一种测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统

1.本实用新型属于测量爆炸产物能量分配比例关系技术领域，具体涉及一种测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统。


背景技术：

2.现有工程中常常对炸药爆轰过程产生的巨大能量进行有益利用，例如，楼房爆破拆除时要求爆炸能量准确、有序地作用在楼房主要承载部位；城市地铁隧道爆破开挖时要能精准的控制爆炸产物携带的能量，防止对围岩体、结构体过度破坏和过量的爆破振动对地面建筑的损伤。因此，为了解决这些问题，工程中常采用改变炸药的装药形式、调整爆破参数等方式进行优化，其优化方式的好坏可以用爆炸产物的能量利用率进行表征，炸药爆炸在极短的时间释放出巨大的能量，主要是以爆炸应力波和爆生气体进行传播；目前，对爆炸近区能量和强度等参数的实验测量还很难实现；准确掌握爆炸应力波和爆生气体携带的能量，可以更好的利用炸药爆轰过程，服务我国工程爆破行业。
3.现有技术中研究认为，炸药爆炸后产生爆炸应力波和爆生气体，被爆物内最初裂隙的形成是由爆炸应力波造成的，随后爆生气体楔入被爆目标物内最初形成的裂隙，并在准静态压力作用下，使由爆炸应力波形成的裂隙进一步扩展，最终导致被爆物的破碎；然而，极少研究能分离爆炸产物中爆炸应力波和爆生气体的能量分配比例，关于测试不同约束条件下爆生气体作用能力的实验系统和方法也十分有限。
4.基于上述爆炸产物能量分配比例中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统，旨在解决现有爆炸产物能量分配比例关系实验测试的问题。
6.本实用新型提供一种测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统，所述实验系统包括爆炸加载装置、速度采集装置、应变采集装置以及计算机；爆炸加载装置能够装载于钢杆上，从而能够在爆炸过程中向钢杆施加平面波加载；速度采集装置与计算机电连接，并用于测量爆炸加载装置中的盖板在爆炸过程中的飞行速度；应变采集装置与计算机电连接，并用于测量钢杆在不同不耦合系数下爆炸过程中的应力变化；其中，所述应变采集装置包括超动态应变采集仪和多组应变片；所述钢杆沿竖直方向固定在底座上，多组所述应变片上下间隔设置于所述钢杆上，每组所述应变片包括两片应变片，每组的两片应变片的高度一致；各组所述应变片分别通过半桥连接方式接入桥盒，各个桥盒分别与所述超动态应变采集仪的接口连接。
7.进一步地，爆炸加载装置包括盖板、套筒以及垫片；套筒下端的通道能够套接在钢杆上；垫片设置于套筒的通道内，并位于钢杆的上端；垫片用于盛放炸药；盖板设置于套筒的通道内，并位于垫片的上端；盖板能够与套筒相分离；爆炸加载装置能够通过调节盖板与
炸药之间的距离，从而改变通道内的药仓空间，进而实现相同药量在不同不耦合系数和不同大小的约束作用下爆炸对钢杆进行平面波加载。
8.进一步地，套筒的通道内设有圆环卡槽，垫片呈水平状卡接在圆环卡槽上；盖板上套接有橡胶圈，橡胶圈的外径大于通道的内径；盖板的一端设置于套筒的通道内，并通过橡胶圈挂接在套筒的上端面。
9.进一步地，钢杆为已知杨氏模量的钢杆，钢杆的高度为400mm，钢杆的直径为50mm；套筒和钢杆的材料一致；垫片为钢制材料制成。
10.进一步地，垫片的直径为50mm，垫片的厚度为10mm；套筒的内径为51mm，套筒的外径为71mm，套筒的高度为50mm；圆环卡槽的外径为51mm，圆环卡槽的内径为49mm，圆环卡槽的厚度为1mm，圆环卡槽距离套筒底部的距离为15mm；盖板的直径为50mm，盖板的高度为40mm。
11.进一步地，速度采集装置为高速相机，高速相机设置于爆炸加载装置侧边的2m处，从而能够检测盖板在爆炸过程中的飞行速度；或者，速度采集装置为测速仪，测速仪设置于盖板顶部的两侧，并距离盖板10mm，从而能够检测盖板在爆炸过程中的飞行速度。
12.进一步地，不耦合系数α＝v
药仓
/v
炸药
。
13.本实用新型提供的测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统，能够研究爆炸产物中爆炸应力波和爆生气体的能量分配比例、测试不同约束条件下爆生气体的作用能力，对于有效利用炸药能量、保证爆破质量，提升爆破效率以及提高施工效率有着重要意义。
