一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置及检验方法与流程

本发明涉及一种对地表冲击波环境化爆模拟实验的加载方案及实验参数进行校核的检验装置，具体涉及一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置及检验方法。

背景技术：

1、大当量爆炸下材料及结构的力学特性及动力学响应过程是爆炸实验力学研究的一类经典课题。大当量触地或近地爆炸发生时，爆炸能量将以冲击波的形式向外传播并发散，其中一部分直接作用于地面，形成直接地冲击，而另一部分则耦合至空气并向外发散，在其沿地表传播路径上，将会形成一种低幅值，长脉宽的附加脉冲载荷，即地表冲击波环境。在实际研究中，考虑到真实地表冲击波环境构筑存在实验场地选择困难、实验成本高、影响范围大的问题，在实际研究中，通常采用模拟实验方法构筑地表冲击波环境。

2、目前，常用的载荷模拟方法包括小比例尺模型实验以及离心模型实验，该两种等效是以量纲分析方法为基础，通过尺寸缩放来实现实验物理问题的等效。其中小比例尺模型实验，难以正确模拟实际的重力效应，实验结果的准确性和真实可靠性有待探讨。而离心模型实验的实施通常依赖于离心机，因而需要将结构缩放至实验室水平，对于爆心距远大于结构尺寸的地表冲击波加载问题，由于尺寸缩放是对实验结构及爆心距等比例缩放，考虑到结构及加工尺寸有限，缩放后实验尺寸仍难以达到实验室级别；此外，在缩放后结构还应满足材料力学的等效性，对于某些复杂结构，等效力学性能的结构或材料构筑仍存在很大技术困难。

3、现有技术提供了一种采用空腔内炸药阵列起爆，覆盖土层保压的原位实验方法，可以通过小当量爆炸构筑真实的地表冲击波环境，相比于大当量爆炸实验具有可控性好、安全性高及实验成本低等优点。由于该实验方法所模拟的爆炸初始压力及压力衰减过程受到炸药装药密度、炸药类型、填土厚度、填土力学性能等多个非线性因素的影响，在实际实施中，需要预先对原位实验的加载方案及实验参数进行校核，以保证原位实验达到预期效果。目前原位实验的加载方案及实验参数常通过数值模拟方法及原位小范围实验进行确定，但该类方法在实施中仍存在以下问题：

4、(1)数值模拟方法虽然成本低，但考虑到选用参数及物态模型常与实际情况存在一定区别，因而结果可信度有待商榷；

5、(2)原位小范围实验虽然在理论上可以检验数值模拟方法所得实验方案及参数的可靠性，但该种方法需要在野外开展实验，实验实施人力及经济成本较高，其次，小范围原位实验加载时，空腔的边界效应较为明显，因此模拟结果常会低于实际加载实验。

技术实现思路

1、本发明的目的解决数值模拟方法及原位小范围实验校核方法存在校核结果可信度难以保证，以及野外模拟实验成本较高、模拟结果不准确的技术问题，而提供一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置及检验方法。本发明实验检验装置及检验方法采用刚性结构近似模拟对称边界条件，从而在实验室即可实现大面积地表冲击波化爆模拟实验的等效模拟，无需在野外开展实验，可大大的减少人力及经济成本较高，同时确保模拟结果的准确性。

2、本发明的技术解决方案是：

3、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，其特殊之处在于：包括载荷模拟单元、覆土模拟单元和起爆测试单元；

