CN116294848A - 一种模拟超高速撞击爆炸的装置及方法 - Google Patents

一种模拟超高速撞击爆炸的装置及方法 Download PDF

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张德志
史国凯
马艳军
李进
谭书舜
王等旺
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    • G01L5/14—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force of explosions; for measuring the energy of projectiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明涉及一种模拟超高速撞击爆炸的装置及方法，现有模拟超高速撞击爆炸的装置不仅精度较差，而且无法对测得的冲击波压力值进行验证的技术问题。该装置包括实验腔、安装座、靶体、多个压力传感器、两组行波杆、两个缓冲支架和两组应变片；实验腔安装于安装座上，实验腔的一侧设置有开口；实验腔远离开口一侧设置有靶体；多个压力传感器分别安装于实验腔外壁的不同方位上，压力传感器的输入端置于实验腔内，输出端用于连接外部的测试仪器；两组行波杆相对地设置于实验腔以开口中线为对称中线的两侧，两组行波杆一端均与实验腔连接，另一端分别与一个缓冲支架连接，缓冲支架安装于安装座上；应变片安装于行波杆的周侧。

Description

一种模拟超高速撞击爆炸的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种模拟爆炸的装置及方法，具体涉及一种模拟超高速撞击爆炸的装置及方法。
背景技术
二级气炮实验结果表明，当弹速超过3000－4000m/s之后，不管弹丸材质和形状如何，都能够在钢质靶板上打出一个球形弹坑，弹坑直径随弹速的增大迅速增大。发生这种现象的原因是在弹速超过一定数值(与弹丸材料及靶板材料有关)之后，弹丸在撞击中完全被撞击能加热汽化，此时发生的高温高压现象与炸药爆炸的高温高压现象并无本质性差异，这就是超高速撞击爆炸现象。
Dennis L.Orphal研究了超高速撞击弹坑形成过程反溅物的x射线成像表明：超高速撞击爆炸与炸药爆炸在本质上是一样的。如果超高速撞击用低熔点的非金属弹丸，则弹丸的动能转化为爆炸的能量的份额将会更高，1gTNT的炸药球完全爆炸时的能量为4.2kJ。弹丸的动能为E＝mv2/2，其中E为弹丸的动能，单位kJ；m为弹丸的质量，单位kg；v为弹丸的撞击速度，单位m/s。如果假定弹丸的动能完全转化为撞击爆炸的当量，则撞击爆炸的当量为E/4.2kJ，单位gTNT。
表1为1g弹丸在不同速度下的撞击动能转化为爆炸能量的情况(假设弹丸的动能完全转化为爆炸能量)。
表1 1克高速弹丸的动能和等效的爆炸当量(假设撞击动能全部转化成爆炸能量)
Figure BDA0004117556760000011
Figure BDA0004117556760000021
通过表1，得知弹丸在不同撞击速度下的等效爆炸当量，可以通过炸药球模拟超高速撞击爆炸形成的爆炸冲击波，并进行测量研究。
现有模拟超高速撞击爆炸的装置通常采用单一的压力传感器进行爆炸冲击波的测量，不仅精度较差，而且无法对测得的冲击波压力值进行验证。
发明内容
本发明的目的是解决现有模拟超高速撞击爆炸的装置不仅精度较差，而且无法对测得的冲击波压力值进行验证的技术问题，而提供一种模拟超高速撞击爆炸的装置及方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特殊之处在于：
包括实验腔、安装座、靶体、多个压力传感器、两组行波杆、两个缓冲支架和两组应变片；
所述实验腔安装于安装座上，实验腔的一侧设置有开口；所述实验腔远离开口一侧设置有所述靶体，靶体用于安装通过雷管引爆的炸药球；
