一种爆炸实验装置

1.本实用新型属于爆炸实验测试技术领域，具体涉及一种爆炸实验装置。


背景技术：

2.炸药爆炸产生短历时、陡升时的强动载荷对被爆物体的作用是难以准确计算的科学问题。我国煤矿井巷和城市隧道的爆破工程中，多数都是大药量、多炮孔、多延时的爆炸过程，被爆物体在复杂爆炸动载下的破坏和围岩的损伤无法准确计算和评估。现阶段对材料在强动载荷下的动态力学性质的研究主要分为室外爆炸试验和室内shpb实验、空气炮实验、taylor 冲击实验等等，这些手段各有优缺点；现场爆炸试验能够模拟现场实际，获得更贴近实际的实验数据，但无法同时观测到材料的应变、质点位移速度和边界应力，现场实验材料的复杂性也造成了试验数据离散严重；通过采用标准试件进行室内shpb实验等对传统的爆破实验结果有所进步，但是工程爆破中炸药爆生产物包括爆炸应力波动作用和爆生气体静作用的先后作用形式，这种实验方法只考虑了应力波的作用时间和强度，忽略了爆生气体对爆生裂隙的气楔作用，更不能表征炸药爆炸时与炮孔的不耦合作用的影响；对被爆材料来说，炸药发生化学反应爆炸施加的不是简单的应力作用，获得炸药爆炸作用下材料的完整应力应变关系显得尤为重要。
3.基于上述爆炸实验中存在的技术问题，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：

4.本实用新型的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种爆炸实验装置，旨在解决现有爆炸实验测试的问题。
5.本实用新型提供一种爆炸实验装置，所述实验装置包括高速摄影相机、数据处理装置、超动态应变采集仪以及爆炸加载装置；高速摄影相机和超动态应变采集仪分别与数据处理装置电连接，从而实现数据传输；试件上粘贴有多组应变片，多组应变片通过桥盒分别与超动态应变采集仪电连接，从而测得各测点在爆炸应力作用下的应变随时间的变化关系，以表征爆炸应力波在试验材料中的衰减关系；试件的表面喷涂有多组条纹；高速摄影相机的镜头对着试件上的条纹，并能够在爆炸加载装置对所述试件进行爆炸时采集条纹的位移。
6.进一步地，试件沿竖直方向设置，试件的表面沿竖直方向喷涂有多组黑白相间的斑马条纹，高速摄影相机位于斑马条纹的一侧，试件的底部与透射杆连接，透射杆的底部设置于能量吸收装置上，爆炸加载装置设置于试件的顶部；斑马条纹和透射杆上分别设有应变片，通过测得应变片的应变来反算实验材料尾端的应力变化过程，并作为材料的应力边界条件。
7.进一步地，爆炸加载装置包括封堵盖和底座，底座内设有腔体，腔体沿竖直方向延伸至底座的上端面；封堵盖能够放置于腔体内，并封堵腔体；腔体底部用于盛放炸药，封堵
盖的侧面上套设有橡胶圈，橡胶圈的外径大于腔体的内径，从而使得封堵盖能够通过橡胶圈挂设于腔体内。
8.进一步地，底座的侧壁上设有排烟孔，排烟孔沿水平方向连通腔体和外界；腔体的内部设有垫片，垫片用于盛放炸药；底座的底部设有安装槽，底座通过安装槽安装在透射杆的顶部；橡胶圈能够在封堵盖上移动，从而调节封堵盖伸入腔体内的深度，进而改变装药空间的大小，通过控制装药空间和装药量的比例，可以实现不同耦合程度对爆炸应力的影响。
9.进一步地，垫片能够将炸药和试件隔开，从而把爆炸产生的复杂应力简化为一维应力作用在试件的表面；垫片的厚度能够改变，从而实现不同脉冲宽度和应力加载时间。
10.进一步地，能量吸收装置包括底盘，底盘为钢制套筒结构，底盘内设有橡胶垫；底盘的内径为51mm，底盘的高度为40mm；封堵盖、试件、透射杆以及底盘处于一条轴线上；透射杆的一端抹有凡士林，并与试件平滑连接。
11.进一步地，多组应变片包括第一组应变片、第二组应变片、第三组应变片以及第四组应变片，第一组应变片、第二组应变片、第三组应变片以及第四组应变片沿竖直方向间隔50mm布置于斑马条纹的两侧；透射杆上还设有第五组应变片；第一组应变片、第二组应变片、第三组应变片、第四组应变片以及第五组应变片分别以半桥连接的方式接入桥盒，桥盒通过导线与超动态应变采集仪电连接。
