CN115128238A - 深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置 - Google Patents
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Abstract
深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，属于水下爆炸试验技术领域，本发明为解决现有非药式水下爆炸模拟试验过程中存在破片入水会产生超空泡和冲击波，影响试验结果的问题。本发明方案：深水模拟舱为左右两端开口的圆柱形高压容器，被测试件通过试件端口压盖安装在深水模拟舱的左端口，深水模拟舱的右端口安装活塞，活塞的轴向中心通孔插入破片引导管，载荷加载单元发射的高速破片经飞破片引导管的空气内腔并撞击被测试件，用于模拟水下爆炸高速破片耦合载荷损伤试验；载荷加载单元发射的飞板及弹托撞击活塞，并在舱内深水中产生作用在被测试件上的一维冲击波，用于模拟水下爆炸冲击波损伤试验；且两类实验时序可控。
Description
技术领域
本发明涉及实验室条件下探究深水条件下水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载对结构材料毁伤响应的试验系统，属于水下爆炸试验技术领域。
背景技术
伴随着我国舰船的快速发展，对舰船防护研究的重要性日益凸显，舰船破坏主要是遭遇水下爆炸，水下爆炸会产生爆炸冲击波、高速破片侵彻和气泡脉动射流等载荷。其中水下爆炸冲击波载荷的峰值压力大、作用时间短，而破片的撞击速度高，在冲击波和高速破片的耦合加载下会使舰船受到损伤，两者的耦合加载是水中爆炸毁伤效应的主要来源。
在水下环境中，由于水的密度大且不易压缩性造成水下爆炸对目标的毁伤效果远远大于空气中爆炸。特别是在深水环境中，舰船结构不仅受到冲击波和高速破片的冲击，还受到水下压力的作用。目前对于不同结构及材料水下爆炸冲击波和高速破片耦合加载的研究主要采用真实的武器在水下爆炸所产生的冲击波和高速破片实现，或者采用水下高速破片和爆炸冲击波单独作用研究他们对结构材料的毁伤的特性和机理。大多测试均不能达到深海条件要求，只能进行浅海测试，而海洋环境复杂，像潜艇这样的舰艇设备要时刻满足深水环境下的航行，因此探究深水条件下的舰艇防护必不可少。水下爆炸冲击波和高速破片侵彻单独作用累加对结构的毁伤效应远远小于这些载荷耦合作用的毁伤效应。实弹爆炸这种加载方式存在危险性大、加载成本高、实验数据测试难度大和结果精度不高等缺点。
公开号为CN109506875A和CN110186324B的中国发明专利《非药式水下爆炸冲击波与高速破片耦合加载的实验系统》和《模拟爆炸冲击波与高速破片耦合载荷的轻气炮发射装置》中给出了两种耦合加载的试验系统，但这两个专利的耦合加载在试验过程中存在破片入水现象，破片高速入水会产生超空泡和冲击波，影响试验结果的准确分析。
发明内容
针对现有非药式水下爆炸模拟试验过程中存在破片入水会产生超空泡和冲击波，影响试验结果的问题，本发明提供一种深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置。
本发明所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，包括深水模拟舱1、活塞端口压盖5、活塞6、破片引导管7、被测试件11、试件端口压盖12和载荷加载单元；
所述载荷加载单元包括大口径轻气炮发射管13、小口径轻气炮发射管14、飞板及弹托15、高速破片16、小口径轻气炮发射管14内填装有高速破片16，大口径轻气炮发射管13的内壁与小口径轻气炮发射管14的外壁之间填装有环形的飞板及弹托15；所述载荷加载单元用于向深水模拟舱1发射高速破片16和飞板及弹托15；
深水模拟舱1为左右两端开口的圆柱形高压容器，深水模拟舱1内部充水模拟深水高压环境，被测试件11通过试件端口压盖12安装在深水模拟舱1的左端口，深水模拟舱1的右端口安装活塞6，并通过活塞端口压盖5对活塞6进行限位，所述活塞6具有轴向中心通孔，该轴向中心通孔插入破片引导管7，破片引导管7的左端与被测试件11内壁接触，破片引导管7右端伸出舱外；载荷加载单元发射的高速破片16经飞破片引导管7的空气内腔并撞击被测试件11，用于模拟水下爆炸高速破片耦合载荷损伤试验；载荷加载单元发射的飞板及弹托15撞击活塞6，并在舱内深水中产生作用在被测试件11上的一维冲击波，用于模拟水下爆炸冲击波损伤试验；所述水下爆炸高速破片耦合载荷损伤试验和水下爆炸冲击波损伤试验的时序可控。
