基于阻抗匹配原理的航行体头部高速入水砰击载荷测量装置及其设计、安装与测量方法

本发明属于入水砰击压力载荷测量领域，具体地，涉及一种基于阻抗匹配原理的航行体头部高速入水砰击载荷测量装置及其设计、安装与测量方法。

背景技术：

1、当航行体高速入水时，由于水的密度远大于空气，其头部会承受巨大的砰击载荷，极易导致结构破坏或内部设备失效，进而使航行体入水后无法正常工作。因此，系统研究高速入水砰击载荷作用下航行体的结构响应与设备防护，对于其结构设计具有重要的工程意义。在这一研究中，通过试验获取高速入水过程中的砰击载荷，并结合理论方法建立入水速度与结构响应之间的量化模型，是不可或缺的关键环节，而实现该环节的前提，是能够准确、有效地测量高速入水砰击载荷。

2、目前，关于航行体高速入水砰击载荷的测量试验，主要集中于其内部关键部件的加速度响应测量，而针对入水瞬间航行体头部砰击压力的直接测量，则鲜有有效的试验数据披露。在头部砰击载荷的测量方面，传统方法是将压力传感器安装于航行体头部，利用传感器敏感端受砰击压力产生的电压信号实现测量，但此类方法仅对低速入水工况有效。航行体高速入水时，头部砰击压力载荷具有幅值高、脉宽短的特点，破坏性极强。常用的封装电气石传感器壳体抗冲击能力有限，在头部与水面发生砰击的瞬间，强应力波极易造成传感器壳体的焊接或螺纹连接部位发生断裂破坏，从而导致压力测量数据失真。正是受此制约，传统方法无法对高速入水砰击的压力载荷进行有效测量。

3、专利文献cn107063843b授权了一种水下极近场电火花气泡壁压载荷测量实验装置。该装置基于霍普金森杆结构与原理，通过测量金属杆内传播的应变信号，将其转化为应力信号，间接实现了高幅值壁面压力的有效测量。该装置原理上可进行高幅值砰击载荷的测量，然而，由于应力波在金属介质中的传播速度极高，若要完整获取砰击压力载荷的时历曲线且不受杆内反射波的干扰，通常需要保证杆长足够长。对于内部空间有限的航行体结构而言，这种长杆构型几乎无法合理布置与安装，从而制约了该类方法在航行体头部高速入水砰击载荷直接测量中的实际应用。

4、综合国内外研究现状，目前尚无能够有效测量航行体高速入水头部砰击压力载荷的装置与方法。这一关键环节的缺失，使得高速入水结构响应研究的重要一环始终未能完善，严重制约了航行体高速入水结构抗冲击机理和降载结构设计技术的发展。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提出了基于阻抗匹配原理的航行体头部高速入水砰击载荷测量装置及其设计、安装与测量方法，设计一种水激波管结构，其首部采用声阻抗与水接近的聚氨酯材料制成，内部充水，从而构成整体声阻抗匹配的腔体结构。在高速入水试验中，将该水激波管结构安装于航行体头部，并使聚氨酯首部端面与航行体头部外表面保持平齐。当测量装置随航行体高速砰击水面时，进行砰击压力的测量与反演，即可获得航行体头部入水瞬间的砰击载荷参数，实现入水砰击载荷的间接测量。

2、基于阻抗匹配原理的航行体头部高速入水砰击载荷测量装置：

3、所述砰击载荷测量装置包括：直管型激波管结构、聚氨酯激波管管帽、密封圈、安装基座、压力传感器、入水旁支管、出水旁支管和密封防水螺丝；

4、所述直管型激波管结构为内部光滑的直管结构，其首部完全敞开并设置外螺纹，尾部设置有螺纹孔，用于与压力传感器螺纹连接；侧壁分别设置有入水旁支管、出水旁支管；

5、所述聚氨酯激波管管帽的管帽内部为内螺纹结构，与直管型激波管结构的首部外螺纹连接；

6、所述安装基座螺纹连接于直管型激波管结构的首部，所述安装基座的外壁首部设置有外螺纹，用于与航行体头部结构螺纹安装固定；

7、所述密封防水螺丝与出水旁支管螺纹配合，实现出水旁支管的开闭密封。

8、进一步地，所述聚氨酯激波管管帽的材质选择为波阻抗与水接近的硬质聚氨酯材料，

9、所述安装基座内部为两段阶梯结构；其中首段阶梯内壁光滑，内径大于聚氨酯激波管管帽的外径，用于容纳聚氨酯激波管管帽；

10、所述安装基座的尾段阶梯内壁设置内螺纹，用于与直管型激波管结构螺纹连接。

11、进一步地，所述密封圈设置于聚氨酯激波管管帽与直管型激波管结构的螺纹配合端面之间，用于实现管帽与激波管的轴向密封。

12、进一步地，所述入水旁支管尾部设置外螺纹，用于安装小型球阀或单向阀；

13、所述出水旁支管内部设置内螺纹，且出水旁支管的内螺纹长度与密封防水螺丝的螺纹长度一致。

14、进一步地，试验开展前，所述直管型激波管结构、聚氨酯激波管管帽、密封圈、压力传感器、入水旁支管、出水旁支管与密封防水螺丝共同围合形成密闭直管空间，所述密闭直管空间内封装有无气泡水介质；

