CN114720309A - 一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置及方法，目的是实现对爆炸场冲击波做功及热效应的耦合测量。本发明测量装置由薄壁金属管、形状记忆合金弹簧、底座、支撑板、2个套筒组成，薄壁金属管和单程形状记忆合金弹簧为核心感受元件，利用薄壁金属管压缩变形特性将冲击波做功能力定量转化为薄壁管变形量、利用形状记忆合金弹簧热变形特性将热效应中的热剂量参数定量转化为弹簧变形量，实现对爆炸场冲击波做功及热效应的耦合快速定量测量。单程形状记忆合金弹簧受热变形后结构稳定，可重复利用。本发明装置结构简单、无需供电、布设使用方便、使用成本低且可重复使用，测量方法简单、不受电磁干扰，精确。
Description
技术领域
本发明属于能量检测领域和热检测领域，涉及一种物体目标在爆炸冲击波压力场和温度场中能量测量和热量测量一体化装置，更具体的，涉及一种利用形状记忆合金和薄壁金属管对物体目标在爆炸产生的冲击波做功和瞬态温度场热效应同时进行检测的测量装置及方法。
背景技术
当炸药在空气中爆炸时，瞬间产生高温、高压、高速的爆炸产物，进而剧烈压缩相邻的空气介质，使其压力、密度和温度阶跃式地升高，形成空气冲击波，并向外传播。空气冲击波是弹药爆炸对人员、设备和防护结构产生损伤和破坏效应的主要因素之一，因此准确测量空气冲击波的做功能力，对于评价炸药的性能、改进配方设计等均具有重要意义。目前，国内外针对凝聚相炸药毁伤效应研究的重点是冲击波毁伤效应以及驱动破片产生的损伤，而实际上爆炸产生的热效应也是重要的毁伤元素，目前对高能凝聚相炸药爆炸后产生的热毁伤作用的研究较少。现有传感器主要是分开测量压力场和温度场，尚无能够同时测量温度场参数和压力场参数的测量装置；且现有压力场传感器主要是电学传感器和等效靶板；温度场传感器主要是电学传感器，此类传感器具有易受冲击波损坏、测温系统布设复杂、受环境条件影响(例如光源、空气密度、地形等环境条件)等缺点。
冲击波压力场做功能力可以更好的表征冲击波破坏效果。目前，测试爆炸冲击波做功能力，主要有两种测量方法：有源测量和无源测量。有源测量首选方法是电测法，利用电学传感器对冲击波压力曲线进行测量，再计算分析给出其对目标的做功能力。但由于爆炸产生的冲击波在空气中衰减非常快，尤其是对于小药量爆炸来说，冲击波的有效作用范围会更小，即使采用高灵敏度的电测传感器也很难准确测试得到比较理想的压力曲线，且很容易受到爆炸产生的电磁波的干扰。同时，对于小药量爆炸来说，电测传感器需要固定安装在距离爆点很近的位置处才可能测试得到信号，此时传感器本身以及安装工装会对压力的测试产生一定的影响，导致测试结果不能完全准确反应冲击波的对外做功能力，且信号数据后处理较为复杂。
无源测量的代表方法有等效靶板法，即直接利用各种效应物(包括建筑物、装备、梁/板构件、动物等)放置于爆炸场中进行等效测量，通过观测效应物的变形、破坏情况，来评估弹药爆炸毁伤威力。例如，等效靶板法是通过测量靶板在爆炸试验后的变形或破坏程度来反推计算相应的超压和比冲量值，进而评价炸药的做功能力。但对于小药量爆炸来说，冲击波做功能力很有限，因此等效靶的变形可能很小，同时爆炸加载结束后会存在一定的回弹，这些都会导致测量结果的定量性较差。
现有热效应毁伤准则有热通量准则、热剂量准则以及热通量-热剂量准则，由于爆炸瞬态温度场热效应作用时间短，因此采用热剂量准则进行热效应毁伤评估更为合理。
目前，爆炸温度场热剂量测量装置主要为电学传感器，包括光纤测温传感器、荧光测温传感器、热电偶测温传感器等，具有易受冲击波损坏、测温系统布设复杂、受环境条件影响(例如光源、空气密度等环境条件)等缺点。
对应于现有热剂量测温装置，爆炸温度场热剂量测试方法主要为电学传感器对温度场参数进行测量，再计算分析得到爆炸温度场特点，按照传感器与温度场接触特点，电学传感器测温方法分为两种：接触测温法和非接触测温法。
接触测温法是指利用热电偶进行测温，热电偶测温过程中，需要传感器直接接触目标，传感器产生热传导，根据热力学平衡定律，冷端和热端达到平衡时，检测元件输出电信号。接触法测温方法主要运用的是热传导和热交换，由热力学第一定律得到，达到热平衡时检测元件的温度就可以看作被测介质的温度。由于需要接触待测物体，在瞬变高温测试中，热电偶易受电磁干扰，且对于爆炸温度场，热电偶还无法实现抗冲击波破坏。
非接触测温法方法主要为红外辐射测温，根据红外辐射基本定律的原理对温度进行测量。爆炸产生的火球向四周发射的红外辐射携带温度信息，与火球表面自身的温度存在着精确的定量关系，可通过红外辐射基本定律推导。通过测量火球发射的红外辐射能量，能够准确计算出火球的实际温度及其温度场分布，从而进一步分析其热毁伤效应。但是测量结果受被测目标发射率影响而无法测得真实温度，而且无法测量高温空气等透明物体，且存在测量系统建设成本高、需要使用光源进行主动测量，这样会增加测试复杂程度，且对环境条件要求高。
综上所述，现有测量方法至少存在如下技术问题：
1.现有压力电测传感器测量冲击波做功能力存在灵敏度响应不够、易受电磁波干扰、传感器本身和安装过程影响测试结果准确性等难题。