优选地，还包括充水加压口2、排气口14和静态压力传感器3用于模拟深水高压环境，深水模拟舱1的顶部设置有静态压力传感器3、充水加压口2和排气口14，利用液体增压泵并通过充水加压口2向深水模拟舱1中充水，充水过程中排气口14打开，当舱内充满水后，关闭排气口14；利用液体增压泵给舱内水逐渐增压，模拟深水条件，过程中水的静态压力由静态压力传感器3监测。
优选地，还包括多个动态压力传感器9，多个动态压力传感器9设于深水模拟舱1的侧壁上、且沿深水模拟舱1轴向间隔排布，多个动态压力传感器9分别用于测量深水模拟舱1不同位置水中冲击波的压力，以获取水中冲击波压力的衰减特性、速度特性和作用在被测试件11的冲击波压力。
优选地，还包括橡胶圆垫10，橡胶圆垫10具有与破片引导管7外径相同的内孔；
破片引导管7的右端外壁通过O型圈与活塞6的轴向中心通孔密封连接；破片引导管7的左端具有外凸缘；橡胶圆垫10套设在破片引导管7上，并通过玻璃密封胶粘贴在破片引导管7的外凸缘上；橡胶圆垫10在舱内静水压力的作用下与破片引导管7外凸缘和被测试件11紧密贴合，确保破片引导管7的水密封，并能保证破片引导管7随被测试件11的变形而一起移动，以确保高速破片16对被测试件11的有效加载。
优选地，小口径轻气炮发射管14与破片引导管7同轴固定，小口径轻气炮发射管14的内径小于破片引导管7的内径，小口径轻气炮发射管14的外径大于破片引导管7的外径。
优选地，还包括激光速度测量系统17，激光速度测量系统17用于测量高速破片16和飞板及弹托15运动时的速度，激光速度测量系统17包括两路激光测速装置，该两路激光测速装置的激光光路能够穿过小口径轻气炮发射管14的泄气口，且光路与小口径轻气炮发射管14的主轴相互垂直。
优选地，还包括靶舱18、破片回收舱19、舱门20、光学观测窗口21、第一高速摄影机22、第二高速摄影机23和第三高速摄影机24，深水模拟舱1设置于靶舱18内部，在靶舱18的后端安装有高速破片回收舱19；在靶舱18的外壁设有舱门20；
靶舱18外设有多个高速摄影机，该多个高速摄影机均通过设于靶舱18侧壁的光学观测窗口21采集靶舱18内影像；第一高速摄影机22镜头的轴线与小口径轻气炮发射管14的轴线垂直；
第二高速摄影机23和第三高速摄影机24镜头的轴线与小口径轻气炮发射管14的轴线夹角均为45度，且该两个高速摄影机镜头的轴线汇聚于被测试件11上。
本发明的有益效果：本发明设置有深水模拟舱，并利用破片引导管将高速破片引导打在被测试件上，高速破片在破片引导管里面的运动过程中不会与水接触，破片的速度不会发生衰减也不会在水中产生超空泡，消除了这一影响因素，使得实验结果更准确。同时为满足深水条件，本发明还在破片引导管的一端设置有凸缘并与有内孔的橡胶圆垫和被测试件粘结在一起，实现了深水条件下水下爆炸冲击波与高速破片耦合载荷对结构材料的时序加载。
附图说明
图1是本发明所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置的结构示意图；
图2是采用本发明试验装置进行观测的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，包括深水模拟舱1、活塞端口压盖5、活塞6、破片引导管7、被测试件11、试件端口压盖12和载荷加载单元；
所述载荷加载单元包括大口径轻气炮发射管13、小口径轻气炮发射管14、飞板及弹托15、高速破片16、小口径轻气炮发射管14内填装有高速破片16，大口径轻气炮发射管13的内壁与小口径轻气炮发射管14的外壁之间填装有环形的飞板及弹托15；所述载荷加载单元用于向深水模拟舱1发射高速破片16和飞板及弹托15；其中大口径轻气炮发射管13发射飞板撞击活塞6，由动态压力传感器9测得飞板撞击活塞6在高压容器1内部水中产生的作用在被测试件11上一维冲击波的压力；与大口径轻气炮发射管13同轴的小口径轻气炮发射管14会发射高速破片16。