附图说明
14.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
15.以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：
16.图1为本实用新型爆炸加载装置加载状态的主视图；
17.图2为本实用新型爆炸加载装置加载状态的俯视图；
18.图3为本实用新型爆炸加载装置未加载状态主视图；
19.图4为本实用新型测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统示意图；
20.图5为本实用新型2g药量进行不耦合系数为1、2、+∞三次爆炸实验获得的三条应变-时间曲线；
21.图6为本实用新型2g ddnp在三种不同装药结构下起爆应变示意图；
22.图7为本实用新型炸药和药仓比例示意图。
23.图中：1.盖板；2.炸药；3.套筒；4.橡胶圈；5.垫片；6.钢杆；7.高速相机；8.计算机；9.超动态应变采集仪；10.第一应变片；11.第二应变片；12.第三应变片；13.第四应变片；14.五应变片；15.底座；16.测速仪；17.第一桥盒；18.第二桥盒；19.第三桥盒；20.第四桥盒；21.第五桥盒。
具体实施方式
24.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
25.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
26.此外，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
27.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
28.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。
29.如图1至图6所示，本实用新型提供一种测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统，所述实验系统包括爆炸加载装置、速度采集装置、应变采集装置以及计算机8；爆炸加载装置能够装载于钢杆6上，从而能够在爆炸过程中向钢杆6施加平面波加载；速度采集装置与计算机8电连接，并用于测量爆炸加载装置中的盖板1在爆炸过程中的飞行速度；应变采集装置与计算机8电连接，并用于测量钢杆6在不同不耦合系数下爆炸过程中的应力变化；本实用新型提供的测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统，用于研究爆炸产物中爆炸应力波和爆生气体的能量分配比例、测试不同约束条件下爆生气体的作用能力，对于有效利用炸药能量、保证爆破质量，提升爆破效率以及提高施工效率有着重要意义。
30.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，爆炸加载装置包括盖板1、套筒3以及垫片5；其中，套筒3下端的通道能够夹紧套接在钢杆6上；垫片5设置于套筒3的通道内，并位于钢杆6的上端；该垫片5用于盛放炸药2；进一步地，盖板1设置于套筒3的通道内，并位于垫片5的上端，并且盖板1与炸药2之间形成药仓空间；盖板1能够与套筒3相分离，即在爆炸过程中，盖板1能够分离套筒3；进一步地，爆炸加载装置能够通过调节盖板1与炸药2之间的距离，从而改变通道内的药仓空间，进而实现相同药量在不同不耦合系数和不同大小的约束作用下爆炸对钢杆6进行平面波加载。
31.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，套筒3的通道内设有圆环卡槽，垫片5呈水平状卡接在圆环卡槽上；进一步地，盖板1上套接有橡胶圈4，橡胶圈4的外径大于通道的内径，这样使得橡胶圈4可以挂在套筒3的上端面上；具体地，盖板1的一端设置于套筒3的通道内，并通过橡胶圈4挂接在套筒3的上端面，从而实现分离安装。
32.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，钢杆6为已知杨氏模量的钢杆，钢杆6的高度为400mm，钢杆6的直径为50mm；套筒3和钢杆6的材料一致；垫片5为钢制材料制成；此处需要强调说明的是，由于爆炸测试实验为精细实验测试，因此各个部件的尺寸经长期合理