2.传统等效靶板法由于安装固定约束不够、非平面入射及回弹、碰撞等因素的影响，导致与理想条件下标定值有差异。因此对冲击波做功能力的测量精度不够；且由于其尺寸通常比电测传感器大得多，因此在安装实施方面存在一定难度。
3.接触测温法中现有电测传感器法存在易受干扰、测试系统成本高、测量后处理程序繁琐、安装过程和传感器自身影响测试结果等难题。
4.非接触测温法中受环境、待测目标发射率影响较大，且存在测量系统建设成本高、需要使用光源进行主动测量(增加测试复杂程度和环境条件)。
5.现有压力传感器大多采用电学传感器，而温度传感器大多采用热电偶，此两类传感器尺寸小，不易于同时耦合，且都具有电学传感器的应用局限性。
6.若要同时实现爆炸冲击波做功能力和热效应测量，目前常用方法是同时布设压力传感器和温度传感器，但由于爆炸热效应范围小于冲击波作用范围，因此压力传感器和温度传感器应用场景和设计规范差异性较大，同时布设压力传感器和温度传感器会导致测试成本增加、测试结果匹配性较差、增加测试难度。
相对于通常的平板型等效靶，薄壁金属管类效应物具有尺寸小、灵敏度高、布设简单、测量简单等优点，且关于薄壁金属管冲击变形的相关文献较为成熟，有充实的理论基础。
形状记忆合金是一种具有超弹性、高阻尼特性、线电阻特性(形状记忆合金电阻和温度呈线性关系)的新型材料，其弹性模量与温度变化呈现正相关性质。按其加热变形特征，形状记忆合金可分为三类：(1)单程记忆合金。指合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前形状。这种只在加热过程中存在记忆效应的合金称为单程记忆合金。(2)双程记忆合金。指合金在加热时恢复高温相形状，冷却时又恢复低温相形状，称为双程记忆合金。(3)全程记忆合金。合金在加热时恢复高温相形状，冷却时变成形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆合金。
单程形状记忆合金弹簧在温度场中响应速度快，受热变形与温度变化具有定量关系，设计不同材料成分，不同奥氏体温度、不同弹簧尺寸可以得到多种温度-形变曲线，以便于制作不同量程、不同灵敏度系数的记忆合金热通量传感器。形状记忆合金弹簧由单程形状记忆合金丝制作而成，因此两者具有相同的热变形情况。根据已有文献数据，形状记忆合金弹簧变形与温度存在定量关系，并根据热剂量与温度之间的函数关系反推得到热效应参数热剂量。
但目前单程形状记忆合金弹簧主要用于温度阈值控制，还未见将单程形状记忆合金弹簧用于测量爆炸场冲击波做功能力或爆炸场冲击波热效应的技术方案的公开报导，更未见将单程形状记忆合金弹簧用于爆炸场冲击波做功能力和热效应耦合测量的技术方案的公开报导，如何实现对爆炸场冲击波做功及热效应的耦合测量是困扰本领域技术人员的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够实现压力场做功能力和温度场热剂量同时测量的装置及测量方法，该测量装置基于薄壁管抗压变形特性和记忆合金热变形特性，结构简单、成本低且核心元件可重复使用、抗电磁干扰能力强、结果后处理方便、可用于不同地域条件下的压力场、温度场快速测量，为压力场做功能力、温度场热剂量快速定量测量提供一种新的参考选择；采用该测量装置可实现对爆炸场冲击波做功及热效应的耦合测量，解决现有测量方法中存在的易受电磁干扰、测试精度不足等缺点。
技术方案是：结合爆炸冲击波作用和热效应特点，本发明测量装置采用薄壁金属管和单程形状记忆合金弹簧作为核心感受元件，利用薄壁金属管压缩变形特性将冲击波做功能力定量转化为薄壁管变形量、利用形状记忆合金弹簧热变形特性将热效应中的热剂量参数定量转化为弹簧变形量。从而实现对爆炸热效应的快速定量测量。此外，单程形状记忆合金弹簧受热变形后结构稳定，爆炸温度场消散后不会回弹，便于测定变形长度，且可重复性利用，节约试验成本，非常适用于需要回收的测量爆炸温度场特性的无源传感器。
本发明测量装置由薄壁金属管、形状记忆合金弹簧、底座、支撑板、2个套筒组成。形状记忆合金弹簧采用单程形状记忆合金制备，沿薄壁金属管轴线OO*方向放置于薄壁金属管内部，形状记忆合金弹簧与薄壁金属管同轴。测量装置放置于爆炸场中某一位置，薄壁金属管中心与爆炸中心位置距离为L，可调整L大小实现测量装置对爆炸场中不同位置热剂量和做功能力的快速定量测量。
薄壁金属管形状为圆筒型，无端面，用于装载形状记忆合金弹簧并将冲击波压力场做功性能转化为金属管变形量，可以通过改变侧壁厚度t1调整测温灵敏度。薄壁金属管外直径D1满足5mm≤D1≤50mm，壁厚t1满足0.5mm≤t1≤5mm，内直径d1满足d1＝D1-2×t1，长度L1满足50mm≤L1≤500mm。薄壁金属管采用导热性良好的金属材料制成，要求材料满足：屈服强度σ1>100MPa，密度ρ1>1g/cm3，导热系数λ1≥300W/m·K，通过改变导热系数λ1实现本发明装置测温灵敏度调整，增大导热系数λ1可提高测温灵敏度。基本原则是在爆炸冲击波作用下既能发生比较明显的塑性变形，又能保持形状完好，以定量表征冲击波做功能力；薄壁金属管具有较好的导热性能，用于吸收爆炸冲击波作功并将爆炸温度场热流传递至形状记忆合金弹簧。