深水模拟舱1为左右两端开口的圆柱形高压容器，深水模拟舱1内部充水模拟深水高压环境，被测试件11通过试件端口压盖12安装在深水模拟舱1的左端口，深水模拟舱1的右端口安装活塞6，并通过活塞端口压盖5对活塞6进行限位，所述活塞6具有轴向中心通孔，该轴向中心通孔插入破片引导管7，破片引导管7的左端与被测试件11内壁接触，破片引导管7右端伸出舱外；载荷加载单元发射的高速破片16经飞破片引导管7的空气内腔并撞击被测试件11，用于模拟水下爆炸高速破片耦合载荷损伤试验；载荷加载单元发射的飞板及弹托15撞击活塞6，并在舱内深水中产生作用在被测试件11上的一维冲击波，用于模拟水下爆炸冲击波损伤试验；所述水下爆炸高速破片耦合载荷损伤试验和水下爆炸冲击波损伤试验的时序可控。可以控制大口径轻气炮发射管13和小口径轻气炮发射管14的触发时间，可实现深海条件下高速破片16与一维冲击波的时序加载，探究被测试件11不同加载方式下的毁伤效应。
深水模拟舱1的顶部设置有静态压力传感器3、充水加压口2和排气口14，利用液体增压泵并通过充水加压口2向深水模拟舱1中充水，充水过程中排气口14打开，当舱内充满水后，关闭排气口14；利用液体增压泵给舱内水逐渐增压，模拟深水高压环境，过程中水的静态压力由静态压力传感器3监测。
多个动态压力传感器9设于深水模拟舱1的侧壁上、且沿深水模拟舱1轴向间隔排布，多个动态压力传感器9分别用于测量深水模拟舱1不同位置水中冲击波的压力，以获取水中冲击波压力的衰减特性、速度特性和作用在被测试件11的冲击波压力。
进一步，还包括橡胶圆垫10，橡胶圆垫10具有与破片引导管7外径相同的内孔；
所述的活塞6的外圆通过O型圈与深水模拟舱1的内孔配合，并用活塞端口压盖5将活塞限制在深水模拟舱1内。
破片引导管7的右端外壁通过O型圈与活塞6的轴向中心通孔密封连接；破片引导管7的左端具有外凸缘；橡胶圆垫10套设在破片引导管7上，并通过玻璃密封胶粘贴在破片引导管7的外凸缘上；橡胶圆垫10在舱内静水压力的作用下与破片引导管7外凸缘和被测试件11紧密贴合，确保破片引导管7的水密封(破片引导管7内腔为空气，无水)，并能保证破片引导管7随被测试件11的变形而一起移动，以确保高速破片16对被测试件11的有效加载。
所述的小口径轻气炮发射管14发射的高速破片16，经过高压容器1中的破片引导管7作用在被测试件11上，高速破片16在破片引导管7里面的运动过程中不会与水接触，破片的速度不会发生衰减也不会在水中产生超空泡。
小口径轻气炮发射管14与破片引导管7同轴固定，小口径轻气炮发射管14的内径小于破片引导管7的内径，小口径轻气炮发射管14的外径大于破片引导管7的外径。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施式一进一步说明，采用实施方式一所述装置进行实验数据观测，所需部件包括靶舱18、破片回收舱19、舱门20、光学观测窗口21、第一高速摄影机22、第二高速摄影机23和第三高速摄影机24，深水模拟舱1设置于靶舱18内部，在靶舱18的后端安装有高速破片回收舱19；在靶舱18的外壁设有舱门20；
靶舱18外设有多个高速摄影机，该多个高速摄影机均通过设于靶舱18侧壁的光学观测窗口21采集靶舱18内影像；第一高速摄影机22镜头的轴线与小口径轻气炮发射管14的轴线垂直；
第二高速摄影机23和第三高速摄影机24镜头的轴线与小口径轻气炮发射管14的轴线夹角均为45度，且该两个高速摄影机镜头的轴线汇聚于被测试件11上。
进一步，还包括激光速度测量系统17，激光速度测量系统17用于测量高速破片16和飞板及弹托15运动时的速度，激光速度测量系统17包括两路激光测速装置，该两路激光测速装置的激光光路能够穿过小口径轻气炮发射管14的泄气口，且光路与小口径轻气炮发射管14的主轴相互垂直。
下面介绍组装及观测过程：
步骤1、组装高压容器(深水模拟舱1)和轻气炮系统(载荷加载单元)。
高压容器通过支座固定在支承台上，活塞6和破片引导管7安装到深水模拟舱1对应位置，安装间隙通过O型橡胶圈进行密封，确保密封性良好。将轻气炮系统通过支座固定在支承台上，轻气炮系统与高压容器之间留有合适距离，一是为了通过激光速度测量系统17获得飞板及托盘15的速度，二是方便安装两种口径轻气炮发射管，限定条件：小口径轻气炮发射管14与破片引导管7同轴固定，小口径轻气炮发射管14的内径小于破片引导管7的内径，便于高速破片16进入破片引导管7的空气内腔中，小口径轻气炮发射管14的外径大于破片引导管7的外径，便于飞板不受阻力打在活塞6上。
