一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统及方法

1.本发明涉及爆炸以及工程防护技术领域，尤其涉及及一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统及方法。


背景技术：

2.球面结构作为一种常见的结构类型在日常生活中十分常见，从建筑工人的安全帽到大型建筑穹顶结构。在战争年代，军人佩戴的钢盔便是结合使用性和防护优劣性进行设计制造，其外球面结构可以更好的使弹片发生斜反射，减缓冲击力，从一定程度强化上对士兵头部和肩部的保护；此外，防御阵地的碉堡大多采用曲面、球顶设计，从结构特性提高防御性能。
3.目前，半球型防护作为球面特殊结构，以其优良的结构特性被广泛应用。爆炸对半球型结构的破坏，是一个复杂的多层复合介质开孔爆破的问题，需要通过试验和理论分析的方法对其进行研究。目前，爆炸对半球型结构的破坏的理论分析，只能在初始条件和边界条件较简单的情况下用数值模拟方法得到数据，而半球型结构的抗爆具体数值，爆炸造成的内外冲击影响，通过现有的数值模拟方法难以直观准确的获取到数据，存在局限性。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：目前爆炸对半球型结构的破坏的理论分析，只能在初始条件和边界条件较简单的情况下用数值模拟方法得到数据，而半球型结构的抗爆具体数值，爆炸造成的内外冲击影响，通过现有的数值模拟方法难以直观准确的获取到数据，存在局限性。
5.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统，包括半球体实验模块和数据采集模块，所述半球体实验模块包括地面部分和地下稳固部分，所述地面部分底部固定连接地下稳固部分；所述数据采集模块包括冲击波测试单元、热效应测试单元和气体测试单元，所述冲击波测试单元用于采集地面部分和地下稳固部分的内部和外部的冲击波压力数据，所述热效应测试单元用于采集地面部分和地下稳固部分的内部和外部的温度数据，气体测试单元用于采集地面部分和地下稳固部分的内部和外部的气体的成分和浓度数据。
6.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统的一种优选方案，其中：还包括爆炸实验，所述爆炸实验包括内爆炸实验和外爆炸实验，所述内爆炸实验设置于地面部分和地下稳固部分内部，外爆炸实验设置于地面部分和地下稳固部分外部。
7.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统的一种优选方案，其中：所述冲击波测试单元包括压力传感器和固定杆，所述固定杆固定连接压力传感器，并且固定杆指向内爆炸实验或外爆炸实验爆炸点的中心。
8.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统的一种优选方案，其中：所述数据采集模块还包括控制单元和存储单元，所述冲击波测试单元、热效应测试单元
和气体测试单元分别设置有一个以上，并且控制单元分别电性连接冲击波测试单元、热效应测试单元和气体测试单元，所述控制单元电性连接存储单元。
9.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统的一种优选方案，其中：所述压力传感器将采集到的力学信号转化为第一电信号，输入到控制单元，控制单元将第一电信号转化成第一数字信号，存储到存储单元；所述热效应测试单元包括测温传感器，所述测温传感器将采集到的温度信号转化为第二电信号，输入到控制单元，控制单元将第二电信号转化成第二数字信号，存储到存储单元；所述气体测试单元包括气体检测器，所述气体检测器所述压力传感器将采集到的气体信号转化为第三电信号，将采集到的气体成分信号转化为第四电信号，将第三电信号和第四电信号输入到控制单元，控制单元将第三电信号转化成第三数字信号，将第四电信号转化成第四数字信号，存储到存储单元。
10.一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法，包括构建半球体实验模块；设置数据采集模块；通过爆炸实验进行实爆测试,通过数据采集模块采集实验数据。
11.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法的一种优选方案，其中：在地面部分和地下稳固部分的内部和外部设置压力传感器、测温传感器和气体检测器；并按照检测类别对压力传感器、测温传感器和气体检测器进行分组；对同组内的力传感器、测温传感器和气体检测器进行编号。
12.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法的一种优选方案，其中：通过控制单元同步对压力传感器、测温传感器和气体检测器发送检测指令；通过外爆炸实验在地面部分和地下稳固部分的外部进行实爆测试；通过数据采集模块采集实验数据；更换半球体实验模块和数据采集模块损毁的器材；通过内爆炸实验在地面部分和地下稳固部分的内部进行实爆测试；通过数据采集模块采集实验数据。
13.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法的一种优选方案，其中：对内爆炸实验和外爆炸实验的炸药当量进行梯度设置，分别进行实爆测试，并采集数据。