形状记忆合金弹簧采用单程记忆合金丝制备，用于将温度场参数转换为弹簧形变位移量，形状记忆合金弹簧直径D2满足d1-D2≤0.01mm，长度L2满足L2＝L1，马氏体相变温度TM满足40℃≤TM≤200℃。制备形状记忆合金弹簧的单程记忆合金丝的丝径d2满足0.1mm≤d2≤2.0mm；单程记忆合金丝采用镍钛合金制作，要求在热效应作用下形状记忆合金弹簧可以产生较为明显的收缩变形，形状记忆合金弹簧的几何参数直径D2、丝径d2以及热学参数马氏体相变温度TM影响装置热剂量测量量程，增大直径D2、丝径d2以及热学参数马氏体相变温度TM可以有效提高装置热剂量测量量程。形状记忆合金弹簧放置于薄壁金属管中，形状记忆合金弹簧伸缩方向和薄壁金属管长度方向一致。
底座采用高强度金属制成，用于支撑测量装置整体结构，整体形状为方块状。底座通过螺栓将装置整体与外部环境进行连接。底座为轴对称结构，按照轴线O3O3 *分为上底座和下底座，上底座和下底座形状、结构均相同。上底座通过上端面与上支撑板连接，下底座通过下端面与下支撑板连接。上底座和下底座接触部位通过螺栓相连，上底座的长度L31满足25mm≤L31≤250mm，下底座的长度L32＝L31；上底座的宽度W31满足50mm≤W31≤100mm，下底座的宽度W32＝W31；上底座的厚度t31满足5mm≤t31≤15mm，下底座的厚度t32＝t31。底座采用高强度金属，要求材料满足：屈服强度σ3>150MPa，密度ρ3>3g/cm3，导热系数λ3≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对装置整体结构起到保护和固定作用。
螺栓用于连接上底座和下底座，并且整体测量装置通过螺栓固定安装在实验环境中。螺栓按照对称轴O3O3 *分为上螺栓和下螺栓，上螺栓与上底座的外表面(远离薄壁金属管的表面)焊接固定，下螺栓与下底座的外表面(远离薄壁金属管的表面)焊接固定，螺栓与底座相连的端面中心与底座几何中心重合。上螺栓长度L41满足20mm≤L41≤30mm，下螺栓长度L42＝L41；上螺栓直径D41满足6mm≤D41≤16mm，下螺栓直径D42＝D41；螺栓采用高强度金属制备，要求材料满足：屈服强度σ4>150MPa，密度ρ4>3g/cm3，导热系数λ4≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对底座进行连接固定，并作为测量装置的安装端口。
支撑板按照轴线O3O3 *分为上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板形状、结构、材料完全相同。上支撑板的一个端面固定在上底座的内表面(靠近薄壁金属管的表面)上，下支撑板的一个端面固定在下底座的内表面(靠近薄壁金属管的表面)上，上支撑板和下支撑板用于夹紧薄壁金属管。上支撑板形状为等腰梯形与半圆形的组合，上支撑板梯形下底部分与上底座的上端内表面垂直连接，半圆形部分与上套筒的上端面刚性连接；下支撑板形状为等腰梯形与半圆形组合，下支撑板梯形下底部分与下底座的下端内表面垂直连接，半圆形部分与下套筒的下端面刚性连接。上支撑板形状上由上等腰梯形板和上半圆形板组成(可以整体加工)，上等腰梯形板结构几何尺寸为：下底长W5111满足W5111＝W31，上底长W5112满足W5112＝0.7×W5111，高度H511满足H5111＝1.2W5111，厚度t511满足t511＝t31；上半圆形板几何尺寸为：直径D512满足D512＝W5112，半圆形板厚度t512和等腰梯形板厚度t511保持一致。支撑板采用高强度金属，要求材料满足：屈服强度σ5>150MPa，密度ρ5>3g/cm3，导热系数λ5≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对薄壁金属管起到保护和固定作用。
套筒用于夹紧固定薄壁金属管，为圆筒状，按照轴线O3O3 *分为上套筒和下套筒，薄壁金属管两端分别同轴放置于上套筒和下套筒中，薄壁金属管上端与上套筒连接，薄壁金属管下端与下套筒连接；上套筒和下套筒形状、结构、材料完全相同。上套筒上端与上支撑板上半圆形板相连，两者可以整体加工；下套筒下端与下支撑板半圆形板相连，两者可以整体加工。上套筒外直径D61满足D61＝D512，长度L61满足10mm≤L61≤40mm；内直径d61满足d61＝D1。套筒采用高强度金属，要求材料满足：屈服强度σ6>150MPa，密度ρ6>3g/cm3，导热系数λ6≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对薄壁金属管起到保护和固定作用。
测量装置整体安装顺序是首先将记忆合金弹簧同轴放置于薄壁金属管内部；上套筒上端与上支撑板上半圆形板、上支撑板上等腰梯形下底与上底座上端刚性连接，上底座与上螺栓通过焊接进行固定连接；下套筒下端面与下支撑板下半圆形板、下支撑板下等腰梯形下底与下底座下端刚性连接，下底座与下螺栓通过焊接进行固定连接；将薄壁金属管和记忆合金弹簧下端同轴放置于下套筒；将薄壁金属管上端同轴放置于上套筒；最后，安装与螺栓尺寸匹配的螺帽，连接上底座和下底座，并对上支撑板和下支撑板起到固定作用。测量装置整体通过螺栓与实验场地进行安装。
