CN111504817A - 一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置及其测试方法，测试装置采用桁架式设计，将被试钢材制成特殊的空心梁结构，通过定位插槽对夹具位置进行调整以满足不同长度试验梁的试验条件，凹槽夹具的设计满足试验梁固支边界条件。爆炸载荷由悬吊于试验梁上方的爆源施加，通过多次试验找到试验梁破坏的临界药量，通过公式计算钢材动态断裂应变。本发明提供了一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置和方法，利用该装置和方法可以便捷、有效地测量爆炸载荷下钢材断裂应变。

Description

一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置及其测试方法，属于爆炸冲击毁伤评估领域。

背景技术

钢材动态断裂应变与静态断裂应变不同，爆炸载荷下结构的响应为高应变率问题，钢材断裂应变为动态断裂应变。对于在弯曲拉伸破坏下结构断裂应变的测试多采用三点弯曲试验进行测量，但其试验条件是在准静态加载下，并且预置初始结构裂口测试梁试件的结构断裂应变。爆炸冲击载荷与准静态加载有巨大差异，其作用时间短加载压力大，所引起的结构响应应变率高，结构中的应力状态更为复杂与简单的单轴拉伸试验或三点弯曲试验所得的钢材拉伸断裂试验应力状态不同，前者在冲击载荷作用下，在三向应力状态下结构中传播的应力波包含弯曲波，剪切波等，其结构响应更为复杂。因此传统的三点弯曲试验无法准确测得爆炸冲击下板架结构断裂应变。目前对于爆炸载荷下钢材动态断裂应变并无有效测量方法，需要设计能够实现这一目的的测试装置和方法。

发明内容

本发明针对上述国内技术空白领域，提出一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置和方法，并就试验装置配备安装进行说明。利用该装置和方法可以便捷、有效地测量爆炸载荷下钢材断裂应变。

本发明的目的是这样实现的：包括试验桁架、设置在试验桁架上端的药包悬挂杆、球形药包、设置在试验桁架中间位置间的夹具定位调整架、设置在夹具定位调整架上的可调位置的试验备试梁夹具、设置在试验备试梁夹具间的试验备试梁，球形药包通过细绳悬挂于药包悬挂杆上，所述试验备试梁为空心梁结构，其下端截面由被试钢材制作，其余三个截面由韧性大于被试钢材韧性的钢材制作。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.夹具定位调整架上设置有至少三组定位插槽，一对试验备试梁夹具通过定位螺栓设置在定位插槽中。

2.试验备试梁的两端部通过试验备试梁夹具的凹槽固定。

3.试验备试梁的长度大于其高度的5倍。

4.试验桁架的截面采用空心矩形梁设计，截面极限弯矩大于试验备试梁的5倍。

5.试验备试梁的侧面设置有抗冲击棉。

6.6.步骤如下：

步骤1：针对被测钢材，制造试验被试梁，被试梁为矩形空心截面梁，下端截面由被试钢材制作，其余三个截面由韧性更强的钢材制作，被试梁长度应大于高度的5倍；

步骤2：计算使得试验被试梁产生断裂的临界药量预估值；临界药量预估值通过如下公式计算：

式中：Q₀是预估临界药量，R是爆距，m为备试梁单位长度质量，M₀为极限弯矩，H为梁高，k为无量纲冲量因子，L为梁半长，λ为反射系数，ε₀为钢材静态断裂应变，h为备试梁高，τ为空气中冲击波正压作用时间；

步骤3：试验装置安装；

步骤4：调整药量进行多次试验，找到断裂临界状态，作为临界药量Q^*；

步骤5：通过以下公式计算钢材动态断裂应变：

式中：Q^*为试验所得临界药量，m为备试梁单位长度质量，M₀为极限弯矩，H为梁高，k为无量纲冲量因子，L为梁半长，λ为反射系数，ε^*为试验所得钢材断裂应变，h为备试梁高，τ为空气中冲击波正压作用时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置和方法，利用该装置和方法可以便捷、有效地测量爆炸载荷下钢材断裂应变。钢材动态断裂应变与静态断裂应变不同，对于静态断裂应变测量方法较为成熟，而对于爆炸载荷下动态断裂应变并无有效测量方法，本发明可填补此领域空白。

