV用于测量外层钢筒3的变形。

如图1，将一路PDV测量系统中激光位移干涉仪的第一探头4置于距小 通孔设定位置处，第一信号记录设备分别与第一激光位移干涉仪5的输出及 同步机的输出连接；将另一路PDV测量系统中的第二探头6置于距外层钢筒 设定位置处，第二信号记录设备分别与第二激光位移干涉仪7的输出及同步 机的输出连接。为了精准测量，第一探头4与内层钢筒外壁面之间的距离大 于内层钢筒外壁面最大径向位移；第二探头6与外层钢筒外壁面之间的距离 大于外层钢筒外壁面最大径向位移。起爆器的输出与互感器的输入相连接， 互感器的输出与球形炸药及同步机连接。测量装置安装完成后，起爆器起爆 后，与起爆器连接的互感器产生感生电信号给同步机，由同步机触发信号记 录设备；同时球形炸药1起爆，钢筒在爆炸冲击波作用下开始膨胀变形，爆 炸冲击波作用在内层筒2的内壁面上，引起内层筒的变形，通过第一探头4 和第一激光位移干涉仪5将内层筒外壁面变形信息输入第一信号记录设备。 当内层筒2外壁面与外层筒3内壁面接触碰撞后，引起外层筒的变形，通过 第二探头6和第二激光位移干涉仪7将外层筒外壁面变形信息输入第二信号 记录设备。如图2为实验得到的爆心处内层筒和外层筒变形波形。实验结果 显示，利用PDV测量内部爆炸作用下双层筒变形，可以获得内层筒和外层筒 径向位移随时间的关系，从而获得内、外层筒在不同时刻的变形量。通过实 验后测量爆心环面内层筒外壁面最大位移为5.75mm，PDV测量内层筒外壁面 最大位移为5.48mm，PDV测量与实验后测量误差为4.9％。实验后测量爆心环面外层筒外壁面的最大位移为2.56mm，PDV测量外层筒外壁面最大位移为 2.48mm，PDV测量与实验后测量误差为3.2％。说明PDV测量双层筒变形的 方法是可信的。

实施例二

与实施例一不同的是，本实施例沿外层筒的周向开设多个通孔，对应也 包括多路PDV测量系统，每个通孔对应一路PDV测量系统，将多个激光位移 干涉仪同一时刻记录值的平均值作为此时刻内层筒外壁面径向位移值。同时 也可以采用多路PDV测量系统测量外层钢筒3的变形，将多个激光位移干涉仪 同一时刻记录值的平均值作为此时刻外层筒外壁面径向位移值。为了便于安 装，可以在外层筒外部同轴设置定位环，将多个第一探头依次固定在1/2定位 环上，将多个第二探头依次固定在另1/2定位环上。在其他实施例中第一探头与第二探头也可以位于不同的定位环上，数量也可以根据需求改变。

Claims (10)

1.一种内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在外层筒开设至少一个通孔，使得通孔位置对应的内层筒暴露；

步骤2、将第一激光位移干涉仪的探头固定在内层筒测点处，所述内层筒测点位于所述通孔正上方设定距离处，与通孔一一对应；将第二激光位移干涉仪的探头固定在外层筒测点处，所述外层筒测点至少为一个，距外层筒外壁面具有设定距离，所述第二激光位移干涉仪与外层筒测点一一对应；

步骤3、引爆炸药，记录起爆时刻及第一激光位移干涉仪与第二激光位移干涉仪的初始值；

实时记录爆炸过程中第一激光位移干涉仪测得的内层筒外壁面径向位移以及第二激光位移干涉仪测得的外层筒外壁面径向位移；

步骤4、根据起爆时刻、第一激光位移干涉仪与第二激光位移干涉仪的初始值及爆炸过程中的第一激光位移干涉仪与第二激光位移干涉仪的记录值，同时得到内层筒及外层筒的径向变形过程。

2.根据权利要求1所述的内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法，其特征在于：内层筒测点与内层筒外壁面之间的距离大于内层筒外壁面最大径向位移；

外层筒测点与外层筒外壁面之间的距离大于外层筒外壁面最大径向位移。

3.根据权利要求2所述的内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法，其特征在于：步骤2中，当包括多个内层筒测点时，多个内层筒测点依次均布在距外层筒设定距离的一半周面上；

将多个第一激光位移干涉仪同一时刻记录值的平均值作为此时刻内层筒外壁面径向位移值。

4.根据权利要求3所述的内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法，其特征在于：步骤2中，当包括多个外层筒测点时，多个外层筒测点依次位于与多个内层筒测点同一周面的另一半周面上；

将多个第二激光位移干涉仪同一时刻记录值的平均值作为此时刻外层筒外壁面径向位移值；

或外层筒测点与内层测点间隔设置。

5.根据权利要求1-4任一所述的内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量方法，其特征在于：所述内层筒测点与外层筒测点沿爆心环面设置。

6.一种内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量系统，其特征在于：包括沿径向开设在外层筒的至少一个通孔，设置在双层筒轴线上的爆炸物，起爆装置，至少一个第一激光位移干涉仪，至少一个第二激光位移干涉仪，至少一个第一信号记录设备及至少一个第二信号记录设备；其中通孔、第一激光位移干涉仪及第一信号记录设备的数量一一对应；

所述起爆装置的输出分别与爆炸物、第一信号记录设备及第二信号记录设备连接，用于使爆炸物起爆并输出触发信号至第一信号记录设备与第二信号记录设备；

所述第一激光位移干涉仪用于测量内层筒外壁面的径向位移，包括置于内层筒测点处的第一探头，所述内层筒测点位于所述通孔正上方设定距离处，与通孔一一对应；所述第二激光位移干涉仪用于测量外层筒外壁面的径向位移，包括置于外层筒测点处的第二探头，所述外层筒测点距外层筒外壁面具有设定距离，所述第二激光位移干涉仪与外层筒测点一一对应；所述第一信号记录设备用于记录第一激光位移干涉仪的输出；所述第二信号记录设备用于记录第二激光位移干涉仪的输出。

7.根据权利要求6所述的内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量系统，其特征在于：所述起爆装置包括起爆器、互感器及同步机；所述起爆器的输出端与互感器的输入端相连，所述互感器的两个输出端分别接爆炸物及同步机的输入端，所述同步机的输出端分别与第一信号记录设备及第二信号记录设备连接；所述起爆器起爆后，爆炸物起爆，同时通过与起爆器连接的互感器产生感生电信号给同步机，由同步机触发第一信号记录设备及第二信号记录设备。

8.根据权利要求7所述的内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量系统，其特征在于：所述第一信号记录设备及第二信号记录设备为示波器或多通道数据采集系统；所述的爆炸物为球形炸药或柱形炸药。

9.根据权利要求8所述的内部爆炸作用下双层筒变形的非接触测量系统，其特征在于：所述第一探头与内层筒外壁面之间的距离大于内层筒外壁面最大径向位移；所述第二探头与外层筒外壁面之间的距离大于外层筒外壁面最大径向位移。

10.根据权利要求9所述的内部爆炸作用下双层钢筒变形的非接触测量系统，其特征在于：还包括设置在外层筒外部的定位环，所述定位环与外层筒同轴；

所述第一探头依次固定在1/2定位环上，所述第二探头依次固定在另1/2定位环上；

或第一探头与第二探头间隔设置在定位环上。

Images