采用本发明测量装置进行爆炸场冲击波做功能力和温度场热剂量耦合测量的方法是：
第一步，测量准备：
1.1检查测量装置构件之间连接接触情况，确保记忆合金弹簧与薄壁金属管内壁紧密接触，确保薄壁金属管两端分别与上套筒和下套筒紧密接触，确保上底座和下底座紧密接触。记忆合金弹簧与薄壁金属管是否紧密接触可以通过记忆合金弹簧直径D2与薄壁金属管内径d1尺寸匹配进行控制，要求构件尺寸加工误差d1-D2≤0.01mm；薄壁金属管、套筒之间是否紧密接触可以通过直接观察有无空隙判断；上底座和下底座之间是否紧密接触可以通过直接观察有无空隙判断。
1.2将测量装置布置在待测爆炸场中特定位置，并测量炸药中心与薄壁金属管中心的垂直距离L。
1.3测定形状记忆合金弹簧初始温度T0和初始长度
第二步，遵照安全操作规定引爆炸药。
第三步，爆炸结束后采用测量装置按3.1的流程对爆炸场冲击波做功能力进行测量，同时按3.2的流程进行温度场热剂量测量，方法是：
3.1测量特定位置冲击波做功能力：
3.1.1爆炸冲击波由起爆点向外传播，冲击波到达薄壁金属管表面时，压力场作用于薄壁金属管，薄壁金属管发生规律性受压塑性变形。
3.1.2爆炸冲击后取下螺栓上的螺帽，上底座和下底座分离，并将与上底座连接的上支撑板、上套筒和与下底座连接的下支撑板、下套筒分开，拆开整体测量装置，取出薄壁金属管，取出时应保证薄壁金属管不受外力影响产生二次变形，测量得到薄壁金属管中心下挠度为ε。
3.1.3通过对薄壁金属管中心下挠度ε与冲击波做功E进行动态标定(动态标定技术较为成熟，二者之间关系式可以通过对薄壁金属管进行室内冲击压缩试验获得)，得到两者之间的函数关系式E＝f(ε)，即薄壁金属管冲击变形ε和冲击波做功能力E之间的定量关系。转第三步。
3.2测量温度场热剂量：
3.2.1爆炸形成的热效应向外传播，热流到达薄壁金属管表面时，温度场热流通过薄壁金属管进行定量热效应衰减，衰减后的热效应作用于形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧发生规律性受热收缩变形。
3.2.2取出形状记忆合金弹簧，取出时应保证形状记忆合金弹簧不受外力影响产生二次变形，使用千分尺测量、记录并得到形状记忆合金弹簧长度方向收缩变形量为δ。
3.2.3根据δ和形状记忆合金弹簧接收到的变形温度T*之间的关系式(公式(1))以及薄壁金属管的热剂量Q和T*关系式(公式(2))，进而求解方程组得到形状记忆合金弹簧感受热剂量Q与变形量δ之间的定量关系。0＝A1δ+B1(T*-T0)+A2δ2+B2(T*-T0)δ+A3δ3+B3(T*-T0)δ2公式(1)
Q＝cm(T*-T0) 公式(2)
式中，δ为形状记忆合金弹簧收缩变形量；T*为形状记忆合金弹簧接收到的变形温度T*(由测得的记忆合金弹簧变形量δ按照公式(1)计算得到)；T0为形状记忆合金弹簧的初始温度；常系数A1、A2、A3、B1、B2、B3可以通过前期对记忆合金弹簧进行的热变形实验获得(许红伟，形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形研究，《高技术通讯》2017年第27卷第6期:554～558)；c为薄壁金属管比热容；m为薄壁金属管质量。
结合热效应毁伤准则以及爆炸瞬态温度场特点，可以选取热剂量作为爆炸场热效应毁伤评判标准，根据形状记忆合金弹簧收缩形变量δ可以计算得到状记忆合金弹簧感受热剂量为Q。转第三步。
第三步，实验结束后对取出的记忆合金弹簧进行直接加热实现形状恢复，并于初始温度T0下拉伸至L2，并更换新的薄壁金属管，从而实现测量装置的重复利用。
采用本发明可达到以下技术效果：
1.本发明针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明综合爆炸冲击波压力场等效靶板法(无源测量)和接触式测温法，利用薄壁金属管冲击变形与冲击波压力做功之间的定量关系和记忆合金弹簧受热收缩变形与热剂量的定量关系，实现了对爆炸场冲击波做功及热效应的耦合测量，且可以反演不同物体在爆炸场中的受损情况。
2.本发明通过测量薄壁金属管下挠度ε得到爆炸冲击波在测量装置处做功能力E；通过测量测量记忆合金弹簧收缩变形量δ，结合公式(1)～(2)可以得到爆炸温度场在测温装置处热剂量Q，完成爆炸瞬态温度场热剂量的快速定量测量，一方面测量方法不受电磁干扰、测量精度高；另一方面，弹簧收缩变形量精度决定着热剂量测量精度，3.2.2步采用千分尺测量，δ的精度能达到毫米(mm)，因此热剂量测量精度能达到毫焦(mJ)，因此进一步提高了测量精度。
3.本发明的薄壁金属管壁厚t1影响着装置做功能力测量和热剂量测量灵敏度，t1越小灵敏度越高，可以通过调整t1实现装置的高灵敏度；记忆合金弹簧可以采用不同相变温度TM、不同直径D2和丝径d2，使得可以形成较为丰富的装置规格；薄壁金属管导热系数λ1决定着记忆合金弹簧感受温度T*范围，可以通过改变导热系数λ1实现对装置量程调整。此外还可以调整装置到爆炸火球中心距离L，以此实现装置对爆炸场中不同位置热剂量和做功能力的快速定量测量。
4.本发明具有结构简单、无需供电、布设使用方便、结果后处理简单、使用成本低且可重复使用等优点。
