一种远场均布爆炸载荷模拟加载装置及试验方法与流程

1.本发明属于爆炸毁伤技术领域，具体涉及一种远场均布爆炸载荷模拟加载装置及试验方法。


背景技术：

2.根据弹药与目标距离的不同，目标结构表面的爆炸载荷常呈现出不同的特征。如，当弹药近距离爆炸时，结构表面爆炸载荷的特征为时空分布不均匀，且超压峰值高、脉宽短；而当弹药距离目标较远时，结构表面的爆炸载荷往往是均匀分布的，且超压峰值低、脉宽长。现有研究表明，对于大当量弹药，远场爆炸载荷仍能对车辆、建筑等目标产生明显的破坏效果。因此，开展低峰值、长脉宽、均匀分布的远场爆炸载荷作用下结构的破坏机理研究是有意义的。然而，开展弹药远场爆炸对结构的破坏效应研究存在试验成本高、周期长、实施难度大且无法大量开展的问题，因此有必要研制载荷可控的远场爆炸载荷模拟加载装置并建立相应的试验方法。
3.当前，国内外均已形成了一些均布爆炸载荷模拟加载装置和方法。国内方面，三医大有生物激波管，长度l＝43m，内径ф＝1m，主要针对生物目标进行研究。兵器204所有直径100mm和50mm的高压激波管装置，能用于开展小尺寸结构毁伤试验。总参工程兵三所建成了长42m、重340吨的某型抗爆激波管用于开展模拟核爆对大型目标的毁伤试验装置。德国某研究所建成了加载段宽度为2.5m的方形开口冲击波加载装置，该装置实现了冲击波峰值与脉宽的参数化控制，可通过调节高压段的压力和长度调节加载段冲击波强度，该装置可用于加载钢筋混凝土和金属梁、板等结构。加拿大渥太华大学爆炸研究实验室建成了开口尺寸约2m
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2m的方形开口激波管装置，该装置包含驱动段、连接段、扩张段、和加载面四部分，加载平面上可安装各种形状的结构，可通过改变驱动段的长度和压力改变加载面上的冲击波压力-冲量组合。
4.尽管当前已形成了一些远场均布爆炸载荷模拟加载装置，但这些装置仍存在以下不足：一方面，当前的加载装置大多是基于高压气体驱动的，这会导致冲击波在管体内多次反射，进而结构表面会形成具有多波次特征的载荷曲线，与实际情况的单波次冲击波载荷波形不符；另一方面，部分基于炸药驱动的模拟装置主要面向于模拟核爆载荷下的大型整体目标毁伤特性研究，其仍存在试验成本过高等问题，完全无法支撑构件级小型目标毁伤试验的大量开展。


