CN114454240B - 一种激波管膜片的划刻装置及划刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激波管膜片的划刻装置及划刻方法，划刻装置包括底板、设置在底板上的压板、设置在压板上的夹具和电机，所述压板上设置有通槽，所述夹具设置在通槽内，夹具通过丝杠与电机连接，在电机的作用下夹具沿着通槽移动，所述夹具顶端设置有托盘，所述夹具低端设置有笔尖，笔尖能够在底板平面上滑动。本发明根据金属材料的塑性理论，对金属材料的物理量进行量纲分析，建立数学模型，根据无量纲分析结果得出载荷、材料特性、划刻笔尖尺寸、划刻深度之间存在明确的比例关系，为制定规范化的激波管膜片划刻方法提供了理论依据。

Description

一种激波管膜片的划刻装置及划刻方法

技术领域

本发明涉及试验流体力学领域，具体涉及一种激波管膜片的划刻装置及划刻方法。

背景技术

激波管是一种基于气体动力学原理的试验设备，用于研究瞬时气体冲击载荷作用下的物理、化学过程，广泛应用于流体力学、核爆炸、喷气推进技术、分子物理学、光谱学、天体物理等多个学科。激波管本质是为了模仿爆轰物剧烈变化引起的空气压力波。通常激波管是个中空的等直管，一端封闭或者全封闭结构。这根管子通过膜片分成低压和高压两个腔室，使用时两个不同空间充了不同量的气体产生了不同压力。利用两个腔体的压力差将膜片压破，高压腔体中的气体将被推向低压腔体，腔体气体就会在激波管中单方向流动，就会产生在高压腔体的稀疏波和在低压腔体中的激波。通常利用低压腔内的运动激波来模拟爆炸等物理现象中的冲击波现象。

激波管中高低压腔室的分割膜片是激波管中重要的耗材部件，当膜片瞬时破裂时高压气流涌向下游，形成激波阵面向低压腔室内运动。该激波阵面特性与膜片力学性能和瞬时破裂过程密切相关，因此膜片力学参数其破膜过程决定了激波阵面优劣。激波管膜片材料形式多种多样，有金属的、聚酯薄膜，厚度也根据需求有所不同。

对于强激波而言会采用比较厚的金属板（有的厚度达到了1～2mm），并采用机加工的方式在膜片上加工沟槽来有效控制膜片的破膜压力，从而得到确定的激波强度。对与激波强度不高，通常则采用金属薄膜作为分割膜，以铝膜为例，此种厚度一般为0.01mm～0.1mm，此时铝膜的厚度很薄，机加工的方式无法加工沟槽，只能采用物理划刻的方法来人工处理。人工划刻时划痕的深度、宽度等多个力学参数不确定，使得激波的破膜压力不确定，使得激波强度也难以确定。

发明内容

本发明的目的提供一种划刻装置及划刻方法，实现多膜片的标准化操作，去除人工划刻带来的不确定因素。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激波管膜片的划刻装置，包括底板、设置在底板上的压板、设置在压板上的夹具和电机，

所述压板上设置有通槽，所述夹具设置在通槽内，夹具通过丝杠与电机连接，在电机的作用下夹具沿着通槽移动，

所述夹具顶端设置有托盘，所述夹具底端设置有笔尖，笔尖能够在底板平面上滑动。

在上述技术方案中，所述底板为圆形转盘，所述压板为圆形结构，所述压板能够在底板上转动。

在上述技术方案中，所述底板上沿着圆周方向设置有刻度尺，压板沿着刻度尺转动调整角度。

在上述技术方案中，所述通槽沿着压板的直径设置。

在上述技术方案中，在压板上电机设置在通槽的端部。

一种激波管膜片的划刻装置的划刻方法，包括以下步骤：

S1：确定试验需要的激波管膜片材料，以及通过试验需求确定要在激波管膜片上进行划刻的深度，并根据划刻深度确定笔尖的半径；

S2：根据激波管膜片材料的密度、屈服强度和厚度计算划刻过程中需要施加的作用力，并给装置施加相应的载荷；

S3：根据步骤一和步骤二中的需求确定划刻的速度；

S4：启动电机，沿着一个方向带动笔尖在激波管膜片上进行划刻，划刻完毕停止电机；

S5：转动压板改变划刻方向，重复S4。

在上述技术方案中，划刻过程中涉及的物理参数根据量纲理论满足下述关系式：

其中：H为划刻深度，R为笔尖的曲率半径，t为激波管膜片厚度，σ为激波管膜片的屈服强度，ρ为激波管膜片的密度，N为施加的载荷，V为划刻的速度。

在上述技术方案中，所述激波管膜片材料中各个位置对应的密度、屈服强度和厚度为恒定的，划刻出的深度是恒定的。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明根据金属材料的塑性理论，对金属材料的物理量进行量纲分析，建立数学模型，根据无量纲分析结果得出载荷、材料特性、划刻笔尖尺寸、划刻深度之间存在明确的比例关系，为制定规范化的激波管膜片划刻方法提供了理论依据，根基模型以及材料和制备工艺的国家标准设计出划刻装置，实现针对激波管金属膜划刻制备的标准化方法，通过本发明制得的激波管膜片的划刻深度是恒定的，其实验中的磨破过程也会规范而标准，从而提高激波管试验精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是划痕过程示意图；

其中：1是底板，2是压板，3是夹具，4是托盘，5是笔尖，6是电机，7是丝杠。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1 所示，是本实施例的结构示意图，包括有底板1、压板2、夹具3、托盘4、笔尖5、电机6和丝杠7，其中：