步骤2、安装被测试件及密封高压容器。
将被测试件11、试件端口压盖12和高压容器固定连接，被测试件11与高压容器之间的间隙通过O型橡胶圈进行密封，高压容器的另一端口通过活塞端口压盖5和O型橡胶圈进行封闭；在各个压力传感器开口上分别安装对应的静态压力传感器3和动态压力传感器9，各个传感器口通过生胶带进行密封；高压容器只留有充水加压口2和排气口14两处开放。
步骤3、安装高速破片、飞板及弹托
先将小口径轻气炮发射管14安装到气室上，将高速破片16放置于小口径轻气炮发射管14内部的弹道内，并用捅弹器将高速破片16捅至合适位置，将小口径轻气炮发射管14与破片引导管7保持工作间隙并相对同轴固定。将大口径轻气炮发射管13安装到气室上，随后将飞板及弹托15套在小口径轻气炮发射管14外径上，置于两种口径轻气炮发射管之间的弹道中，利用捅弹器将其捅至合适位置，飞板及弹托15需用O型橡胶圈进行密封。高速破片16和飞板及弹托15的速度与其在弹道内位置有关，距离气室越近，速度越快。
步骤4、架设并连接仪器。
静态压力传感器3直接与动态数据采集系统相连，动态压力传感器9需要先连接电荷放大器，电荷放大器与动态数据采集系统相连，然后，动态数据采集系统和第一计算机连接。无频闪大功率照明灯放置于破片回收舱19的上侧，第一高速摄像机22放置于靶舱一侧光学观测窗口前，第一高速摄影机22、光学观测窗口的中心与高速破片的弹道垂直。第二、三高速摄影机23,24放置于靶舱18后方的破片回收舱19两侧，镜头角度与被测试件成45°角度，将第一高速摄像机与第一计算机连接，第二、三高速摄像机与第二计算机连接。
步骤5、注水加压及仪器调节。
将液体增压泵与充水加压口2连接，通过液体增压泵和水管给高压容器注水，高压容器内部充满水后，封闭排气口14。实验开始之前应确保两台计算机均在记录状态，电荷放大器系数调制10Pc/mv，动态数据采集系统采集频率选用[10kHz，100kHz]之间，动态采集系统对应静态压力传感器的灵敏系数为200mv/KPa，对应动态压力传感器的灵敏系数为500mv/KPa；高速摄像机的采样率60000帧每秒。
步骤6、进行试验记录数据。
通过液体增压泵将高压容器内的水静压力加到实验所需大小，高压容器内部压力大小可通过静水压力传感器3的信号获取。按照试验先后触发高速破片16和飞板及弹托15，开始试验并记录数据。
步骤7、试样回收。
试验结束后先保存各个计算机采集的数据；关闭液体增压泵，打开充水加压口2和排气口14，利用液体增压泵和水管将高压容器内的水抽出；拆卸掉圆环型容器端口压盖和被测试件11，从破片回收舱19回收高速破片16。
步骤8、数据处理。
第一计算机获得的数据分别是高压容器加压信号、爆炸冲击波压力信号、被测试件轴线方向的响应和高速破片的剩余速度；第二计算机获取的数据是被测试件在爆炸冲击波和高速破片耦合加载作用下的毁伤响应，将数据导入三维DIC数据处理软件中，便会得到被测试件的毁伤响应结果。
以上为一次试验的具体操作过程，重复操作可从步骤2开始即可进行多次试验。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (7)
1.深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，其特征在于，包括深水模拟舱(1)、活塞端口压盖(5)、活塞(6)、破片引导管(7)、被测试件(11)、试件端口压盖(12)和载荷加载单元；
所述载荷加载单元包括大口径轻气炮发射管(13)、小口径轻气炮发射管(14)、飞板及弹托(15)、高速破片(16)、小口径轻气炮发射管(14)内填装有高速破片(16)，大口径轻气炮发射管(13)的内壁与小口径轻气炮发射管(14)的外壁之间填装有环形的飞板及弹托(15)；所述载荷加载单元用于向深水模拟舱(1)发射高速破片(16)和飞板及弹托(15)；