多个所述压力传感器分别安装于实验腔外壁的不同方位上，压力传感器的输入端置于实验腔内，输出端用于连接外部的测试仪器；
两组所述行波杆相对地设置于实验腔以开口中线为对称中线的两侧，两组行波杆一端均与实验腔连接，另一端分别与一个缓冲支架连接，所述缓冲支架安装于安装座上；
两组所述应变片与两组行波杆一一对应设置，所述应变片安装于行波杆的周侧，其输出端用于连接外部的测试仪器。
进一步地，所述缓冲支架上设置有连接孔，所述连接孔内连接有定位螺钉；所述定位螺钉靠近实验腔的端部开设有与行波杆相适配的安装孔，所述行波杆的另一端连接于安装孔内。
进一步地，所述行波杆的数量为四个，四个行波杆均分为两组；所述应变片的数量为四个，四个应变片均为两组；
每组的两个行波杆并排设置，所述缓冲支架上设置有两个所述连接孔，两个连接孔内分别连接有所述定位螺钉，两个行波杆的另一端分别连接于两个定位螺钉的安装孔内。
进一步地，所述安装座包括第一子板和两个第二子板；
所述第一子板的上侧设置有安装台，所述实验腔安装于安装台上；
两个所述第二子板分设于实验腔以开口轴线为对称中线的两侧，所述第二子板的长度方向沿行波杆的轴向设置，第二子板一端的下侧与第一子板的上侧连接，另一端的上侧与缓冲支架连接。
进一步地，所述实验腔的内部为圆柱形腔体，实验腔的端面沿其轴向设置有所述开口。
进一步地，所述实验腔的外周面断面为多边形，或圆形。
同时，本发明还提供了一种模拟超高速撞击爆炸的方法，基于一种模拟超高速撞击爆炸的装置，包括以下步骤：
步骤一、将模拟实验用的炸药球安装于靶体上，并将炸药球与雷管连接；
步骤二、通过雷管引爆炸药球；
步骤三、通过多个压力传感器和两组行波杆上的应变片分别测量爆炸冲击波的压力值，并通过外部的测试仪器分别读取两者测得的爆炸冲击波压力值；
步骤四、取多个压力传感器测得的爆炸冲击波压力值的平均值作为第一比较值，取两组应变片测得的爆炸冲击波压力值的平均值作为第二比较值；
步骤五、对获得的第一比较值和第二比较值进行比对，若两者的差值在预设偏差范围内，则取两者平均值作为最终值；若两者的差值不在预设偏差范围内，则返回步骤一，直至两者的差值在预设偏差范围内；
步骤六、记录获得的最终值，完成超高速撞击爆炸的模拟。
进一步地，步骤一中，通过柔爆索将炸药球与雷管连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过将多个压力传感器分别设置于实验腔的不同方位，可在多个方位分别获取爆炸冲击波的压力值，提升测量的准确度；并通过设置的行波杆和应变片对爆炸冲击波进行测量，通过两者获取的爆炸冲击波压力值进行相互比对校检，验证测量结果的可信度，提升测量的准确度；并且若是压力传感器在爆炸的冲击下损坏，验证后的行波杆也可单独对爆炸冲击波的压力值进行测量，从而无需额外增设压力传感器，降低维护费用。
2、本发明采用小炸药球模拟超高速弹丸撞击爆炸实验，整体装置结构简单，并且容易获取爆炸冲击波的压力值和检查靶体的损伤情况。
附图说明
图1是本发明一种模拟超高速撞击爆炸的装置实施例的主视方向结构示意图；
图2是图1的A-A向剖视图。
图中：
01-炸药球，02-雷管，03-柔爆索；
1-实验腔，2-安装座，21-第一子板，22-第二子板，3-靶体，4-压力传感器，5-行波杆，6-缓冲支架，7-应变片，8-定位螺钉。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种模拟超高速撞击爆炸的装置及方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1和图2所示，本实施例一种模拟超高速撞击爆炸的装置，包括实验腔1、安装座2、靶体3、多个压力传感器4、两组行波杆5、两个缓冲支架6和两组应变片7。