附图说明

图1是本发明的备试梁截面设计图；

图2是冲击载荷下梁变形模式图；

图3是爆炸载荷下钢材断裂应变试验装置的主视图；

图4是爆炸载荷下钢材断裂应变试验装置立体图；

图5是备试梁截面具体参数图；

图6是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置，主要包括以下部件：药包悬挂杆(1)，试验桁架(2)，球形药包(3)，试验备试梁夹具(4)，试验备试梁(5)，夹具定位调整架(6)；球形药包(3)通过细绳悬挂于杆上，通过调整细绳悬挂位置来调整爆源相对于试验备试梁(5)的相对位置；试验备试梁夹具(4)通过定位螺栓与定位调整架(6)固定连接，根据试验备试梁长度调整夹具位置；试验备试梁(5)左右固定端通过夹具凹槽固定。

桁架焊接节点需牢固焊接，质量要求按GB/T12469-90。

试验桁架(2)截面采用空心矩形梁设计，截面极限弯矩应大于试验梁5倍。

被试梁为特殊的空心梁结构，其下端截面由被试钢材制作，其余三个截面由韧性更强的钢材制作，被试梁长度应大于高度的5倍。

试验备试梁夹具(4)需根据备试梁截面进行设计，夹具凹槽与试验备试梁公差设计(100+5/-0)％。

为防止上方爆源绕射冲击波对梁侧面及背压面产生影响，在备试梁(5)侧面粘贴抗冲击棉。

夹具定位调整架(6)与桁架焊接固定，质量要求按GB/T12469-90。定位架与夹具采用双螺栓固定，定位架上根据试验需要设置15到20站定位插槽。

一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，针对被测钢材，制造被试梁，被试梁为矩形空心截面梁，下端截面由被试钢材制作，其余三个截面由韧性更强的钢材制作，被试梁长度应大于高度的5倍。

步骤2，计算使得被试梁产生断裂的临界药量预估值。临界药量预估值通过如下公式计算：

式中：m为备试梁单位长度质量，M₀为极限弯矩，H为梁高，k为无量纲冲量因子，L为梁半长，λ为反射系数，ε₀为钢材静态断裂应变，h为备试梁高，τ为空气中冲击波正压作用时间。

步骤3，根据权利要求1-7对测试设计备试梁钢材断裂应变的试验装置进行安装，包括梁固支端螺钉安装，试验桁架设计，近场药包悬吊方式以及抗冲击棉安装方式。

步骤4，调整药量进行多次试验，找到断裂临界状态，作为临界药量Q^*。所谓临界状态，即被试梁处于破坏边缘状态。在调整药量过程中，被试梁数量在10～30之间，通过二分法找到其破坏临界药量。即如果第n次实验药量Q_n使得梁破坏，而第n+1次实验药量Q_n+1使得梁未破坏，则第n+2次实验药量为(Q_n+Q_n+1)/2，直至|(Q_n+2-Q_n+1)/Q_n+1|＜0.05，实验结束，Q_n+2即为临界药量Q^*。通过二分法可以快速找到临界药量Q^*。

步骤5，通过以下公式计算钢材动态断裂应变：

式中：Q^*为试验所得临界药量，m为备试梁单位长度质量，M₀为极限弯矩，H为梁高，k为无量纲冲量因子，L为梁半长，λ为反射系数，ε^*为试验所得钢材断裂应变，h为备试梁高，τ为空气中冲击波正压作用时间。

上述方案中，步骤1中所述的备试梁设计采用如图1所示截面设计，由于在爆炸冲击载荷下受冲击面所受的冲击载荷会引起局部塑性变形，因此在备试梁设计中采用分层式设计，即下板部分为钢材应变待测试板，其余部分采用高韧性钢材，连接部分采用抗剪切设计，即进行焊接连接。这样的设计，可以保证下板部分被试钢材处于拉伸应力状态，且早于其它部分断裂。为满足细长梁条件，备试梁长度应满足大于梁高5倍。

上述方案中，公式和按以下步骤推导所得：

为测量冲击载荷作用下的钢材弯曲拉伸断裂应变，设计方案如图2所示。设计固支梁在爆距R的爆源爆炸冲击载荷下的变形模式为中点在大挠度弯曲变形下发生拉伸断裂。

其中W_f为固支梁中点位移，根据结构冲击理论有

初始冲击波阵面上各点冲量

式中Q为TNT装药量，R为冲击波阵面半径，λ为空气冲击波在受冲击面上的反射系数。

式中P_s为冲击波超压，由亨利奇公式到得到，单位为MPa

式中，P_s为最大超压，单位MPa；

为比例距离；R为测点至爆炸中心的距离，单位m；Q为药量，单位为kg。

空气中冲击波正压作用时间τ，可用下式计算

引入无量纲冲量因子k，以表征梁上各点冲量与初始冲击波阵面上各点冲量的相对大小。

式中

将I＝kI₀带入式得梁中点最大位移为：

进一步可得临界冲击角

梁截面横向位移大于梁高H的部分进入塑性状态，则塑性区长度为：

l＝(W_f-H)tanφ (14)