研究和设计，具有良好的实验结果，并非常规的尺寸设计。
33.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，垫片5为扁圆柱体，垫片5的直径为50mm，垫片5的厚度为10mm；进一步地，套筒3的内径为51mm，套筒3的外径为71mm，套筒3的高度为50mm；进一步地，圆环卡槽的外径为51mm，圆环卡槽的内径为49mm，圆环卡槽的厚度为1mm，圆环卡槽距离套筒3底部的距离为15mm，圆环卡槽使套筒3和垫片5卡接在一起上，起约束作用的同时不至发生滑动；进一步地，盖板1为圆柱结构，盖板1的直径为50mm，盖板1的高度为40mm；采用上述方案，可以将炸药2平铺在垫片5的上方，套筒3和盖板1分别给予爆炸以侧向和上部约束，通过调节盖板1与炸药的距离改变药仓空间，实现在不同不耦合系数和不同大小的约束作用下爆炸，对钢杆6进行平面波加载；此处需要强调说明的是，由于爆炸测试实验为精细实验测试，因此各个部件的尺寸经长期合理研究和设计，具有良好的实验结果，并非常规的尺寸设计。
34.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，应变采集装置包括超动态应变采集仪9和多组应变片；具体地，钢杆6沿竖直方向固定在底座15上，底座15为钢制套筒结构，底座15的内径为50.5mm，底座15的高为100mm，底座15的侧壁设置有螺杆，将钢杆6置于底座15中，旋紧螺杆，使钢杆6下端面保持悬空的自由面状态，并在爆炸时不会向下运动；具体地，五组应变片分别距离钢杆6上端面100mm、150mm、200mm、250mm以及300mm设置于钢杆6上，即在钢杆6上沿钢杆6的轴向距离钢杆6上端面100mm、150mm、200mm、250mm以及300mm分别设有一组应变片，保证同组应变片高度一致，避免因位置差异导致应变数据不准，上述距离设计根据长期的实验研究而来，并非简单的选择性布置；具体地，每组应变片包括两片应变片，每组的两片应变片的高度一致；五组应变片分别通过半桥连接方式接入桥盒，五个桥盒分别与超动态应变采集仪9的五个接口连接，调整超动态应变采集仪的参数以确保五个接口以及相应的应变片处于正常工作状态，接入计算机终端以采集实验数据；采集爆炸时钢杆上不同测点处的应变信号，获得钢杆中爆炸应力波的信息。
35.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，为了测量爆炸时盖板的飞行速度，速度采集装置为高速相机7，高速相机7设置于爆炸加载装置侧边的2m处，从而能够检测盖板1在爆炸过程中的飞行速度；具体地，在距离盖板约2m处架设高速相机，在试件(即盖板1)两侧合适位置架设照明灯，相机和照明灯均需要以亚克力板做适当保护，调整相机焦距、光圈，设置合适的拍摄帧率，并调整高速相机的位置和高度，在计算机8终端使盖板1以合适的大小，较好的清晰度和亮度呈现在相机的视场中；爆炸时记录盖板1开始飞行到下端面飞出套筒的时间，已知飞行距离，推算盖板的飞行速度；作为另一实施例，速度采集装置为测速仪16，测速仪16设置于盖板1顶部的两侧，并且测速仪16与盖板1的距离为10mm，调整位置，使盖板1在爆炸后可以无接触飞行经过速度采集仪，直接测得盖板1的飞行速度，即测速仪16能够检测盖板1在爆炸过程中的飞行速度。
36.具体地，常见的装药不耦合系数指的是炮孔直径与装药直径的比值，即α＝r
炮孔
/r
药包
，但是如图7所示，在本技术方案中，不耦合系数α有新的表达含义，指的是炸药在药仓中的体积比例，即α＝v
药仓
/v
炸药
，由于炸药和药仓直径相同，所以α＝h
药仓
/h
炸药
；不耦合系数α的优选参考至请参阅附图6。
37.相应地，结合上述方案，如图1至图6所示，本实用新型还提供一种测量爆炸产物能量分配比例关系的实验方法，该实验方法具体采用上述实验系统来实现；具体地，所述实验
方法包括以下过程：
38.s1：装载炸药：将起爆线预埋至套筒3通道内的垫片5上，再将预设量的炸药2平铺在垫片5上；将盖板1盖在通道内，并与炸药2保持预设距离；具体地，该距离是能够调节钢杆6在不同不耦合系数下爆炸过程中的应力变化；
39.s2：装载速度采集装置：将速度采集装置设置于盖板1的侧边，从而能够监测盖板1在爆炸过程中的飞行速度；