附图说明
图1是本发明测量装置总体结构示意图；
图2是本发明测量装置正视图，图2(a)是装置正视图，图2(b)是图2(a)记忆合金弹簧处的放大图；
图3是本发明测量装置侧视图；
图4是本发明测量装置薄壁管示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明测量装置由薄壁金属管(1)、形状记忆合金弹簧(2)、底座(3)、螺栓(4)、支撑板(5)、2个套筒(6)组成。形状记忆合金弹簧(2)采用单程形状记忆合金制备，沿薄壁金属管(1)轴线OO*方向放置于薄壁金属管(1)内部，形状记忆合金弹簧2与薄壁金属管(1)同轴。
如图2(a)所示，薄壁金属管(1)形状为圆筒型，无端面，用于装载形状记忆合金弹簧2并将冲击波压力场做功性能转化为金属管变形量，可以通过改变侧壁厚度t1调整测温灵敏度。如图4所示，薄壁金属管(1)外直径D1满足5mm≤D1≤50mm，壁厚t1满足0.5mm≤t1≤5mm，内直径d1满足d1＝D1-2×t1，长度L1满足50mm≤L1≤500mm。薄壁金属管(1)采用导热性良好的金属材料制成，要求材料满足：屈服强度σ1>100MPa，密度ρ1>1g/cm3，导热系数λ1≥300W/m·K，通过改变导热系数λ1实现本发明装置测温灵敏度调整，增大导热系数λ1可提高测温灵敏度。基本原则是在爆炸冲击波作用下既能发生比较明显的塑性变形，又能保持形状完好，以定量表征冲击波做功能力；薄壁金属管(1)具有较好的导热性能，用于吸收爆炸冲击波作功并将爆炸温度场热流传递至形状记忆合金弹簧(2)。
如图2(b)所示，形状记忆合金弹簧(2)采用单程记忆合金丝制备，用于将温度场参数转换为弹簧形变位移量，形状记忆合金弹簧(2)直径D2满足d1-D2≤0.01mm，长度L2满足L2＝L1，马氏体相变温度TM满足40℃≤TM≤200℃。制备形状记忆合金弹簧(2)的单程记忆合金丝的丝径d2满足0.1mm≤d2≤2.0mm；单程记忆合金丝采用镍钛合金制作，要求在热效应作用下形状记忆合金弹簧(2)可以产生较为明显的收缩变形，形状记忆合金弹簧(2)的几何参数直径D2、丝径d2以及热学参数马氏体相变温度TM影响装置热剂量测量量程，增大直径D2、丝径d2以及热学参数马氏体相变温度TM可以有效提高装置热剂量测量量程。形状记忆合金弹簧(2)放置于薄壁金属管(1)中，形状记忆合金弹簧(2)伸缩方向和薄壁金属管(1)长度方向一致。
如图1和图2(a)所示，底座(3)采用高强度金属制成，用于支撑测量装置整体结构，整体形状为方块状。底座(3)通过螺栓(4)将装置整体与外部环境进行连接。底座(3)为轴对称结构，按照轴线O3O3 *分为上底座(31)和下底座(32)，上底座(31)和下底座(32)形状、结构均相同。上底座(31)通过上端面与上支撑板(51)连接，下底座(32)通过下端面与下支撑板(52)连接。上底座(31)和下底座(32)接触部位通过螺栓(4)相连，上底座(31)的长度L31满足25mm≤L31≤250mm，下底座(32)的长度L32＝L31；如图3所示，上底座(31)的宽度W31满足50mm≤W31≤100mm，下底座(31)的宽度W32＝W31；上底座(31)的厚度t31(见图2(a))满足5mm≤t31≤15mm，下底座(32)的厚度t32＝t31。底座(3)采用高强度金属，要求材料满足：屈服强度σ3>150MPa，密度ρ3>3g/cm3，导热系数λ3≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对装置整体结构起到保护和固定作用。
如图1和图2(a)所示，螺栓(4)用于连接上底座(31)和下底座(32)，并且整体测量装置通过螺栓(4)固定安装在实验环境中。螺栓(4)按照对称轴O3O3 *分为上螺栓(41)和下螺栓(42)，上螺栓(41)与上底座(31)的外表面(远离薄壁金属管(1)的表面)焊接固定，下螺栓(42)与下底座(32)的外表面(远离薄壁金属管(1)的表面)焊接固定，螺栓(4)与底座(3)相连的端面中心与底座(3)几何中心重合。上螺栓(41)长度L41满足20mm≤L41≤30mm，下螺栓(42)长度L42＝L41；上螺栓(41)直径D41满足6mm≤D41≤16mm，下螺栓(42)直径D42＝D41；螺栓(4)采用高强度金属制备，要求材料满足：屈服强度σ4>150MPa，密度ρ4>3g/cm3，导热系数λ4≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对底座(3)进行连接固定，并作为测量装置的安装端口。