将式带入式可得预估临界药量Q₀、爆距R与钢材断裂应变ε₀的关系式，即公式：

式中：m为备试梁单位长度质量，M₀为极限弯矩，H为梁高，k为无量纲冲量因子，L为梁半长，λ为反射系数，ε₀为钢材断裂应变，h为备试梁高，τ为空气中冲击波正压作用时间。

通过对公式进行变换即得到：

上述方案中，步骤3中所述的试验装置安装如图3所示，主要包括以下部件1.桁架焊接节点，2.试验桁架，3.球形药包所需药量通过式进行预估选取，4.试验备试梁夹具，5.试验备试梁，6.夹具定位调整架。

各部件选取要求1.桁架焊接节点需牢固焊接，质量要求按GB/T12469-90。2.试验桁架截面采用空心矩形梁设计，截面极限弯矩应大于试验梁5倍。3.球形药包通过细绳悬挂于试验备试梁上方，所需药量及爆距满足式，4.试验备试梁夹具需根据备试梁截面进行设计，夹具凹槽与试验备试梁公差设计(100+5/-0)％，5.按步骤3所示要求制作所得备试梁，为防止上方爆源绕射冲击波对梁侧面及背压面产生影响，在备试梁侧面粘贴抗冲击棉，6.夹具定位调整架与桁架焊接固定，质量要求按GB/T12469-90。定位架与夹具采用双螺栓固定，定位架上根据试验需要设置15到20站定位插槽。

上述方案中，步骤4中调整药量进行多次试验，找到断裂临界状态，作为临界药量Q^*。所谓临界状态，即被试梁处于破坏边缘状态。在调整药量过程中，被试梁数量在10～30之间，从初始药量Q₀开始，通过二分法找到其破坏临界药量。即如果第n次实验药量Q_n使得梁破坏，而第n+1次实验药量Q_n+1使得梁未破坏，则第n+2次实验药量为(Q_n+Q_n+1)/2，直至|(Q_n+2-Q_n+1)/Q_n+1|＜0.05，实验结束，Q_n+2即为临界药量Q^*。通过二分法可以快速找到临界药量Q^*。

以921A钢为例，说明其爆炸载荷下断裂应变的测试装置和方法，具体步骤如下：

步骤1，备试梁的钢材为921A钢材，已有钢材属性如表1所示。

表1钢材特性

针对被测钢材，制造被试梁，被试梁为矩形空心截面梁，下端截面由被试钢材制作，其余三个截面由韧性更强的钢材制作，被试梁长度应大于高度的5倍。被试梁采用如图5所示截面设计，梁长设计为0.6m。

下端4mm厚部分采用脆性钢材921A，其余部分采用韧性高的Q235钢材。备试梁截面所得的极限弯矩为3403.74Nm。

步骤2，计算使得被试梁产生断裂的临界药量预估值。利用公式计算实验临界药量。设计试验工况爆距为50mm，根据式所得预估临界药量Q₀为48g。

式中：m为备试梁单位长度质量为4.710kg，M₀为极限弯矩为23307Nm，H为梁高为0.004m，k为无量纲冲量因子为0.234，L为梁半长为0.300m，λ为反射系数为7.921，ε₀为钢材断裂应变，h为备试梁高为0.038，τ为空气中冲击波正压作用时间为0.335ms，其中断裂应变ε₀用静态断裂应变代替为0.1，计算得到Q₀为0.048Kg。

步骤3，按本发明要求对测试设计备试梁钢材断裂应变的试验装置进行设计，包括以下部件1.桁架焊接节点，2.试验桁架，3.球形药包所需药量通过式进行预估选取，4.试验备试梁夹具，5.试验备试梁，6.夹具定位调整架。

各部件选取要求1.药包悬挂杆与桁架焊接节点需牢固焊接，质量要求按GB/T12469-90。2.试验桁架截面采用空心矩形梁设计，截面极限弯矩应大于试验梁5倍，3.球形药包通过细绳悬挂于试验备试梁上方，所需药量及爆距满足式，4.试验备试梁夹具需根据备试梁截面进行设计，夹具凹槽与试验备试梁公差设计(100+5/-0)％，5.按步骤2所示要求制作所得备试梁，为防止上方爆源绕射冲击波对梁侧面及背压面产生影响，在备试梁侧面粘贴抗冲击棉，6.夹具定位调整架与桁架焊接固定，质量要求按GB/T12469-90。定位架与夹具采用双螺栓固定，定位架上根据试验需要设置15到20站定位插槽。