14.作为本发明所述的半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法的一种优选方案，其中：所述爆炸实验的设置包括：步骤1；在同一炸药当量下，将爆炸点与地面部分外壁的之间的距离，进行梯度设置，进行实爆测试，并采集数据；步骤2；在同一炸药当量下，将爆炸点与地面部分内壁的之间的距离，进行梯度设置，进行实爆测试，并采集数据；更换炸药当量，重复步骤1和步骤2，直到完成所有炸药当量的爆炸实验，并采集数据。
15.本发明的有益效果：通过对半球体实验模块进行外爆炸实验和内爆炸实验毁伤元分布的试验系统，通过设置地面部分和地下稳固部分，进行外爆炸实验和内爆炸实验，通过数据采集模块，获取炸药爆炸毁伤元地面部分和地下稳固部分内部和外部的实验数据，有利于对碉堡防护结构和爆炸毁伤元分布特征进行分析，为现代阵地中爆炸对半球形碉堡造成的内外冲击影响提供实验数据，为半球形碉堡相关防护数值仿真模拟提供数据基础，对现代战争有关防御碉堡的防护优化提供试验基础。
附图说明
16.图1为本发明一个实施例提供的一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统中的半球体实验模块结构示意示意图。
17.图2为本发明一个实施例提供的一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统中的基数据采集模块示意图。
18.图3为本发明一个实施例提供的一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法的基本流程示意图。
19.图4为本发明一个实施例提供的一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法的半球体实验模块安装示意图。
20.图5为本发明一个实施例提供的一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统及方法的外爆炸试验半球球面压力时程演化过程示意图。
21.图6为本发明一个实施例提供的一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统及方法的外爆炸试验半球球面压力时程演化过程示意图。
22.图7为本发明一个实施例提供的一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统及方法的外爆炸试验温度测试数据图。
具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。
24.实施例1
25.参照图1和图2，为本发明的一个实施例，提供了一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统，包括半球体实验模块100和数据采集模块200，半球体实验模块100包括地面部分101和地下稳固部分102，地面部分101底部固定连接地下稳固部分102。
26.本实施例中优选的，地下稳固部分102为辅助部分用于对地面部分101进行固定，地面部分101为半球形的壳体。地面部分101和地下稳固部分102可以采用一体成型的混凝土结构，也可以采用一体浇筑的钢铁材料。地下稳固部分102设置于预先挖的基坑中，其周围覆盖有厚土层，进行固定。
27.数据采集模块200包括冲击波测试单元201、热效应测试单元202和气体测试单元203，冲击波测试单元201用于采集地面部分101和地下稳固部分102的内部和外部的冲击波压力数据，热效应测试单元202用于采集地面部分101和地下稳固部分102的内部和外部的温度数据，气体测试单元203用于采集地面部分101和地下稳固部分102的内部和外部的气体的成分和浓度数据。
28.本实施例中优选的，冲击波测试单元201、热效应测试单元202和气体测试单元203各取1个为1组进行布置，冲击波测试单元201、热效应测试单元202和气体测试单元203，可以在地面部分101和地下稳固部分102的交界处的外壁以及地面部分101的顶部外壁布置1组以上；也可以在地面部分101和地下稳固部分102的交界处的内壁以及地面部分101的顶部内壁布置1组以上。
29.还包括爆炸实验300，爆炸实验300包括内爆炸实验301和外爆炸实验302，内爆炸实验301设置于地面部分101和地下稳固部分102内部，外爆炸实验302设置于地面部分101和地下稳固部分102外部。
30.本实施例中优选的，内爆炸实验301可以获取炸药在球面特殊结构密闭空间内的
爆炸毁伤元传播和分布特征，外爆炸实验302可以获取炸药爆炸毁伤元在半球型结构表面的分布特征。
31.冲击波测试单元201包括压力传感器201a和固定杆201b，固定杆201b固定连接压力传感器201a，并且固定杆201b指向内爆炸实验301或外爆炸实验302爆炸点的中心。
32.本实施例中优选的，固定杆201b用于对压力传感器201a进行固定，可以采用膨胀螺栓将固定杆201b远离压力传感器201a固定在地面部分101和地下稳固部分102的内壁或外壁上。压力传感器201a优选采用pcb压力传感器，如进行内爆炸实验301时，pcb压力传感器数量不少于14个，其中9个安装在地面部分101顶部的凹面上，5支安装在地面部分101和地下稳固部分102交界处的内壁上，以便于获取炸药爆炸毁伤元在半球型结构表面的分布特征。pcb压力传感器为高响频传感器，响应时间在1us之内，其量程在0.34mpa-6.8mpa之间，能够对炸药爆炸冲击波的压力进行测量。