如图1和图2(a)所示，支撑板(5)按照轴线O3O3 *分为上支撑板(51)和下支撑板(52)，上支撑板(51)和下支撑板(52)形状、结构、材料完全相同。上支撑板(51)的一个端面固定在上底座(31)的内表面(靠近薄壁金属管(1)的表面)上，下支撑板(52)的一个端面固定在下底座(32)的内表面(靠近薄壁金属管(1)的表面)上，上支撑板(51)和下支撑板(52)用于夹紧薄壁金属管(1)。上支撑板(51)形状为等腰梯形与半圆形的组合，上支撑板(51)梯形下底部分与上底座(31)的上端内表面垂直连接，半圆形部分与上套筒(61)的上端面刚性连接；下支撑板(52)形状为等腰梯形与半圆形组合，下支撑板(52)梯形下底部分与下底座(32)的下端内表面垂直连接，半圆形部分与下套筒(62)的下端面刚性连接。上支撑板(51)形状上由上等腰梯形板511和上半圆形板512组成(可以整体加工)，如图3所示，上等腰梯形板511结构几何尺寸为：下底长W5111满足W5111＝W31，上底长W5112满足W5112＝0.7×W5111，高度H511满足H5111＝1.2W5111，厚度t511满足t511＝t31；上半圆形板512几何尺寸为：直径D512满足D512＝W5112，半圆形板512厚度t512和等腰梯形板511厚度t511保持一致。支撑板(5)采用高强度金属，要求材料满足：屈服强度σ5>150MPa，密度ρ5>3g/cm3，导热系数λ5≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对薄壁金属管(1)起到保护和固定作用。
如图1和图2(a)所示，套筒(6)用于夹紧固定薄壁金属管(1)，为圆筒状，按照轴线O3O3 *分为上套筒(61)和下套筒(62)，薄壁金属管(1)两端分别同轴放置于上套筒(61)和下套筒(62)中，薄壁金属管(1)上端与上套筒(61)连接，薄壁金属管(1)下端与下套筒(62)连接；上套筒(61)和下套筒(62)形状、结构、材料完全相同。上套筒(61)上端与上支撑板(51)上半圆形板512相连，两者可以整体加工；下套筒(62)下端与下支撑板(52)半圆形板522相连，两者可以整体加工。上套筒(61)外直径D61满足D61＝D512，长度L61满足10mm≤L61≤40mm；内直径d61满足d61＝D1。套筒(6)采用高强度金属，要求材料满足：屈服强度σ6>150MPa，密度ρ6>3g/cm3，导热系数λ6≤10W/m·K。基本原则是在爆炸冲击作用下不发生变形，对薄壁金属管1起到保护和固定作用。
测量装置整体安装顺序是首先将记忆合金弹簧2同轴放置于薄壁金属管1内部；上套筒(61)上端与上支撑板(51)上半圆形板512、上支撑板(51)上等腰梯形511下底与上底座(31)上端刚性连接，上底座(31)与上螺栓(41)通过焊接进行固定连接；下套筒(62)下端面与下支撑板(52)下半圆形板522、下支撑板(52)下等腰梯形521下底与下底座(32)下端刚性连接，下底座(32)与下螺栓(42)通过焊接进行固定连接；将薄壁金属管(1)和记忆合金弹簧2下端同轴放置于下套筒(62)；将薄壁金属管(1)上端同轴放置于上套筒(61)；最后，安装与螺栓(4)尺寸匹配的螺帽，连接上底座(31)和下底座(32)，并对上支撑板(51)和下支撑板(52)起到固定作用。测量装置整体通过螺栓(4)与实验场地进行安装。
本发明前面所述只是其中一种爆炸场冲击波做功及热效应耦合测量方法及装置，如若干金属管和记忆合金弹簧组合，或者改变金属管的形状等，都属于本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置由薄壁金属管(1)、形状记忆合金弹簧(2)、底座(3)、螺栓(4)、支撑板(5)、2个套筒(6)组成；形状记忆合金弹簧(2)采用单程形状记忆合金制备，沿薄壁金属管(1)轴线OO*方向放置于薄壁金属管(1)内部，形状记忆合金弹簧(2)与薄壁金属管(1)同轴；
薄壁金属管(1)形状为圆筒型，无端面，用于装载形状记忆合金弹簧(2)，并将冲击波压力场做功性能转化为金属管变形量，同时吸收爆炸冲击波，将爆炸温度场热流传递至形状记忆合金弹簧(2)；薄壁金属管(1)外直径为D1，壁厚为t1，内直径d1满足d1＝D1-2×t1，长度为L1；薄壁金属管(1)采用金属材料制成，金属材料要求在爆炸冲击波作用下既能发生塑性变形，又能保持形状完好；
形状记忆合金弹簧(2)采用单程记忆合金丝制备，用于将温度场参数转换为弹簧形变位移量，形状记忆合金弹簧(2)直径D2满足d1-D2≤0.01mm，长度L2满足L2＝L1，马氏体相变温度TM满足40℃≤TM≤200℃；形状记忆合金弹簧(2)伸缩方向和薄壁金属管(1)长度方向一致；
底座(3)采用金属制成，要求在爆炸冲击作用下不发生变形，用于支撑测量装置整体结构，整体形状为方块状；底座(3)通过螺栓(4)与外部环境进行连接；底座(3)为轴对称结构，按照轴线O3O3 *分为上底座(31)和下底座(32)，上底座(31)和下底座(32)形状、结构均相同；上底座(31)通过上端面与上支撑板(51)连接，下底座(32)通过下端面与下支撑板(52)连接；上底座(31)和下底座(32)接触部位通过螺栓(4)相连，上底座(31)的长度为L31，下底座(32)的长度L32＝L31；上底座(31)的宽度为W31，下底座(31)的宽度W32＝W31；上底座(31)的厚度为t31，下底座(32)的厚度t32＝t31；