12.进一步地，试件为圆柱形红砂岩材质，试件的直径为ф50mm，试件的高度为400mm；透射杆为钢杆，钢杆的直径为50mm，钢杆的高度300mm；透射杆与试件光滑平接；相邻斑马条纹之间间距为2mm；每一组应变片包括两片应变片，两片应变片对称设置于试件的左右两侧。
13.本实用新型提供的一种爆炸实验装置，实现了对材料进行一维爆炸应力加载，解决光测过程中爆炸所产生的烟雾严重影响观测视场的不利效果，可以获得一维爆炸应力加载状态下，材料中各点的动态应力、应变的变化状态。
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为本实用新型一种爆炸实验装置结构示意图；
17.图2为本实用新型爆炸加载装置的俯视图；
18.图3为本实用新型图2沿a-a方向的剖视图；
19.图4为本实用新型图2沿b-b方向的剖视图。
20.图中：1、高速摄影相机；2、数据处理装置；3、超动态应变采集仪； 4、信号线；5、爆炸加载装置；51、封堵盖；52、排烟孔；53、底座；54、橡胶圈；55、炸药；56、安装槽；6、第一组应变片；7、第二组应变片； 8、第三组应变片；9、第四组应变片；10、透射杆；11、第五组应变片； 12、能量吸收装置；13、试件；14、第一桥盒；15、第二桥盒；16、第三桥盒；17、第四桥盒；18、第五桥盒。
具体实施方式
21.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。
22.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。
23.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。
24.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。
25.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。
26.如图1所示，本实用新型提供一种爆炸实验装置，用于实现一维爆炸应力加载下观测并计算材料动态强度；具体地，所述实验装置包括高速摄影相机1、数据处理装置2、超动态应变采集仪3以及爆炸加载装置5；高速摄影相机1和超动态应变采集仪3分别与数据处理装置2电连接，从而实现数据传输；试件13上粘贴有多组应变片，通过在试件13上等间距对贴的应变片，可以测得各测点在爆炸应力作用下的应变随时间的变化关系；多组应变片通过桥盒分别与超动态应变采集仪3电连接，从而测得各测点在爆炸应力作用下的应变随时间的变化关系，以表征爆炸应力波在试验材料中的衰减关系；试件13的表面喷涂有多组条纹；高速摄影相机1 的镜头对着试件13上的条纹，并能够在所述爆炸加载装置5对所述试件 13进行爆炸时采集条纹的位移；采用上述方案，可以获得一维爆炸应力加载状态下，材料中各点的动态应力、应变的变化状态。
27.优选地，结合上述方案，爆炸加载装置5能够安装于试件13上，从而在爆炸过程中对试件13进行加载。
28.优选地，结合上述方案，如图1所示，试件13沿竖直方向设置，试件13的表面沿竖直方向喷涂有多组黑白相间的斑马条纹，通过喷涂可供像素计算的等间距黑白斑马条纹，辅助以应变片进行特征点电测量应变的验证手段，即进行爆炸试验时，通过高速摄影的方法观察条纹的位移，计算不同位置处质点的速度随时间的变化关系；具体地，高速摄影相机1位于斑马条纹的一侧，试件13的底部与透射杆10连接，透射杆10的底部设置于能量吸收装置12上，爆炸加载装置5设置于试件13的顶部；进一步地，斑马条纹和透射杆10上分别设有应变片，通过测得应变片的应变来反算实验材料尾端的应力变化过程，并作为材料的应力边界条件；进一步地，应变片的型号采用be120-2aa(11)-p400，在试件的圆柱面沿轴向成对