33.数据采集模块200还包括控制单元204和存储单元205，冲击波测试单元201、热效应测试单元202和气体测试单元203分别设置有一个以上，并且控制单元204分别电性连接冲击波测试单元201、热效应测试单元202和气体测试单元203，控制单元204电性连接存储单元205。
34.本实施例中优选的，通过控制单元204同步对压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a发送检测指令，压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a同步开始检测，通过存储单元205能够储存检测数据。
35.压力传感器201a将采集到的力学信号转化为第一电信号，输入到控制单元204，控制单元204将第一电信号转化成第一数字信号，存储到存储单元205；热效应测试单元202包括测温传感器202a，测温传感器202a将采集到的温度信号转化为第二电信号，输入到控制单元204，控制单元204将第二电信号转化成第二数字信号，存储到存储单元205；气体测试单元203包括气体检测器203a，气体检测器203a将采集到的气体信号转化为第三电信号，将采集到的气体成分信号转化为第四电信号，将第三电信号和第四电信号输入到控制单元204，控制单元204将第三电信号转化成第三数字信号，将第四电信号转化成第四数字信号，存储到存储单元205。
36.本实施例中优选的，测温传感器202a优选采用接触式热电偶测温传感器，外爆炸实验302时，将接触式热电偶测温传感器固定安装于地面部分101和地下稳固部分102的交界处的外壁以及地面部分101的顶部外壁上，对炸药爆炸后地面部分101一定范围内的温度变化进行捕捉；内爆炸实验301时将接触式热电偶测温传感器固定安装于地面部分101和地下稳固部分102的交界处的内壁以及地面部分101的顶部内壁上，对爆炸后的高温毁伤元进行捕捉。
37.外爆炸实验302时，将气体检测器203a固定安装于地面部分101和地下稳固部分102的交界处的外壁以及地面部分101的顶部外壁上；内爆炸实验301时将气体检测器203a传感器固定安装于地面部分101和地下稳固部分102的交界处的内壁以及地面部分101的顶部内壁上，采集半球内爆炸试验后气体成分和浓度，如监测温压炸药爆炸过程半球内部氧气浓度，以及毒气弹或催泪弹这些特殊炸药的其他毁伤元性能。
38.通过对半球体实验模块100进行外爆炸实验302和内爆炸实验301毁伤元分布的试验系统，通过设置地面部分101和地下稳固部分102，进行外爆炸实验302和内爆炸实验301，
通过数据采集模块200，获取炸药爆炸毁伤元地面部分101和地下稳固部分102内部和外部的实验数据，有利于对碉堡防护结构和爆炸毁伤元分布特征进行分析，为现代阵地中爆炸对半球形碉堡造成的内外冲击影响提供实验数据，为半球形碉堡相关防护数值仿真模拟提供数据基础，对现代战争有关防御碉堡的防护优化提供试验基础。
39.实施例2
40.参照图3和图4，该实施例基于上一个实施例，与上一个实施例不同之处在于。还包括一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验方法，包括：
41.s1:构建半球体实验模块100。
42.参照图4，本发明的用于获取半球型结构内外爆炸毁伤元分布的试验系统，主要由半球型试验体主体结构、半球试验体爆炸试验布置和信号数据测试系统组成。半球体实验模块100包括地面部分101和地下稳固部分102。如图4所示，地面部分101采用半径为2.7m的地上球面防护结构，地下稳固部分102深度为2m。本发明的地面部分101和地下稳固部分102由混凝土浇筑而成，截面形状为半圆形，地下稳固部分102的周围的a处为覆厚土层，厚土层需要将地面部分101完整露出在地面上方，紧贴地面部分101的土层需要层层夯实，厚土层可以吸收炸药爆炸后传递到球面结构上的应力波，壁面球体结构出现破坏。
43.s2:设置数据采集模块200。
44.参照图4，地面部分101内壁的黑点为压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a的参考安装位置。压力传感器201a，用于采集爆炸产生的冲击波压力数据；测温传感器202a用于采集炸药爆炸后在半球内外球面特定范围的温度数据，用于推演半球结构表面的高温毁伤元演化过程；气体检测器203a用于对爆炸产生的气体成分及浓度数据，用于推演气体模式毁伤元的形式。
45.在地面部分101和地下稳固部分102的内部和外部。设置压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a；
46.并按照检测类别对压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a进行分组；
47.对同组内的力传感器201、测温传感器202a和气体检测器203a进行编号。