技术实现要素：

5.基于上述技术问题，本发明提供了一种远场均布爆炸载荷模拟加载装置及试验方法，可实现均布冲击波超压峰值和比冲量的可调控加载，同时为远场均布爆炸载荷下目标结构的毁伤效应研究提供手段。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
7.一种远场均布爆炸载荷模拟加载装置，包括爆炸室、用于悬挂炸药装药的悬挂件、
整流管、目标结构件、压力传感器、激光测振仪和显示终端；
8.所述爆炸室一端开放，另一端连接所述整流管，所述爆炸室内腔与整流管内腔贯通；所述悬挂件设置在爆炸室顶部，且所述悬挂件能够沿着整流管轴线方向来回移动；所述整流管用于对爆炸冲击波进行整形；
9.所述目标结构件连接在所述整流管的末端；所述目标结构件包括主体板和设置在主体板上目标板；所述主体板上设置有特定形状的孔洞，所述目标板覆盖在所述孔洞上，孔洞处目标板的形状形成特定形状的目标结构；
10.所述压力传感器连接在目标结构件上，用于检测目标结构表面的压力载荷；所述激光测振仪对准所述目标结构，用于测量所述目标结构的结构响应；
11.所述显示终端连接所述压力传感器和激光测振仪，用于读取压力载荷和结构响应数据。
12.优选的，所述爆炸室为一端开放一端封闭的方形箱体结构，所述爆炸室的封闭端开设有通孔，所述通孔上连接有法兰。
13.优选的，所述爆炸室顶部开设有平行于整流管中轴线的狭缝，所述悬挂件设置在狭缝中。
14.优选的，所述爆炸室外周面上设置有加强板。
15.优选的，所述整流管包括管体和设置在管体两端的凸缘，其中一端的凸缘与爆炸室通过螺栓连接，另一端的凸缘与目标结构件通过螺栓连接。
16.优选的，所述整流管的长度为内径的3～5倍。
17.优选的，所述主体板包括第一端板和第二端板，所述第一端板和第二端板上分别设置有形状相同且位置对应的特定形状的孔洞，所述目标板夹设在第一端板和第二端板之间；所述第一端板、第二端板和目标板上均设置有螺栓孔和压力传感器安装孔，所述螺栓孔围绕第一端板、第二端板和目标板圆周方向均设置有若干个。
18.进一步的，所述压力传感器的感压面上设置有隔热层。
19.本发明还公开了一种远场均布爆炸载荷模拟加载试验方法，采用本发明所述的远场均布爆炸载荷模拟加载装置进行试验，包括以下步骤：
20.步骤1，将满足爆炸室抗爆量的炸药装药通过所述悬挂件悬挂于爆炸室内部，调整悬挂件位置使炸药装药放置于爆炸室内指定位置；
21.步骤2，确认测试系统处于工作状态，起爆炸药装药；
22.步骤3，通过显示终端读取压力载荷和结构响应数据，根据测试灵敏度将测量结果转换为压力和位移量；
23.步骤4，若已满足试验要求，结束试验；否则，重新调整炸药装药当量或调整悬挂件的位置，重复步骤1至步骤3，获得不同特征的均布爆炸载荷下目标结构的破坏特征。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.(1)本发明的加载装置具有压力峰值和比冲量可调控的功能，可用于开展不同压力峰值、比冲量组合作用下目标结构的毁伤效应研究，可为大当量装药远场爆炸载荷下典型目标结构的毁伤研究提供支撑；
26.(2)本发明的加载装置可通过百克级装药模拟百公斤级装药在爆炸远场的载荷特征，具有可模拟工况多、可重复使用的特点；
27.(3)本发明的加载试验方法可通过调整炸药装药质量、炸药装药在爆炸室的位置实现不同压力峰值和比冲量的可控加载，该试验方法具有试验成本低、试验耗时短的特点。
28.以下结合附图及具体实施方式对本发明的其他优点进行说明。
附图说明
29.图1是本发明实施例记载的模拟加载装置整体结构示意图。
30.图2是本发明实施例记载的爆炸室结构示意图。
31.图3是本发明实施例记载的整流管的结构示意图。
32.图4是本发明实施例记载的第一端板或第二端板的结构示意图。
33.图5是本发明实施例记载的目标板的结构示意图。
34.图6是本发明实施例记载的目标结构件的结构示意图。
35.图7是实施例中100g tnt炸药装药爆炸后的压力曲线；
36.图8是实施例中100g tnt炸药装药爆炸后目标结构重心的挠度历程曲线。
37.附图中各标号的含义：
38.1-爆炸室，2-悬挂件，3-整流管，4-目标结构件，5-压力传感器，6-激光测振仪，7-显示终端，8-法兰，9-加强板，10-密封圈，11-炸药装药；
39.101-通孔，102-狭缝；
40.301-管体，302-凸缘；
41.401-第一端板，402-第二端板，403-孔洞，404-目标板，405-螺栓孔，406-压力传感器安装孔。
具体实施方式
42.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
43.在发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。
44.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
45.实施例1
46.本实施例公开的一种远场均布爆炸载荷模拟加载装置，如图1所示，包括爆炸室1、悬挂件2、整流管3、目标结构件4、压力传感器5、激光测振仪6和显示终端7。