步骤4，调整药量进行多次试验，找到断裂临界状态，作为临界药量Q^*。所谓临界状态，即被试梁处于破坏边缘状态。在调整药量过程中，被试梁数量在10～30之间，从初始药量Q₀开始，通过二分法找到其破坏临界药量。即如果第n次实验药量Q_n使得梁破坏，而第n+1次实验药量Q_n+1使得梁未破坏，则第n+2次实验药量为(Q_n+Q_n+1)/2，直至|(Q_n+2-Q_n+1)/Q_n+1|＜0.05，实验结束，Q_n+2即为临界药量Q^*。通过二分法可以快速找到临界药量Q^*。

步骤6，根据式计算钢材动态断裂应变ε^*，得到爆炸载荷下钢材断裂应变。

综上，钢材动态断裂应变与静态断裂应变不同，爆炸载荷下结构的响应为高应变率问题，钢材断裂应变为动态断裂应变。对于静态断裂应变测量方法较为成熟，如弯曲拉伸破坏断裂应变测试的三点弯曲试验。而对于爆炸载荷下动态断裂应变并无有效测量方法。本发明公开一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置和方法。测试装置采用桁架式设计，将被试钢材制成特殊的空心梁结构，通过定位插槽对夹具位置进行调整以满足不同长度试验梁的试验条件，凹槽夹具的设计满足试验梁固支边界条件。爆炸载荷由悬吊于试验梁上方的爆源施加，通过多次试验找到试验梁破坏的临界药量，通过公式计算钢材动态断裂应变。本发明提供了一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置和方法，利用该装置和方法可以便捷、有效地测量爆炸载荷下钢材断裂应变。

Claims (7)

1.一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置，其特征在于：包括试验桁架、设置在试验桁架上端的药包悬挂杆、球形药包、设置在试验桁架中间位置间的夹具定位调整架、设置在夹具定位调整架上的可调位置的试验备试梁夹具、设置在试验备试梁夹具间的试验备试梁，球形药包通过细绳悬挂于药包悬挂杆上，所述试验备试梁为空心梁结构，其下端截面由被试钢材制作，其余三个截面由韧性大于被试钢材韧性的钢材制作。

2.根据权利要求1所述的一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置，其特征在于：夹具定位调整架上设置有至少三组定位插槽，一对试验备试梁夹具通过定位螺栓设置在定位插槽中。

3.根据权利要求1所述的一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置，其特征在于：试验备试梁的两端部通过试验备试梁夹具的凹槽固定。

4.根据权利要求1所述的一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置，其特征在于：试验备试梁的长度大于其高度的5倍。

5.根据权利要求1所述的一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置，其特征在于：试验桁架的截面采用空心矩形梁设计，截面极限弯矩大于试验备试梁的5倍。

6.根据权利要求1所述的一种爆炸载荷下钢材断裂应变测试装置，其特征在于：试验备试梁的侧面设置有抗冲击棉。

7.一种应用权利要求1至6任意一爆炸载荷下钢材断裂应变的测试装置的测试方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：针对被测钢材，制造试验被试梁，被试梁为矩形空心截面梁，下端截面由被试钢材制作，其余三个截面由韧性更强的钢材制作，被试梁长度应大于高度的5倍；

步骤2：计算使得试验被试梁产生断裂的临界药量预估值；临界药量预估值通过如下公式计算：

式中：Q₀是预估临界药量，R是爆距，m为备试梁单位长度质量，M₀为极限弯矩，H为梁高，k为无量纲冲量因子，L为梁半长，λ为反射系数，ε₀为钢材静态断裂应变，h为备试梁高，τ为空气中冲击波正压作用时间；

步骤3：试验装置安装；

步骤4：调整药量进行多次试验，找到断裂临界状态，作为临界药量Q^*；

步骤5：通过以下公式计算钢材动态断裂应变：

式中：Q^*为试验所得临界药量，m为备试梁单位长度质量，M₀为极限弯矩，H为梁高，k为无量纲冲量因子，L为梁半长，λ为反射系数，ε^*为试验所得钢材断裂应变，h为备试梁高，τ为空气中冲击波正压作用时间。

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