48.如各压力传感器201a为第一组，其中包括一个以上的压力传感器201a；测温传感器202a为第二组，其中包括一个以上的测温传感器202a；气体检测器203a为第三组，其中包括一个以上的气体检测器203a。
49.s3:通过爆炸实验300进行实爆测试。
50.采用不用当量的炸药在地面部分101和地下稳固部分102内部进行内爆炸实验301，在地面部分101和地下稳固部分102外部进行外爆炸实验302。
51.s4:通过数据采集模块200采集实验数据。
52.通过控制单元204同步对压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a发送检测指令；
53.通过外爆炸实验302在地面部分101和地下稳固部分102的外部进行实爆测试；
54.通过数据采集模块200采集实验数据；
55.更换半球体实验模块100和数据采集模块200损毁的器材；
56.通过内爆炸实验301在地面部分101和地下稳固部分102的内部进行实爆测试；
57.通过数据采集模块200采集实验数据。
58.首先进行外爆炸实验302，因为外爆炸实验302对地面部分101和地下稳固部分102上安装的压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a破坏力相比内爆炸实验301较小，可以减少对压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a的损伤，减少实验耗材，降低实验成本。
59.对内爆炸实验301和外爆炸实验302的炸药当量进行梯度设置，分别进行实爆测试，并采集数据。
60.爆炸实验300的设置包括：
61.步骤1；在同一炸药当量下，将爆炸点与地面部分101外壁的之间的距离，进行梯度设置，进行实爆测试，并采集数据；
62.步骤2；在同一炸药当量下，将爆炸点与地面部分101内壁的之间的距离，进行梯度设置，进行实爆测试，并采集数据；
63.更换炸药当量，重复步骤1和步骤2，直到完成所有炸药当量的爆炸实验，并采集数据。
64.并将各个压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a采集的冲击波压力数据、温度数据、气体的成分和浓度数据按照炸药当量、爆炸点与地面部分101外壁的之间的距离和爆炸点与地面部分101内壁的之间的距离，进行分类统计，并且使各个压力传感器201a、测温传感器202a和气体检测器203a的编号与冲击波压力数据、温度数据、气体的成分和浓度数据一一对应，完成数据的采集和整理。
65.通过对半球体实验模块100进行外爆炸实验302和内爆炸实验301毁伤元分布的试验系统，通过设置地面部分101和地下稳固部分102，进行外爆炸实验302和内爆炸实验301，通过数据采集模块200，获取炸药爆炸毁伤元地面部分101和地下稳固部分102内部和外部的实验数据，有利于对碉堡防护结构和爆炸毁伤元分布特征进行分析，为现代阵地中爆炸对半球形碉堡造成的内外冲击影响提供实验数据，为半球形碉堡相关防护数值仿真模拟提供数据基础，对现代战争有关防御碉堡的防护优化提供试验基础。
66.实施例3
67.参照图5至图7，为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种半球型结构爆炸毁伤元分布的试验系统及方法的实验验证，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
68.本实验中内爆炸实验301的爆炸中心在地面部分101轴心线上，并且距离1m地面处，炸药为制式不同当量的温压药柱，温压药柱通过三角架进行固定。在冲击波测试单元中，pcb压力传感器编号为：地面部分101轴心线下方为1号、地面部分101轴心线上方为2号，与地面部分101轴心线45
°
夹角下方为3号、与地面部分101轴心线45
°
夹角上方为4号，与地面部分101轴心线90
°
夹角下方为5号、与地面部分101轴心线90
°
夹角为6号，与地面部分101轴心线135
°
夹角下方为7号、与地面部分101轴心线135
°
夹角下方为8号，地面部分顶部为9号，以上pcb压力传感器对应量程分别为：3.4mpa、3.4mpa、1.38mpa、1.38mpa、0.69mpa、0.69mpa、0.34mpa、、0.34mpa、3.4mpa。在地面部分101压力测点1号、3号、5号和7号处均设置1个接触式热电偶测温传感器，在顶部固定1个接触式热电偶测温传感器。2号、4号、6号和8
号处分别设置一个气体检测器203a，调试完成所有测试系统后，开展了0.5kg、1kg、1kg(tnt)等不同当量的温压爆炸试验，部分试验结果如图5、图6和图7所示。
69.本发明的进一步设计方案中，围绕述半球体实验模块100外爆炸试验302布置开展顶部空爆、顶部触顶爆和外部触地爆等试验可以得到述半球体实验模块100外表面炸药爆炸毁伤元分布特征。本发明的进一步设计方案中，在述半球体实验模块100上的门框处安装防护门，用以研究炸药爆炸后防护门的动力响应，为特殊防护门防护性能创新提供支持。
70.应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
71.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。