基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的装置和方法与流程

1.本发明属于动态测试技术领域，具体涉及一种基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的装置和方法。


背景技术：

2.高g值激励主要是利用气炮等高速冲击装置产生一定幅值和脉宽的加速度信号，作用于被检测加速度计、电子器件、防护结构等用以测试样件的抗加速度过载性能。当前获取高g值激励的方法主要分为两种，一是taylor撞击，二是空气炮冲击加载。taylor撞击是将被检测目标放置于试验弹体内部，通过火炮或气炮发射弹体，弹体着靶过程中产生高g值加速度对弹体内部的样件进行加载，可通过调整弹体前端材质、构型和靶体力学性质实现不同幅值和脉宽的加速度激励。空气炮冲击加载主要是采用高速发射的模拟弹体撞击质量较大的底座，利用底座产生的加速度对样件进行激励加载，通过调整弹体与底座间的脉冲整形器调整激励加速度的脉宽和幅值。上述两种方法均通过弹体与靶体间的高速碰撞产生加速度过载，通过调整二者间的脉冲整形器（一般为铝、铜、毡垫等可变形材质）对弹体或底座的加速度幅值、脉宽进行调整，受限于弹体冲击有限的能量，仅适合产生长脉宽、低幅值或者短脉宽、高幅值的信号，难以产生长脉宽、高幅值的激励加速度，气炮实验操作和测试较为复杂、成本较高；其次，上述两种常用加载方法在进行高g值冲击实验、尤其是进行缓冲结构动态力学响应测试时均无法有效控制弹体的二次冲击对测试结果的影响。最后，上述两种实验分别是将被检测的元器件或缓冲结构放置于弹体内部和发射管内部，样件安装空间十分有限，难以开展较大尺寸的样件检测。
3.为此，本发明提供一种水下爆炸加载的方法来获得不同脉宽和幅值的加速度激励，该方法与taylor撞击和气体炮实验相比成本低、效率高，通过调整结构参数获得宽范围内的加速度激励，并严格控制被检测结构和元件承受单次加载，获得准确的检测结果。