4、所述载荷模拟单元包括基座、两端开口的爆炸腔体、填充材料和爆炸源组件；

5、所述爆炸源组件包括炸药和起爆雷管；

6、所述爆炸腔体下部的内型面与基座上部的外型面适配，爆炸腔体下部密封套装在基座上并且可沿基座上下移动，进而调节爆炸腔体与基座的相对高度；

7、所述覆土模拟单元包括两端开口的框架结构、底板和填土；

8、所述框架结构的下端与爆炸腔体的上端密封固连；

9、所述底板密封设置在框架结构内靠近下端面位置，且基座上端、爆炸腔体、底板和框架结构形成封闭的爆炸内腔；

10、所述爆炸源组件通过填充材料固定在爆炸内腔内，并使爆炸中心点位于爆炸内腔中心位置处；

11、所述填土填装在框架结构内，用于等效模拟大型原位加载实验的顶部覆土；

12、所述起爆测试单元包括压力传感器、起爆线、数据采集设备和起爆器；

13、所述压力传感器用于测量爆炸内腔的压力变化；

14、所述起爆雷管通过起爆线与起爆器电连接；

15、所述数据采集设备分别与压力传感器和起爆器电连接。

16、进一步地，所述载荷模拟单元还包括调节螺栓组件，调节螺栓组件用于支撑爆炸腔体以及调节爆炸腔体与基座的相对高度；所述基座的下端沿周向设置有向外延伸的第一连接耳；所述爆炸腔体的下端设置有与第一连接耳对应的第二连接耳；所述两个第一连接耳与对应的第二连接耳通过调节螺栓组件连接。

17、进一步地，所述调节螺栓组件包括多个双螺母螺栓和四个三螺母螺栓；所述四个三螺母螺栓分别分布在两个第一连接耳和对应第二连接耳的角部，每个三螺母螺栓依次穿过第一连接耳的角部和对应的第二连接耳角部紧固，且三螺母螺栓的中间螺母上端面与第二连接耳角部的下端面接触，用于支撑爆炸腔体；所述多个双螺母螺栓均匀分布三螺母螺栓之间，每个双螺母螺栓依次穿过第一连接耳和对应的第二连接耳紧固。

18、进一步地，所述起爆测试单元还包括传感器安装座；所述传感器安装座设置在基座的上端；所述压力传感器安装在传感器安装座上。

19、进一步地，所述载荷模拟单元还包括堵头螺母；所述爆炸腔体的侧面设置有螺纹孔；所述堵头螺母固连在爆炸腔体侧面的螺纹孔内；所述堵头螺母的中心沿轴向设置有导线孔，所述起爆线的前端与爆炸源组件连接，后端通过导线孔引出与起爆器电连接。

20、进一步地，所述基座的中心设置有贯通上下且同轴的台阶孔，台阶孔的大端位于上方，台阶孔的大端为传感器座安装孔，小端为引线孔；所述传感器座安装孔的内径与传感器安装座外径尺寸适配，传感器安装座设置在传感器座安装孔内；所述基座的底面开设有从引线孔下端到基座边部的引线槽；所述压力传感器的信号传输线沿引线孔和引线槽引出与数据采集设备电连接。

21、进一步地，所述框架结构的内侧面设置有沿高度方向的标尺；所述爆炸腔体上端的内侧面沿周向设置有台阶结构，台阶面上设置有与框架结构的下端面适配的方形凹槽，所述框架结构的下端面与方形凹槽槽底密封固连；所述基座与爆炸腔体的连接处之间设置有多个第一密封圈；所述基座与传感器安装座的连接处之间设置有第二密封圈；所述框架结构下端面与方形凹槽槽底的连接处之间设置有第三密封圈；所述框架结构的内侧面靠近下端面位置处设置有径向延伸且位于同一水平高度的多个挡块，所述底板放置在多个挡块上。

22、进一步地，所述框架结构包括两个相对设置的第一挡土板和两个相对设置的第二挡土板，两个第一挡土板和两个第二挡土板合围固定形成矩形框架结构；所述标尺设置在两个第二挡土板的内侧面，所述多个挡块设置在两个第二挡土板下端的内侧面和/或两个第一挡土板下端的内侧面挡块；两个所述第二挡土板的上端分别设置有吊装孔；所述底板为金属方板，金属方板边缘固结有耐高温橡胶；所述传感器安装座中部同轴设置有传感器安装孔和进气孔，进气孔尺寸小于传感器安装孔；所述进气孔靠近爆炸内腔设置且与爆炸内腔连通，所述压力传感器的敏感面对应进气孔设置；所述进气孔为螺纹孔，用于实验结束后将螺钉拧入进气孔将传感器安装座从基座上拔出。

23、进一步地，所述覆土模拟单元还包括四个连接板；所述连接板包括竖板和固连设置在竖板下端的横板；所述四个竖板分别与两个第一挡土板和两个第二挡土板的外侧面固连；所述爆炸腔体上端设置有与四个横板对应的外沿，四个横板和爆炸腔体上端四个外沿通过螺钉固连。