螺栓(4)用于连接上底座(31)和下底座(32)，并且整体测量装置通过螺栓(4)固定安装在实验环境中；螺栓(4)按照对称轴O3O3 *分为上螺栓(41)和下螺栓(42)，上螺栓(41)与上底座(31)的外表面即远离薄壁金属管(1)的表面焊接固定，下螺栓(42)与下底座(32)的外表面即远离薄壁金属管(1)的表面焊接固定，螺栓(4)与底座(3)相连的端面中心与底座(3)几何中心重合；螺栓(4)采用金属制备，要求在爆炸冲击作用下不发生变形，对底座(3)进行连接固定，并作为测量装置的安装端口；
支撑板(5)按照轴线O3O3 *分为上支撑板(51)和下支撑板(52)，上支撑板(51)和下支撑板(52)形状、结构、材料完全相同；上支撑板(51)的一个端面固定在上底座(31)的内表面即靠近薄壁金属管(1)的表面上，下支撑板(52)的一个端面固定在下底座(32)的内表面即靠近薄壁金属管(1)的表面上，上支撑板(51)和下支撑板(52)用于夹紧薄壁金属管(1)；上支撑板(51)形状为等腰梯形与半圆形的组合，上支撑板(51)梯形下底部分与上底座(31)的上端内表面垂直连接，半圆形部分与上套筒(61)的上端面刚性连接；下支撑板(52)形状为等腰梯形与半圆形组合，下支撑板(52)梯形下底部分与下底座(32)的下端内表面垂直连接，半圆形部分与下套筒(62)的下端面刚性连接；上支撑板(51)形状上由上等腰梯形板(511)和上半圆形板(512)组成，上等腰梯形板(511)的下底长为W5111，上底长为W5112，高度为H511，厚度为t511；上半圆形板(512)的直径D512满足D512＝W5112，上半圆形板(512)厚度t512和上等腰梯形板(511)厚度t511保持一致；支撑板(5)采用金属材料制备，要求在爆炸冲击作用下不发生变形；支撑板(5)对薄壁金属管(1)起到保护和固定作用；
套筒(6)用于夹紧固定薄壁金属管(1)，对薄壁金属管(1)起到保护和固定作用；套筒(6)为圆筒状，按照轴线O3O3 *分为上套筒(61)和下套筒(62)，薄壁金属管(1)两端分别同轴放置于上套筒(61)和下套筒(62)中，薄壁金属管(1)上端与上套筒(61)连接，薄壁金属管(1)下端与下套筒(62)连接；上套筒(61)和下套筒(62)形状、结构、材料完全相同；上套筒(61)上端与上支撑板(51)上半圆形板(512)相连，下套筒(62)下端与下支撑板(52)下半圆形板(522)相连，上套筒(61)外直径D61满足D61＝D512，长度为L61；内直径d61满足d61＝D1；套筒(6)采用金属材料制备，要求在爆炸冲击作用下不发生变形。
2.如权利要求1所述的一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于所述薄壁金属管(1)外直径D1满足5mm≤D1≤50mm，壁厚t1满足0.5mm≤t1≤5mm，长度L1满足50mm≤L1≤500mm；薄壁金属管(1)采用的金属材料满足：屈服强度σ1＞100MPa，密度ρ1＞1g/cm3，导热系数λ1≥300W/m·K。
3.如权利要求1所述的一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于所述制备形状记忆合金弹簧(2)的单程记忆合金丝的丝径d2满足0.1mm≤d2≤2.0mm；单程记忆合金丝采用镍钛合金制作，要求在热效应作用下形状记忆合金弹簧(2)产生收缩变形。
4.如权利要求1所述的一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于所述上底座(31)的长度L31满足25mm≤L31≤250mm，上底座(31)的宽度W31满足50mm≤W31≤100mm，上底座(31)的厚度t31满足5mm≤t31≤15mm，底座(3)采用的金属材料满足：屈服强度σ3＞150MPa，密度ρ3＞3g/cm3，导热系数λ3≤10W/m·K。
5.如权利要求1所述的一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于所述上螺栓(41)长度L41满足20mm≤L41≤30mm，下螺栓(42)长度L42＝L41；上螺栓(41)直径D41满足6mm≤D41≤16mm，下螺栓(42)直径D42＝D41；螺栓(4)采用的金属材料要求满足：屈服强度σ4＞150MPa，密度ρ4＞3g/cm3，导热系数λ4≤10W/m·K。
6.如权利要求1所述的一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于上支撑板(51)由上等腰梯形板(511)和上半圆形板(512)整体加工而成，上等腰梯形板(511)的下底长W5111满足W5111＝W31，上底长W5112满足W5112＝0.7×W5111，高度H511满足H5111＝1.2W5111，厚度t511满足t511＝t31；上半圆形板(512)厚度t512和上等腰梯形板(511)厚度t511保持一致；支撑板(5)采用的金属材料要求满足：屈服强度σ5＞150MPa，密度ρ5＞3g/cm3，导热系数λ5≤10W/m·K。
7.如权利要求1所述的一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于上套筒(61)与上支撑板(51)上半圆形板(512)整体加工；下套筒(62)与下支撑板(52)下半圆形板(522)整体加工；上套筒(61)长度L61满足10mm≤L61≤40mm；套筒(6)采用的金属材料要求满足：屈服强度σ6＞150MPa，密度ρ6＞3g/cm3，导热系数λ6≤10W/m·K。