技术实现要素：

4.本发明为了获取高幅值、长脉宽、可调控的激励加速度脉冲，提供了一种在水下爆炸产生高g值加载脉冲的装置和方法。
5.本发明采取以下技术方案：一种基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的装置，包括水槽，水槽为顶部敞口的圆筒，固定于支架上，支架上开有与水槽同心的圆形通孔，通孔内从上到下依次嵌套有活塞、整形器、加载底座，活塞与通孔密封相接，整形器用以延缓冲击载荷的作用时间，提高加载底座加速度脉宽，加载底座上端为圆柱体、下端为锥形圆台，圆柱体用于加载底座的运动导向，圆台内部安装加速度计用于测量激励加速度信号；水槽中储水，水中悬有药柱，药柱距离活塞表面预设爆炸距离；还包括具有延展性的金属背板，背板周向固支于支架底面，被测样件贴附在背板底面，位于通孔圆心处；支架通过立架支撑离地，被测样件下放置回收装置，回收装置为内部填充柔性材料的壳体，用以捕捉回收被检测样件。
6.进一步地，背板为铝合金薄板，周边固支于支架底面，背板的可变形区域直径大于支架通孔直径，背板在加载底座冲击的作用下产生挠曲变形并在完成加载后拦截加载底座防止产生二次加载。
7.进一步地，活塞为铝合金圆形厚板，活塞的直径比支架通孔小1-2mm，活塞的圆周上箍有两道密封圈与支架通孔间形成防水密封装配。
8.进一步地，药柱为rdx基混合炸药，使用引线悬吊在水槽中心线上，药柱与活塞上表面间的爆炸距离大于活塞半径。
9.进一步地，药柱包括上小、下大的两级同轴圆柱体，上部分圆柱体用以传递并扩大雷管激发的爆轰波，下部分圆柱体为主装药柱，产生向下传播的平面波。
10.进一步地，药柱为钝化黑索金和石蜡按照质量比为95：5的比例压制而成，密度1.6g/cm3。
11.进一步地，回收装置内部采用毡垫和eva泡沫间隔层状填充。
12.进一步地，水槽为pvc管，底端采用防水胶与支架表面防水密封。
13.一种基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的方法，使用前述的基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的装置，包括以下步骤：s1：在支架上依次安装背板、加载底座、整形器和活塞；活塞与支架间通过密封圈紧密装配，且在接触面上涂覆真空脂减小运动摩擦力；s2：将水槽安装于支架表面，并在周边涂抹防水材料，将药柱固定于水槽中线一定高度处，然后在水槽内注满水；药柱距活塞表面的爆炸距离大于或等于活塞半径，水槽的直径和高度均大于或等于爆炸距离的两倍；s3：安装被试样件，采用真空脂或凡士林固定被试样件，被试样件与背板间无安装间隙；s4：检测起爆和测试系统正常后，激发药柱并回收被试样件；通过加载底座内的加速度计即可获得样件的激励载荷信息。
14.进一步地，加载底座内的加速度计采用存储式无线测量装置。
15.与现有技术相比，本发明的优势在于：1、本发明采用水作为爆炸加载介质，充分利用其不可压缩性，基于小药量爆炸即可产生较高幅值和较大脉宽的加速度激励；其次，采用活塞既方便水槽底部密封，又可有效防止冲击波的直接加载破坏强度较低的整形器，从而使整形器稳定压溃并对加载底座产生稳定持续的加载脉冲；最后，根据流固耦合原理可知，水下爆炸冲击波作用于靶体时，靶体所获冲量与其面密度成正比，通过活塞传递冲击波载荷至整形器上，能获得更高的冲量、提高爆炸能量利用率，降低试验成本。
16.2、本发明采用整形器和背板同时作用于加载底座，从而减缓加载底座的加速过程，产生持续时间更长的加载脉宽，通过调整整形器的强度、背板的材质和厚度，即可对激励加速度的幅值和脉宽进行调控；另外，背板在爆炸过程中产生塑性大变形，可有效拦截加载底座，从而产生严格的单次加载，提高样件抗高g值冲击性能评估的准确性。
17.3、本发明提供的方法中对加载底座的加速度幅值的影响因素主要是爆炸距离、药柱质量、整形器强度和背板厚度，而对加载底座的加速度脉宽的主要影响因素是爆炸距离、药柱质量和整形器厚度，可以通过调节不同的装置参数获得不同脉宽和幅值的激励加速
度。另外，通过调整活塞、整形器和加载底座的尺寸可满足不同尺寸的样件测试，具有灵活性高、可调控性强的特点。
18.4、本发明采用两级直径的装药形式有利于产生平面冲击波加载于活塞，另外布置水槽直径和高度均大于爆炸距离两倍、爆炸距离大于活塞直径等，均可保证活塞表面承受较为均布的平面波加载，从而使活塞整体产生向下压缩整形器的运动趋势，有利于提高加载底座加速度的同步性和可控性。
19.5、本发明提供的装置除水槽和背板外均可重复使用，由于加载底座和被试样件分别通过背板和回收装置限位回收，结构变形可控，因此既能够采用无线存储式测试技术，也能够采用有线式的加速度传感器测量底座的激励加速度和样件的响应加速度，能有效降低试验和测试成本。
附图说明
20.图1为水下爆炸产生高g值加载脉冲装置的剖视图。
21.图2为实施例产生的激励和目标响应加速度脉冲曲线。
22.图中：1-水槽；2-药柱；3-支架；4-活塞；5-整形器；6-加载底座；7-背板；8-回收装置；9-被测样件；10-立架。
具体实施方式
23.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
24.请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
25.本发明提供一种技术方案：一种基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的装置，包括水槽1，水槽1为顶部敞口的圆筒，固定于支架3上，支架3上开有与水槽同心的圆形通孔，通孔内从上到下依次嵌套有活塞4、整形器5、加载底座6，活塞4与通孔密封相接，整形器5用以延缓冲击载荷的作用时间，提高加载底座6加速度脉宽，加载底座6上端为圆柱体、下端为锥形圆台，圆柱体用于加载底座6的运动导向，圆台内部安装加速度计用于测量激励加速度信号，圆台直径较小的一端为被测样件的加载端，可根据样件尺寸适当调整圆台尺寸。水槽1中储水，水中悬有药柱2，药柱2距离活塞表面预设爆炸距离；还包括具有延展性的金属背板7，背板7周向固支于支架3底面，被测样件9贴附在背板7底面，位于通孔圆心处；支架3通过立架10支撑离地，被测样件9下放置回收装置8，回收装置8为内部填充柔性材料的壳体，用以捕捉回收被检测样件9。