24、本发明还提供了一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验方法，基于上述的一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

25、s1)根据原位实验要求设计爆炸腔体与基座的相对高度位置数据、填土的填装厚度和炸药量；

26、s2)将各单元进行组装

27、根据步骤s1)中相对高度位置数据调节爆炸腔体的高度位置；根据炸药量设置爆炸源组件，采用填充材料固定爆炸源组件位置；按照填装厚度将填土填装入框架结构；

28、s3)启动数据采集设备，随后使用起爆器控制起爆雷管引爆炸药；采用数据采集设备记录压力传感器采集的压力衰减波形及起爆器的起爆时间信号；对采集的压力衰减波形及起爆时间信号进行处理，得到模拟载荷时程曲线，将模拟载荷时程曲线与对应原位实验预期得到的载荷时间历程进行对比，若曲线衰减规律基本一致，且任意时刻模拟载荷时程曲线与对应原位实验预期得到的载荷时间历程差距小于10％，则方案合理；否则不合理；完成地表冲击波环境化爆模拟实验检验。

29、本发明的有益效果：

30、1、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，包括载荷模拟单元、覆土模拟单元、起爆测试单元，该装置采用刚性结构近似模拟对称边界条件，从而在实验室实现大面积地表冲击波化爆模拟实验的等效模拟，能通过载荷模拟单元实现大型地表冲击波加载实验设计加载条件的模拟，并通过覆土模拟单元模拟大型地表冲击波加载实验回填介质在爆炸加载下的动态响应过程，适用于不同空腔高度、填土厚度、装药密度的加载工况，检验过程可控性强，操作简单，结构成本低廉，可重复使用。

31、2、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，基座与爆炸腔体的连接处之间设置有多个第一密封圈，防止接缝位置产生气体泄漏，保证装置模拟压力变化规律的准确性；传感器安装孔为沉头通孔，基座底部设置有导线槽，保证传感器安装及接线过程方便。

32、3、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，爆炸腔体上端的内侧面沿周向设置有台阶结构，台阶面上设置方形凹槽，方形凹槽尺寸与方框结构下端结构尺寸一致，保证安装精度准确，方形凹槽内部设置有方形密封槽，用于安装密封圈，提高结构密封性，增加实验精度。

33、4、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，载荷模拟单元中用于连接基座和爆炸腔体的调节螺栓组件包括双螺母螺栓和三螺母螺栓，其中三螺母螺栓位于连接基座和爆炸腔体四个角点的连接孔处，可对连接基座和爆炸腔体的配合高度进行调节，进而调节爆炸空腔的高度；双螺母螺栓位于连接基座和爆炸腔体的其余连接孔处，保证连接基座和爆炸腔体之间的拉伸刚度，减少爆炸加载下结构的变形，保证实验精度。

34、5、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，框架结构由第一挡土板和第二挡土板合围构成，该种分体式设计可提高结构的可互换性，减少维护成本。

35、6、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，框架结构内表面沿高度方向设置有标尺，方便在实验实施时快速确定填土高度，提高实验实施效率。

36、7、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，第二挡土板底部焊接有两个方形小挡块，使得底板可以有效固定在第一挡土板和第二挡土板形成的空腔底部，保证实验前后填土填装和更换的便利性；第二挡土板上端设置有吊装孔，进一步提高操作便利性。

37、8、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，底板为金属方板，方板边缘固结有耐高温橡胶，利用橡胶可变形性降低第一挡土板和第二挡土板加工精度需求，防止实验中底板卡死在第一挡土板和第二挡土板形成的空腔内部，提高实验可靠性和结构的变形容限。

38、9、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验装置，传感器安装座中间设置有传感器安装孔和进气孔，进气孔尺寸小于传感器安装孔，通过减小进气量来限制爆炸冲击波高频高幅值波头直接作用于传感器，提高传感器使用寿命，且进气孔为螺纹孔，可通过螺纹拧入并提拉的方式将传感器安装座从基座顶部拆下，提高操作便捷性。

39、10、本发明一种地表冲击波环境化爆模拟实验检验方法，操作简单，检验结果准确可靠。