为了便于后续部件的安装，设置安装座2包括第一子板21和两个第二子板22；其中第一子板21为矩形板，其上侧设置有矩形的安装台，并将两个第二子板22相对地设置于第一子板21宽度方向(即后面需要描述的实验腔1以开口上下中线为对称中线)的两侧，第二子板22为矩形板，第二子板22的长度方向沿第一子板21的宽度方向设置(即后面需要描述的行波杆5的轴向)，第二子板22一端的下侧与第一子板21的上侧连接，另一端的上侧连接有缓冲支架6；第一子板21和第二子板22可一体设置、焊接、胶粘等固定连接方式，也可为卡接、螺栓连接等可拆卸连接方式；在本实施例中，优选为第一子板21和第二子板22通过螺栓连接。
在第一子板21上还设置有多个螺纹孔，用于通过螺栓连接外部的雷管02防护罩，便于将引爆用的雷管02放置于雷管02防护罩内。
在本实施例中，将实验腔1内周面设置为圆柱形腔体，且其外周面断面为多边形或圆形等，优选的，实验腔1外周面断面为如图1所示的六边形；实验腔1为钢制腔体，实验腔1周侧的其中一面安装于安装座2的安装台上，在实验腔1的端面沿其轴向设置有开口；实验腔1远离开口一侧设置有靶体3，靶体3用于安装通过雷管02引爆的炸药球01，雷管02可通过柔爆索03与炸药球01连接。
多个压力传感器4均安装于实验腔1周侧外壁的不同方位上，压力传感器4的具体设置数量可根据实际预算和需求进行具体设置，在本实施例中不做要求；压力传感器4的类型可选择压阻式压力传感器、压电式压力传感器等；可将多个压力传感器4分别安装于实验腔1的端面上、沿圆周方向安装于实验腔1的外周面上，从不同的方位分别对爆炸冲击波的压力值进行测量，进一步提高测量的准确度；压力传感器4的输入端置于实验腔1内，输出端通过测试连线连接外部的测试仪器。
行波杆5为细长弹性杆，爆炸冲击波作用在杆的一端，在杆中激发一维弹性应力波，通过测量杆上适当位置处的应变，利用一维弹性应力波理论可计算出作用在杆端的爆炸冲击波压力，两组行波杆5分别设置于实验腔1以开口轴线为对称中线的两侧，行波杆5的轴向沿第一子板21的宽度方向设置，两组行波杆5的一端均与实验腔1连接，具体的，在试验腔1的周侧开设有贯穿孔，行波杆5的一端通过贯穿孔连接至试验腔1内，且与试验腔1的内壁平齐设置；缓冲支架6上设置有连接孔，连接孔内连接有定位螺钉，定位螺钉靠近试验腔1的端部开设有与行波杆5相适配的安装孔，行波杆5的另一端连接于安装孔内；两组应变片7与两组行波杆5一一对应设置，应变片7安装于行波杆5的周侧，其输出端通过测试连线连接外部的测试仪器；行波杆5的材质可根据测量最大压力值进行的不同进行选用。
在本发明的一个优选实施例中，将行波杆5的数量设置为四个，并将四个行波杆5均分为两组；对应地，将应变片7的数量设置为四个，并将四个应变片7均为两组；每组的两个行波杆5并排设置，缓冲支架6上设置有两个连接孔，两个连接孔内分别连接有所述定位螺钉8，定位螺钉8通过连接孔与缓冲支架6螺纹连接，从而调节行波杆5沿其轴向的位置；两个行波杆5的另一端分别连接于两个定位螺钉8的安装孔内。
基于上述的一种模拟超高速撞击爆炸的装置，本发明还提供了一种模拟超高速撞击爆炸的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将模拟实验用的炸药球01安装于靶体3上，并通过柔爆索03将炸药球01与雷管02连接，将雷管02放置于雷管02防护罩内；
步骤二、通过雷管02引爆炸药球01；
步骤三、通过多个压力传感器4和两组行波杆5上的应变片7分别测量爆炸冲击波的压力值，并通过外部的测试仪器分别读取两者测得的爆炸冲击波压力值；
步骤四、取多个压力传感器4测得的爆炸冲击波压力值的平均值作为第一比较值，取两组应变片7测得的爆炸冲击波压力值的平均值作为第二比较值；
步骤五、对获得的第一比较值和第二比较值进行比对，若两者的差值在预设偏差范围内，则取两者平均值作为最终值；若两者的差值不在预设偏差范围内，则返回步骤一，直至两者的差值在预设偏差范围内；
步骤六、记录获得的最终值，完成超高速撞击爆炸的模拟。

Claims (8)

1.一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特征在于：
包括实验腔(1)、安装座(2)、靶体(3)、多个压力传感器(4)、两组行波杆(5)、两个缓冲支架(6)和两组应变片(7)；