47.爆炸室1一端开放，另一端连接整流管3，爆炸室1内腔与整流管3内腔贯通。
48.本实施例中，爆炸室1为一端开放一端封闭的方形箱体结构，如图2所示，爆炸室1的封闭端开设有通孔101，通孔101上连接有法兰8。具体的，法兰8一端焊接在爆炸室通孔101上，另一端圆周布置有若干圆孔；通孔101的直径与法兰直径相同，通孔101的直径不小于整流管3的内径。
49.当然也可采用其他形状的爆炸室，其中方形结构方便加工。
50.最好的，在爆炸室1外周面上设置有加强板9，加强板9具体为槽型钢板，用于加强爆炸室1壁面抗弯能力。
51.整流管3用于对爆炸冲击波进行整形，保证作用于目标结构上的冲击波压力均匀。整流管3的长度为内径的3倍以上，本实施例优选的，整流管3的长度为内径的3～5倍。整流管3的内径为爆炸室1的宽度或高度或直径的一半以下，以更好的对爆炸冲击波产生约束。
52.本实施例中，整流管3包括管体301和设置在管体301两端的凸缘302，如图3所示，其中一端的凸缘302与爆炸室1通过螺栓连接，另一端的凸缘302与目标结构件4通过螺栓连接。具体的，本实施例的凸缘302由焊接在管体端部的圆环形薄板形成，两端的凸缘302圆周均布置有若干圆孔，其中一端的凸缘与法兰8通过螺栓连接，另一端凸缘302与目标结构件4通过螺栓连接，并在两端凸缘的连接处各设置有密封圈10。
53.悬挂件2设置在爆炸室1顶部，用于悬挂炸药装药的，悬挂件2能够沿着整流管3轴线方向来回移动，使得炸药装药11能够远离或者靠近目标结构，可通过调整炸药装药11在爆炸室的位置实现不同压力峰值和比冲量的可控加载，需要注意的是，悬挂件2的位置使悬挂在其上的炸药装药11位于整流管3的中轴线上。
54.本实施例中，在爆炸室1顶部开设有平行于整流管中轴线的狭缝102，如图2所示，悬挂件2设置在狭缝102中。狭缝102宽度在1cm以内，能够安装悬挂件2即可。当然，可也通过其他方式连接悬挂件2，如在爆炸室顶部设置滑槽的方式。本实施例的悬挂件2为挂钩。
55.目标结构件4连接在整流管3的末端。
56.目标结构件4包括主体板和设置在主体板上目标板44，在主体板上设置有特定形状的孔洞43，目标板44覆盖在所述孔洞43上，孔洞43处目标板的形状形成特定形状的目标结构。
57.本实施例中，主体板包括第一端板401和第二端板402，第一端板401和第二端板402上分别设置有形状相同且位置对应的特定形状的孔洞403，目标板404夹设在第一端板401和第二端板402之间。目标结构的形状通过第一端板401和第二端板402上开设的孔洞403的形状来决定，若孔洞403为圆形，则目标结构的形状为圆形，若孔洞403为方形，则目标结构的形状为方形。
58.本实施例的第一端板401、第二端板402和目标板404均为圆形板件。
59.第一端板401、第二端板402和目标板404上均设置有螺栓孔404和压力传感器安装孔406，螺栓孔404围绕第一端板401、第二端板402和目标板404圆周方向均设置有若干个。压力传感器5安装在目标结构件4上后，其感压面与第一端板401内侧面(即位于整流管3侧的一面)齐平。
60.第一端板401的厚度较薄于第二端板402的厚度，由于目标结构的位置下沉，若第一端板401厚度太厚影响目标结构表面载荷的均匀性，进而影响压力传感器5与第一端板401表面载荷的一致性；本实施例第一端板401厚度为5mm。
61.由于第一端板401承受的冲击波最终都会作用在第二端板402上，若第二端板402太薄，容易变形；但太厚会影响压力传感器5的安装，本发明实施例中第二端板的厚度为20mm，具体可根据实际实验条件进行调整。
62.本实施例的压力传感器5的感压面上设置有隔热层，具体在压力传感器5感压面涂抹隔热硅脂，用于隔绝爆炸产生的热量，避免对压力传感器5的影响。
63.激光测振仪6对准目标结构，用于测量目标结构的结构响应。
64.显示终端7连接压力传感器5和激光测振仪6，用于读取压力载荷和结构响应数据。压力传感器5和激光测振仪6检测的数据通过信号解调后再传输至显示终端7。显示终端7为计算机，计算机上安装有压力测试软件和振动测试软件。
65.实施例2
66.本实施例公开的一种远场均布爆炸载荷模拟加载试验方法，采用实施例1记载的远场均布爆炸载荷模拟加载装置进行试验，本实施例的炸药装药选择100g的tnt炸药，选用pcb 113b28压力传感器测量结构表面的冲击波载荷，选用polytec多普勒激光测振仪测量结构变形历程。
67.具体试验方法包括以下步骤：
68.步骤1，将压力传感器5解调后与计算机连接，并打开压力测试软件，设置采样率为1m/s；
69.将激光测振仪6通过解调仪与计算机连接，并打开振动测试软件，设置采样率为1m/s；
70.将100g的tnt炸药装药通过悬挂件2悬挂于爆炸室内部，且炸药装药11位于整流管3中轴线上，调整悬挂件2位置使炸药装药放置于爆炸室1内指定位置；
71.步骤2，确认测试系统处于工作状态后，起爆炸药装药；
72.步骤3，在计算机上读取压力载荷和结构响应数据，根据测试灵敏度将测量结果转换为压力和位移量，分别如图7和图8所示。
73.步骤4，结束试验。