8.如权利要求1所述的一种爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置，其特征在于爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置整体安装顺序是：先将记忆合金弹簧(2)同轴放置于薄壁金属管(1)内部；上套筒(61)上端与上支撑板(51)上半圆形板(512)、上支撑板(51)上等腰梯形板(511)下底与上底座(31)上端刚性连接，上底座(31)与上螺栓(41)通过焊接进行固定连接；下套筒(62)下端面与下支撑板(52)下半圆形板(522)、下支撑板(52)下等腰梯形521下底与下底座(32)下端刚性连接，下底座(32)与下螺栓(42)通过焊接进行固定连接；将薄壁金属管(1)和记忆合金弹簧(2)下端同轴放置于下套筒(62)；将薄壁金属管(1)上端同轴放置于上套筒(61)；最后，安装与螺栓(4)尺寸匹配的螺帽，连接上底座(31)和下底座(32)。
9.一种采用如权利要求1所述爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置进行爆炸场冲击波做功能力和温度场热剂量耦合测量的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，测量准备：
1.1检查测量装置构件之间连接接触情况，确保记忆合金弹簧(2)与薄壁金属管(1)内壁紧密接触，确保薄壁金属管(1)两端分别与上套筒(61)和下套筒(62)紧密接触，确保上底座(31)和下底座(32)紧密接触；
1.2将测量装置布置在待测爆炸场中特定位置，并测量炸药中心与薄壁金属管(1)中心的垂直距离L；
1.3测定形状记忆合金弹簧(2)初始温度T0和初始长度L02；
第二步，遵照安全操作规定引爆炸药；
第三步，爆炸结束后采用测量装置按3.1的流程对爆炸场冲击波做功能力进行测量，同时按3.2的流程进行温度场热剂量测量，方法是：
3.1测量特定位置冲击波做功能力：
3.1.1爆炸冲击波由起爆点向外传播，冲击波到达薄壁金属管(1)表面时，压力场作用于薄壁金属管(1)，薄壁金属管(1)发生规律性受压塑性变形；
3.1.2爆炸冲击后取下螺栓(4)上的螺帽，上底座(31)和下底座(32)分离，并将与上底座(31)连接的上支撑板(51)、上套筒(61)和与下底座(32)连接的下支撑板(52)、下套筒(62)分开，拆开整体测量装置，取出薄壁金属管(1)，取出时应保证薄壁金属管(1)不受外力影响产生二次变形，测量得到薄壁金属管(1)中心下挠度为ε；
3.1.3通过对薄壁金属管(1)中心下挠度ε与冲击波做功E进行动态标定，得到两者之间的函数关系式，令为E＝f(ε)，即薄壁金属管(1)冲击变形ε和冲击波做功能力E之间的定量关系；转第三步；
3.2测量温度场热剂量：
3.2.1爆炸形成的热效应向外传播，热流到达薄壁金属管(1)表面时，温度场热流通过薄壁金属管(1)进行定量热效应衰减，衰减后的热效应作用于形状记忆合金弹簧(2)，形状记忆合金弹簧(2)发生规律性受热收缩变形；
3.2.2取出形状记忆合金弹簧(2)，取出时应保证形状记忆合金弹簧(2)不受外力影响产生二次变形，记录并得到形状记忆合金弹簧(2)长度方向的收缩变形量为δ；
3.2.3根据δ和形状记忆合金弹簧(2)接收到的变形温度T*之间的关系式即公式(1)以及薄壁金属管(1)的热剂量Q和T*关系式即公式(2)，进而求解方程组得到形状记忆合金弹簧(2)感受热剂量Q与变形量δ之间的定量关系；
0＝A1δ+B1(T*-T0)+A2δ2+B2(T*-T0)δ+A3δ3+B3(T*-T0)δ2 公式(1)
Q＝cm(T*-T0) 公式2)
式中，δ为形状记忆合金弹簧(2)收缩变形量；T*为形状记忆合金弹簧(2)接收到的变形温度T*，T*由测得的记忆合金弹簧变形量δ按照公式(1)计算得到；T0为形状记忆合金弹簧(2)的初始温度；常系数A1、A2、A3、B1、B2、B3通过对记忆合金弹簧(2)进行的热变形实验获得；c为薄壁金属管(1)比热容；m为薄壁金属管(1)质量；选取热剂量Q作为爆炸场热效应毁伤评判标准，转第三步；
第三步，实验结束后对取出的记忆合金弹簧(2)进行直接加热实现形状恢复，并于初始温度T0下拉伸至L2，更换新的薄壁金属管(1)，实现测量装置的重复利用。
10.如权利要求9所述的一种采用爆炸场冲击波做功能力及热效应耦合测量装置进行爆炸场冲击波做功能力和温度场热剂量耦合测量的方法，其特征在于步骤1.1所述记忆合金弹簧(2)与薄壁金属管(1)是否紧密接触通过记忆合金弹簧(2)直径D2与薄壁金属管(1)内径d1尺寸匹配进行控制；薄壁金属管(1)、套筒(6)之间是否紧密接触通过直接观察有无空隙判断；上底座(31)和下底座(32)之间是否紧密接触通过直接观察有无空隙判断。
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