底板1用于起到支撑作用，用于放置膜片和固定压板2，激波管膜片被固定在压板2与底板1之间，压板2与底板1通过连接件进行固定。

压板2上设置有一个通槽，最优的设计为沿着压板的直径设置通槽，在通槽内设置有夹具3，夹具3的一端固定有笔尖5，笔尖5与激波管膜片表面接触，在夹具3的顶端连接有托盘4，托盘4、夹具、笔尖5相互固定为一个整体结构。通过在托盘4中放置砝码，可以对笔尖5的端部施加载荷，从而形成笔尖5对膜片表面的压力。

在压板2上设置有电机6，电机6与夹具3通过丝杠7连接，在电机6的作用下，丝杠7带动夹具3沿着压板2上的通槽移动，而笔尖5在移动过程中在激波管膜片上进行划刻，通槽可以确保整个划刻过程中不出现位置偏移，确保划刻的直线度。

在本实施例中，根据金属材料的塑性理论可知，划刻过程取决于材料属性、接触的法向力、划刻笔尖硬度、笔尖半径，划刻速度等参数，如图2所示。据此，这里假定金属膜片的屈服强度为，密度为，划刻笔尖的曲率半径为R，划刻笔尖以N的法向力作用在厚度为t的金属膜上，划刻运动速度为V，在金属膜上留下的划刻深度为H的划痕。这里认为划刻笔尖材料的弹性模量为无穷大，即忽略笔尖的变形。对这些物理量进行量纲分析，如表1：

表1 划痕过程涉及的物理参数及量纲

根据量纲理论，可以建立如下的相似关系式：

根据无量纲分析结果可以看出载荷、材料特性、划刻笔尖尺寸、划刻深度之间存在明确的比例关系。对于激波管中使用的膜片而言，要求划刻深度尽量均匀，这样激波管试验中破膜压力可以较好的确定，同时破膜过程也比较规则使得激波阵面质量较好。对于激波管试验中使用的金属膜而言，其材料和制备工艺符合国家标准，膜片各处的材料性能都是均匀的，即其厚度、密度、屈服强度都是均匀的。为了划刻出深度均匀的激波管膜片，本实施例基于上述原理制定了针对激波管金属膜划刻制备的标准化方法：

S1：确定试验需要的膜片材料，以及通过试验需求确定要在膜片上进行划刻的深度，并根据划刻深度确定笔尖的半径；

采用标准化的金属膜材料，则其密度ρ和屈服强度σ是确定的，其厚度t符合国家标准，如符合GB/T3880.1-2012的1060纯铝带，其厚度通常有0.1mm，0.08mm，0.05mm，0.02mm，0.01mm等标准；

采用标准化的划刻笔尖，这里采用符合国家标准或行业标准的圆珠笔，其笔尖是不锈钢球头，直径R有1.0, 0.7, 0.6, 0.5mm等标准（见国家标准GB/T 4306-1992）。

S2：根据膜片材料的密度、屈服强度和厚度计算划刻过程中需要施加的作用力，并给装置施加相应的载荷；

载荷通过砝码实现法向力的标准加载N，其与载荷产生的重力N直接通过笔尖顶部的圆头作用于膜片上；笔尖用于传递载荷，并直接作用于膜片上，在步进电机带动下，在膜片上划出特定载荷作用下的划痕。

S3：根据步骤一和步骤二中的需求确定划刻的速度；

S4：启动电机，沿着一个方向带动笔尖在膜片上进行划刻，划刻完毕停止电机；

采用电脑控制的步进电机控制笔尖的划刻速度，电脑负责控制步进电机的启/停，改变电机的速度、从而改变划刻速度。

S5：转动压板改变划刻方向，重复S4。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种激波管膜片的划刻装置，其特征在于包括底板、设置在底板上的压板、设置在压板上的夹具和电机，所述压板上设置有通槽，所述夹具设置在通槽内，夹具通过丝杠与电机连接，在电机的作用下夹具沿着通槽移动，所述夹具顶端设置有托盘，所述夹具底端设置有笔尖，笔尖能够在底板平面上滑动；

利用该装置进行划刻，包括以下步骤：

S1：确定试验需要的膜片材料，以及通过试验需求确定要在激波管膜片上进行划刻的深度，并根据划刻深度确定笔尖的半径；

S2：根据激波管膜片材料的密度、屈服强度和厚度计算划刻过程中需要施加的作用力，并给装置施加相应的载荷；

S3：根据S1和S2中的需求确定划刻的速度，划刻过程中涉及的物理参数根据量纲理论满足下述关系式：

其中：H为划刻深度，R为笔尖的曲率半径，t为激波管膜片厚度，σ为激波管膜片的屈服强度，ρ为激波管膜片的密度，N为施加的载荷，V为划刻的速度；

S4：启动电机，沿着一个方向带动笔尖在激波管膜片上进行划刻，划刻完毕停止电机；

S5：转动压板改变划刻方向，重复S4。

2.根据权利要求1所述的一种激波管膜片的划刻装置，其特征在于所述底板为圆形转盘，所述压板为圆形结构，所述压板能够在底板上转动。

3.根据权利要求2所述的一种激波管膜片的划刻装置，其特征在于所述底板上沿着圆周方向设置有刻度尺，压板沿着刻度尺转动调整角度。

4.根据权利要求1所述的一种激波管膜片的划刻装置，其特征在于所述通槽沿着压板的直径设置。

5.根据权利要求4所述的一种激波管膜片的划刻装置，其特征在于在压板上电机设置在通槽的端部。

6.根据权利要求1所述的一种激波管膜片的划刻装置，其特征在于所述激波管膜片材料中各个位置对应的密度、屈服强度和厚度为恒定的，划刻出的深度是恒定的。

Images