深水模拟舱(1)为左右两端开口的圆柱形高压容器，深水模拟舱(1)内部充水模拟深水高压环境，被测试件(11)通过试件端口压盖(12)安装在深水模拟舱(1)的左端口，深水模拟舱(1)的右端口安装活塞(6)，并通过活塞端口压盖(5)对活塞(6)进行限位，所述活塞(6)具有轴向中心通孔，该轴向中心通孔插入破片引导管(7)，破片引导管(7)的左端与被测试件(11)内壁接触，破片引导管(7)右端伸出舱外；载荷加载单元发射的高速破片(16)经飞破片引导管(7)的空气内腔并撞击被测试件(11)，用于模拟水下爆炸高速破片耦合载荷损伤试验；载荷加载单元发射的飞板及弹托(15)撞击活塞(6)，并在舱内深水中产生作用在被测试件(11)上的一维冲击波，用于模拟水下爆炸冲击波损伤试验；所述水下爆炸高速破片耦合载荷损伤试验和水下爆炸冲击波损伤试验的时序可控。
2.根据权利要求1所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，其特征在于，还包括充水加压口(2)、排气口(14)和静态压力传感器(3)用于模拟深水高压环境，深水模拟舱(1)的顶部设置有静态压力传感器(3)、充水加压口(2)和排气口(14)，利用液体增压泵并通过充水加压口(2)向深水模拟舱(1)中充水，充水过程中排气口(14)打开，当舱内充满水后，关闭排气口(14)；利用液体增压泵给舱内水逐渐增压，模拟深水条件，过程中水的静态压力由静态压力传感器(3)监测。
3.根据权利要求2所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，其特征在于，还包括多个动态压力传感器(9)，多个动态压力传感器(9)设于深水模拟舱(1)的侧壁上、且沿深水模拟舱(1)轴向间隔排布，多个动态压力传感器(9)分别用于测量深水模拟舱(1)不同位置水中冲击波的压力，以获取水中冲击波压力的衰减特性、速度特性和作用在被测试件(11)的冲击波压力。
4.根据权利要求3所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，其特征在于，还包括橡胶圆垫(10)，橡胶圆垫(10)具有与破片引导管(7)外径相同的内孔；
破片引导管(7)的右端外壁通过O型圈与活塞(6)的轴向中心通孔密封连接；破片引导管(7)的左端具有外凸缘；橡胶圆垫(10)套设在破片引导管(7)上，并通过玻璃密封胶粘贴在破片引导管(7)的外凸缘上；橡胶圆垫(10)在舱内静水压力的作用下与破片引导管(7)外凸缘和被测试件(11)紧密贴合，确保破片引导管(7)的水密封，并能保证破片引导管(7)随被测试件(11)的变形而一起移动，以确保高速破片(16)对被测试件(11)的有效加载。
5.根据权利要求1所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，其特征在于，小口径轻气炮发射管(14)与破片引导管(7)同轴固定，小口径轻气炮发射管(14)的内径小于破片引导管(7)的内径，小口径轻气炮发射管(14)的外径大于破片引导管(7)的外径。
6.根据权利要求5所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，其特征在于，还包括激光速度测量系统(17)，激光速度测量系统(17)用于测量高速破片(16)和飞板及弹托(15)运动时的速度，激光速度测量系统(17)包括两路激光测速装置，该两路激光测速装置的激光光路能够穿过小口径轻气炮发射管(14)的泄气口，且光路与小口径轻气炮发射管(14)的主轴相互垂直。
7.根据权利要求4或6所述深水爆炸冲击波与高速破片耦合加载试验装置，其特征在于，还包括靶舱(18)、破片回收舱(19)、舱门(20)、光学观测窗口(21)、第一高速摄影机(22)、第二高速摄影机(23)和第三高速摄影机(24)，深水模拟舱(1)设置于靶舱(18)内部，在靶舱(18)的后端安装有高速破片回收舱(19)；在靶舱(18)的外壁设有舱门(20)；
靶舱(18)外设有多个高速摄影机，该多个高速摄影机均通过设于靶舱(18)侧壁的光学观测窗口(21)采集靶舱(18)内影像；第一高速摄影机(22)镜头的轴线与小口径轻气炮发射管(14)的轴线垂直；
第二高速摄影机(23)和第三高速摄影机(24)镜头的轴线与小口径轻气炮发射管(14)的轴线夹角均为45度，且该两个高速摄影机镜头的轴线汇聚于被测试件(11)上。
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