所述实验腔(1)安装于安装座(2)上，实验腔(1)的一侧设置有开口；所述实验腔(1)远离开口一侧设置有所述靶体(3)，靶体(3)用于安装通过雷管(02)引爆的炸药球(01)；
多个所述压力传感器(4)分别安装于实验腔(1)外壁的不同方位上，压力传感器(4)的输入端置于实验腔(1)内，输出端用于连接外部的测试仪器；
两组所述行波杆(5)分设于实验腔(1)以开口上下中线为对称中线的两侧，两组行波杆(5)一端均与实验腔(1)连接，另一端分别与一个缓冲支架(6)连接，所述缓冲支架(6)安装于安装座(2)上；
两组所述应变片(7)与两组行波杆(5)一一对应设置，所述应变片(7)安装于行波杆(5)的周侧，其输出端用于连接外部的测试仪器。
2.根据权利要求1所述的一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特征在于：
所述缓冲支架(6)上设置有连接孔，所述连接孔内连接有定位螺钉(8)；所述定位螺钉(8)靠近实验腔(1)的端部开设有与行波杆(5)相适配的安装孔，所述行波杆(5)的另一端连接于安装孔内。
3.根据权利要求2所述的一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特征在于：
所述行波杆(5)的数量为四个，四个行波杆(5)均分为两组；所述应变片(7)的数量为四个，四个应变片(7)均分为两组；
每组的两个行波杆(5)并排设置，所述缓冲支架(6)上设置有两个所述连接孔，两个连接孔内分别连接有所述定位螺钉(8)，两个行波杆(5)的另一端分别连接于两个定位螺钉(8)的安装孔内。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特征在于：
所述安装座(2)包括第一子板(21)和两个第二子板(22)；
所述第一子板(21)的上侧设置有安装台，所述实验腔(1)安装于安装台上；
两个所述第二子板(22)分设于实验腔(1)以开口上下中线为对称中线的两侧，所述第二子板(22)的长度方向沿行波杆(5)的轴向设置，第二子板(22)一端的下侧与第一子板(21)的上侧连接，另一端的上侧与缓冲支架(6)连接。
5.根据权利要求4所述的一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特征在于：
所述实验腔(1)的内部为圆柱形腔体，实验腔(1)的端面沿其轴向设置有所述开口。
6.根据权利要求5所述的一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特征在于：
所述实验腔(1)的外周面断面为多边形，或圆形。
7.一种模拟超高速撞击爆炸的方法，基于权利要求1-6任一所述的一种模拟超高速撞击爆炸的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将模拟实验用的炸药球(01)安装于靶体(3)上，并将炸药球(01)与雷管(02)连接；
步骤二、通过雷管(02)引爆炸药球(01)；
步骤三、通过多个压力传感器(4)和两组行波杆(5)上的应变片(7)分别测量爆炸冲击波的压力值，并通过外部的测试仪器分别读取两者测得的爆炸冲击波压力值；
步骤四、取多个压力传感器(4)测得的爆炸冲击波压力值的平均值作为第一比较值，取两组应变片(7)测得的爆炸冲击波压力值的平均值作为第二比较值；
步骤五、对获得的第一比较值和第二比较值进行比对，若两者的差值在预设偏差范围内，则取两者平均值作为最终值；若两者的差值不在预设偏差范围内，则返回步骤一，直至两者的差值在预设偏差范围内；
步骤六、记录获得的最终值，完成超高速撞击爆炸的模拟。
8.根据权利要求7所述的一种模拟超高速撞击爆炸的方法，其特征在于：
步骤一中，通过柔爆索(03)将炸药球(01)与雷管(02)连接。
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