贴4组，一共8片，相邻的应变片间距均为50mm。
29.优选地，结合上述方案，试件的表面喷涂黑白相间的斑马条纹具体为：先将试件表面多余的粉尘脏污等擦拭干净，并在红砂岩试件的圆柱面上喷上哑光白色底漆，而后将带漆试件保持横向水平放置至少6小时，以待底漆完全凝结；然后用2mm宽的尼龙捆扎带，绕试件柱面进行环向水平捆绑，相邻捆扎带的间距均为2mm，注意相邻捆扎带两两平行且尽量勒紧；最后将捆好的试件喷上哑光黑漆，同样横置6小时以上待黑漆完全凝结，取下捆扎带便形成黑白相间宽度相同的平行黑白条纹。上述方案中，在试件的表面喷涂黑白相间的“斑马条纹”，进行爆炸试验时，通过高速摄影的方法观察条纹的位移，计算不同位置处质点的速度随时间的变化关系，与传统散斑相比，这种新型条纹在高速摄影相机1的拍摄下，可以更加直观明显的看出试件轴向近区和远区的质点速度不同，通过后期计算得出的速度，可以得到试件上各lagrange点组成的速度-时间场。
30.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，爆炸加载装置5包括封堵盖51和底座53，底座53内设有腔体，腔体沿竖直方向延伸至底座53 的上端面；具体地，底座53为杯状结构，其高为55mm，其腔体内径为52mm；封堵盖51为圆柱形结构，且能够放置于腔体内，并封堵腔体形成装药空间；腔体底部用于盛放炸药55，封堵盖51的侧面上套设有橡胶圈54，橡胶圈54的外径大于腔体的内径，从而使得封堵盖51能够通过橡胶圈54 挂设于腔体内；具体地，橡胶圈54可紧密贴合封堵盖51使其不完全落入底座中，橡胶圈54的直径略小于底座53内径，为圆环结构；上述方案中，底座53的作用是结合封堵盖51，使炸药在一个相对密闭的空间产生爆炸，相比暴露式起爆和钻孔式起爆可以获得相对平整的爆炸平面应力波，并且模拟了实际炮孔中的不耦合系数。
31.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，底座53的侧壁上设有排烟孔52，排烟孔52沿水平方向连通腔体和外界，底座上排烟孔52的设计约束了爆生气体的排出路径，合理的解决了气体对高速相机视场的不利影响，解决了光测过程中爆炸所产生的烟雾严重影响观测视场的不利效果；同时通过排烟孔52也能够将起爆线接通至腔体内；进一步地，腔体的内部设有垫片，该垫片将腔体内部分为上下两部分，垫片距下沿5mm，且厚度可调，具体地，垫片用于盛放炸药，并且通过调节垫片的厚度和装药空间改变爆炸应力强度，并在炸药引爆后将爆炸应力传递到实验材料上，实现一维应力加载；具体有：通过改变炸药种类和装药量实现不同爆炸应力加载；进一步地，底座53的底部设有安装槽56，底座53通过安装槽56安装在透射杆10的顶部；橡胶圈54能够在封堵盖51上移动，从而调节封堵盖51伸入腔体内的深度，进而改变装药空间的大小，通过控制装药空间和装药量的比例，可以实现不同耦合程度对爆炸应力的影响；橡胶垫的作用是通过排烟口连接起爆线，并将其放到底座的垫片上，固定起爆线以实现安全起爆；采用上述方案，通过控制装药空间和装药量的比例，实现不同耦合程度对爆炸应力的影响；通过改变垫片的厚度，对爆炸应力波进行整形，避免了气楔作用的不利影响，简化爆炸产生的复杂应力波形式作用于试验材料，实现了不同的脉冲宽度和应力加载时间；设计排烟口解决了爆炸烟雾对高速摄影视场的不利影响。
32.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，垫片能够将炸药55和试件13隔开，从而把爆炸产生的复杂应力简化为一维应力作用在试件13 的表面；垫片的厚度能够改变，从而实现不同脉冲宽度和应力加载时间。