15、航行体头部与航行体中部螺纹连接，所述砰击载荷测量装置通过安装基座的外螺纹固定安装于航行体头部，直管型激波管结构沿航行体轴向延伸并伸入航行体中部的内腔中，构成间接式砰击载荷测量结构；

16、航行体高速入水砰击水面的瞬间，聚氨酯激波管管帽与水面共轴撞击产生分别远离接触面的压应力波，聚氨酯激波管管帽内的应力波基于阻抗匹配原理完全透射入所述水介质中形成平面初始冲击波；

17、所述平面初始冲击波沿直管型激波管结构的管轴线方向平面一维传播，由高幅值短脉宽波形转化为低幅值长脉宽波形后被压力传感器采集。

18、一种基于阻抗匹配原理的航行体头部高速入水砰击载荷测量装置的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

19、步骤1：确认航行体头部结构、压力传感器外壳的材料及其波阻抗，并确认水的波阻抗；

20、步骤2：确认航行器头部砰击压力的最大测量需求值、最小脉宽，压力传感器的测量量程；

21、步骤3：确定压力传感器的安装半径，并以此设计直管型激波管结构的内径；

22、步骤4：根据步骤1、步骤2的确定参数，设计直管型激波管结构的内管长；

23、步骤5：根据步骤1、步骤2、步骤3的确定参数，设计直管型激波管结构的内壁厚度。

24、一种基于阻抗匹配原理的航行体头部高速入水砰击载荷测量装置的安装方法：

25、s1：将安装基座通过螺纹旋入直管型激波管结构首部外螺纹的螺纹末端；

26、s2：从直管型激波管结构首部位置，依次安装密封圈、聚氨酯激波管管帽；

27、s3：将安装基座沿螺纹向直管型激波管结构首部方向旋转，直至安装基座首部与聚氨酯激波管管帽头部平齐；

28、s4：将压力传感器安装在直管型激波管结构尾部的螺栓孔处，螺纹处进行防水密封处理；

29、s5：将小型球阀或单向阀连接在入水旁支管尾部螺纹处，持续通水，直至直管型激波管结构内的水从出水旁支管溢出；

30、s6：将密封防水螺丝旋入出水旁支管的内螺纹；

31、s7：关闭小型球阀开关，停止通水；

32、s8：将所述砰击载荷测量装置通过安装基座的外螺纹安装在航行体头部；保持聚氨酯激波管管帽的头部平面与航行体头部外表面平齐，完成安装。

33、一种基于阻抗匹配原理的航行体头部高速入水砰击载荷测量装置的测量方法：

34、步骤s1，将安装好的砰击载荷测量装置进行高速入水砰击试验；驱动航行体砰击水面，航行体头部与水面共轴撞击产生压应力波，应力波经聚氨酯激波管管帽阻抗匹配透射后，在直管型激波管结构内的水介质中形成平面初始冲击波；

35、步骤s2，管内冲击波传播与采集：平面初始冲击波沿直管型激波管结构的轴向做平面一维传播，传播过程中冲击波幅值逐步衰减、脉宽逐步展宽，最终传播至管尾位置，由压力传感器完成冲击信号采集；

36、步骤s3，测量信号修正与参数提取：结合水介质与压力传感器壳体的阻抗，对采集到的压力信号进行修正，得到管尾位置的入射冲击波真实参数，并提取冲击波的压力峰值与脉宽；

37、步骤s4，管口初始冲击波反演：基于平面一维冲击波的传播规律，根据管尾入射冲击波参数与直管型激波管结构的管长，计算得到激波管管口位置的初始冲击波压力峰值与脉宽；

38、步骤s5，换算实际砰击载荷：基于阻抗匹配理论，由管口初始冲击波参数计算得到航行体头部入水瞬间的实际砰击压力峰值与脉宽；

39、步骤s6，输出航行体头部高速入水砰击载荷的最终测量结果。

40、相较于现有技术，本发明的有益效果为：

41、本发明所提出的装置为一种间接测量装置，其利用阻抗匹配原理及冲击波在激波管内可控一维衰减的特性，将航行体高速入水瞬间产生的幅值高、脉宽短且极具破坏性的砰击压力载荷，可控地转化为低幅值、较长脉宽的管内冲击波载荷，从而可由压力传感器安全、有效地进行测量。

42、同时，本发明的测量方法基于成熟的应力波理论和冲击波一维传播特征线法建立，能够依据压力传感器测得的载荷数据，准确反演高速入水砰击的真实压力状态，实现了高速入水砰击压力载荷的有效间接测量，填补了该领域的技术空白。