26.背板7为铝合金薄板，周边固支于支架3底面，背板7的可变形区域直径大于支架通孔直径，背板7在加载底座冲击的作用下产生挠曲变形并在完成加载后拦截加载底座防止
产生二次加载。
27.活塞4为铝合金圆形厚板，还可以是铝、钢、铜材质的圆形厚板，活塞4的直径比支架通孔小1-2mm，活塞4的圆周上箍有两道密封圈与支架通孔间形成防水密封装配。
28.整形器5采用多孔金属、柱壳、蜂窝、毡垫、聚合物等具有较强压缩率且在压缩过程中产生稳定压溃载荷的材料或结构。
29.药柱2为rdx基混合炸药，使用引线悬吊在水槽中心线上，药柱2与活塞上表面间的爆炸距离大于活塞半径。为使活塞表面承受的冲击波更接近平面波，药柱2包括上小、下大的两级同轴圆柱体，上部分圆柱体用以传递并扩大雷管激发的爆轰波，下部分圆柱体为主装药柱，产生向下传播的平面波。药柱2为钝化黑索金和石蜡按照质量比为95：5的比例压制而成，密度1.6g/cm3。
30.回收装置8内部采用毡垫和eva泡沫间隔层状填充。
31.水槽1为pvc管，底端采用防水胶与支架表面防水密封。
32.本装置的原理为：药柱2激发后在水中产生强冲击波并向四周扩散，当水下冲击波到达支架3和活塞4上表面时，活塞4在冲击波的作用下迅速获得较高冲量并产生向下压缩整形器5的速度。整形器5在活塞4的快速压缩下产生稳定压溃，并对加载底座6产生持续、稳定的压溃载荷，背板7同时产生阻碍加载底座6运动趋势的反向载荷，加载底座6在整形器5和背板7的联合作用下产生向下的激励加速度，并对被测样件9实施加载。被测样件9在加载底座6的激励下产生向下的加速度和速度，伴随高g值激励加载结束，被测样件9飞离背板7落入回收装置8中。活塞4冲击产生的额外动能继续通过整形器5和背板7的变形吸收，直至系统能量耗散结束，加载底座6、活塞4和整形器5均被拦截于变形后的背板7与支架3间的孔隙内。通过测量加载底座6和被测样件9的加速度即可获得被测样件的激励和响应加速度脉冲信息，从而评估缓冲结构或元件的抗高g值冲击性能。
33.在一种实施例中，水槽1的直径和高度均为爆炸距离的2倍。水槽1为直径26cm、高度26cm的pvc管，底端采用防水胶与支架表面防水密封。药柱2为钝化黑索金和石蜡按照质量比为95：5的比例压制而成，密度1.6g/cm3，药柱上、下两部分直径分别为3cm和6cm，高度均为1cm，装药量约55g，药柱与活塞表面间的爆炸距离为8cm。活塞直径9.8cm，厚度1.5cm，材质为7075高强度铝合金，侧面开设两道密封槽安装密封圈。支架为外径30cm、内径10cm、高10cm的厚壁圆筒，材质为不锈钢，外圆周采用外径30cm、内径26cm的钢筒固定于地面，钢筒上开设操作窗口便于安装和回收被测样件。整形器5为直径10cm的泡沫铝，其平台密度约0.7g/cm3，平台应力约15mpa，压实应变约0.55，在压溃过程中能够产生较为平稳的压溃载荷。加载底座6为7075铝合金材质，其上端圆柱体高1cm、外径10cm，下端圆台底面直径5cm、高2cm，质量约340g。其中圆柱体与圆台螺纹连接，圆台内部安装高量程加速度传感器，传感器的测试线自背板开设的中心孔引出至支架下方的支撑圆筒内，保持测试线松弛。背板7为厚度3mm的6061铝合金薄圆板，直径30cm，可变形区域的直径为18cm，周向固支于支架。被测样件9为高g值缓冲结构和模拟目标，缓冲结构为直径4cm、高度6cm、厚度0.2cm的圆柱壳，模拟目标为铝合金材质的模拟电路器件，质量约300g，缓冲结构紧密、自由贴合于背板中心，模拟目标紧密、自由贴合于缓冲结构底面，模拟目标内部安装加速度传感器，引线松弛放置于支架下方的支撑圆筒内，并保持松弛。
34.一种基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的方法，使用上述实施例中的基于水下爆炸产生高g值加载脉冲的装置，包括以下步骤s1：将支架、回收装置固定于地面，并在支架上依次安装背板、加载底座、整形器和活塞；活塞与支架间通过密封圈紧密装配，且在接触面上涂覆真空脂减小运动摩擦力；s2：将水槽安装于支架表面，并在周边涂抹防水材料，采用引线悬吊方法将药柱固定于水槽中线距离活塞8cm处，然后在水槽内注满水；s3：安装被测试的缓冲结构，其上端紧贴背板；在缓冲结构下端安装被缓冲的模拟目标，采用弹性胶带将二者紧密贴合于背板中心，注意缓冲结构与背板和模拟目标间无间隙；s4：检测起爆和测试系统正常后，激发药柱并回收被测样件；通过加载底座内的加速度计即可获得样件的激励载荷信息，通过模拟目标中的加速度计即可获得模拟目标的响应加速度，加载底座的激励加速度和目标的响应加速度测试结果如图2所示。
35.由图可知，通过上述设置，产生了幅值70000g、脉宽约350us的激励加速度，经防护结构缓冲后，模拟目标的响应加速度峰值约20000g、脉宽为800us，缓冲结构对模拟目标起到较好的保护作用。另外，通过结果可知本装置产生的激励加速度幅值稳定、脉宽大，比较符合钻地武器侵彻厚靶过程中产生的梯形加速度脉冲，更能模拟真实工况。回收所得的防护结构仅经历单次高g值冲击加载，有利于研究、评估不同结构的抗冲击防护性能。
36.本发明提供的装置即可实现得到高幅值、长脉宽的加速度脉冲信号，又可以在对加速度脉冲信号进行调控，在实验室中的可实施性强。
37.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。