40.s3：连接应变采集装置：将多组应变片沿竖直方向间隔设置于钢杆6上，每组应变片包括两片应变片，每组的两片应变片的高度一致；将各组应变片分别通过半桥连接方式接入桥盒，并将各个桥盒分别与超动态应变采集仪9的接口连接；将超动态应变采集仪9与计算机8连接，从而实现数据接收；
41.s4：进行试验：将起爆线接入起爆器，待起爆器准备完成后打开开关，完成爆炸过程；
42.s5：数据处理与分析：通过计算机8采集相同质量药量在不同不耦合系数和不同大小的约束作用下爆炸获得钢杆6中不同测点随时间变化的电压信号，在通过电压值乘以应变片标定系数可得不同测点的应变-时间曲线；
43.具体地，采用上述方案，爆炸产生的应力波作用和爆生气体作用于钢杆6和盖板1，通过改变药仓空间从而实现不同不耦合系数和约束下的爆炸，其中不耦合系数的范围为1至10，不耦合系数为1、2-10、+∞分别对应强约束、弱约束、无约束三种状态，由于改变装药结构引起了炸药爆炸的气体作用的能量，因此改变了爆炸传递给钢杆6的能量，爆炸应力波和不同不耦合系数下对应的不同大小能量的爆生气体作用于钢杆6，形成了一个叠加的平面爆炸波，以应变采集装置获得的钢杆6中不同测点处的应变信号来表征平面爆炸波在钢杆中的传递过程，获得相同药量下不同不耦合系数炸药爆炸产生的爆炸波的电压信号，将电压信号乘以应变片的标定系数，获得不同不耦合系数爆炸加载下钢杆6不同测点处的应变信号，选取同一测点处的应变数据，可以发现不同不耦合系数下爆炸加载产生的应变-时间曲线具有明显的峰值差异和应变率的差异，以应变-时间曲线的斜率和峰值等可以定量的表征不同不耦合系数装药结构下爆炸传递给钢杆6的能量；进一步地，由速度采集装置获得爆炸时盖板1的飞行速度，已知盖板1的质量，应用动能公式可获得爆炸传递给盖板1的能量，在不同不耦合系数下进行爆炸，气体作用的能量有明显差异，该值的大小即可表征相同药量在不同不耦合系数下爆炸产生气体作用的能量差异。
44.优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，s1步骤中，爆炸加载装置通过调节盖板1与炸药2之间的距离，从而改变通道内的药仓空间，进而实现相同药量在不同不耦合系数和不同大小的约束作用下爆炸对钢杆6进行平面波加载；具体地，不耦合系数包括1、2-10、+∞；即将盖板1置于套筒3中时，可改变盖板1下端面与炸药2的距离，实现不耦合系数为1、2-10、+∞三种爆炸状态。
45.s2步骤中，速度采集装置为高速相机7，将高速相机7设置于爆炸加载装置侧边的2m处，从而能够检测盖板1在爆炸过程中的飞行速度；进一步地，作为另一实施例，速度采集装置为测速仪16，将测速仪16设置于盖板1顶部的两侧，并距离盖板10mm，从而能够检测盖板1在爆炸过程中的飞行速度；
46.优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，s3步骤中，五组应变片分别距离钢杆6上
端面100mm、150mm、200mm、250mm以及300mm设置于钢杆6上，保证同组应变片高度一致，避免因位置差异导致应变数据不准。
47.具体地，作为一个具体测试实施例，如图5所示，在2g药量下分别进行了不耦合系数为1、2、+∞三次爆炸实验，获得的三条应变-时间曲线，其平均斜率之比可以表征同一药量下不同不耦合系数爆炸传递给钢杆的能量差异；在已知盖板1的质量和飞行速度时，由动能公式计算爆炸传递给盖板的能量，这一能量值即是该不耦合系数下炸药爆炸产生气体作用的能量；进一步地，钢杆6可以视作弹性体结合下图实测波形可以看出钢杆6中的应力波基本无衰减、且波形弥散小，可以认为爆炸应力波在钢杆中以平面波的形式传播。
48.进一步地，如图6所示，具体为2g ddnp在3种不同装药结构下起爆，钢杆6中同一位置应变片的应力波波形对比，对比波形均为第1次压应力波；3组压应力波起跳时间一致，说明传播速度相同，波的持续时间也基本相同；但应变增速和增幅不同，不耦合系数为1的应力波加载阶段增速更快，而不耦合系数为2和+∞的应力波在加载段具有相同的斜率，区别在于峰值不同。
49.本实用新型提供的测量爆炸产物能量分配比例关系的实验系统及方法，能够研究爆炸产物中爆炸应力波和爆生气体的能量分配比例、测试不同约束条件下爆生气体的作用能力，对于有效利用炸药能量、保证爆破质量，提升爆破效率以及提高施工效率有着重要意义。
50.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。