33.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，能量吸收装置12包括底盘，底盘为钢制
套筒结构，底盘内设有橡胶垫；底盘的内径为51mm，底盘的高度为40mm；封堵盖51、试件13、透射杆10以及底盘处于一条轴线上；透射杆10的一端抹有凡士林，并与试件13平滑连接。
34.优选地，结合上述方案，如图1所示，多组应变片包括第一组应变片 6、第二组应变片7、第三组应变片8以及第四组应变片9，第一组应变片 6、第二组应变片7、第三组应变片8以及第四组应变片9沿竖直方向间隔 50mm布置于斑马条纹的两侧；透射杆10上还设有第五组应变片11；第一组应变片6、第二组应变片7、第三组应变片8、第四组应变片9以及第五组应变片11分别以半桥连接的方式接入桥盒，桥盒通过导线与超动态应变采集仪3电连接。
35.优选地，结合上述方案，如图1所示，试件13以圆柱形红砂岩材质为例，试件13的直径为ф50mm，试件13的高度为400mm；进一步地，透射杆10为钢杆，钢杆的直径为50mm，钢杆的高度300mm；透射杆10与试件13光滑平接，金属制透射杆的动态应变数据反算加载过程中材料端部的边界应力变化过程；进一步地，相邻斑马条纹之间间距为2mm；每一组应变片包括两片应变片，两片应变片对称设置于试件13的左右两侧。
36.相应地，结合上述方案，如图1至图4所示，本实用新型还提供一种一维爆炸应力实验方法，该实验方法为上述实验装置的具体实验实施过程；所述实验方法包括以下过程：
37.s1、架设爆炸实验装置：将透射杆10沿竖直方向安装在能量吸收装置12上，再将试件13擦拭干净后喷涂多组黑白相间的斑马条纹，多组黑白相间的斑马条纹之间能够从像素级别观察到明确的边界；然后再将试件 13沿竖直方向连接于透射杆10上，最后将爆炸加载装置5安装在试件13 的顶部，保证爆炸加载装置5的封堵盖51、试件13、透射杆10以及能量吸收装置12处于一条轴线上；具体地，将透射杆10置于能量吸收装置12 的底盘中，透射杆10的上端涂抹一定量的凡士林，并放上试件13，保证试件13下端面与透射杆10的上端面光滑平接，将爆炸加载装置放在时间上端，取下封堵盖，确保系统位于同一轴线上；
38.s2、组装光测系统：在距离试件13为50cm至100cm处架设高速摄影相机1，优选距离为75cm；高速摄影相机1的镜头正对着试件13上的斑马条纹；并且在试件13两侧合适位置架设照明灯，均需要以亚克力板做适当保护；调整高速摄影相机1的高度和位置，调整高速摄影相机1镜头的焦距、光圈，以及调设高速摄影相机1的拍摄帧率，从而使高速摄影相机1的视场中能够清晰观测到斑马条纹，并呈现在计算机终端上；
39.s3、组装电测系统：将多组应变片分别沿竖直方向间隔布置于试件13 的斑马条纹上，将一组应变片布置于透射杆10上，各组应变片分别以半桥连接的方式接入桥盒，各个桥盒通过导线与超动态应变采集仪3的通道电连接，调整超动态应变采集仪3的参数以确保各个通道以及相应的应变片处于正常工作状态，再接入计算机终端以采集实验数据；具体地，试件 13的斑马条纹上布置有四组应变片，四组应变片和透射杆10上的一组应变片分别通过五个桥盒接入超动态应变采集仪的五个通道；
40.s4、装药并进行试验：通过爆炸加载装置5的底座53上的排烟孔52 将起爆线接入橡胶垫片上，该橡胶垫片设置于底座53腔体内部，倒入预设量的炸药55在垫片上，按照实验设计所需要的耦合度，调整爆炸加载装置5的封堵盖51上橡胶圈54的高度，从而将封堵盖51盖在底座53的上方；疏散周边人群，将起爆线接入起爆器，待起爆器充能完成后打开开关，完成爆炸过程；进一步地，橡胶垫片实际上为圆环结构，目的是为了把起爆线压在底座里面，使之固定在炸药里面，没有橡胶垫片，起爆线容易暴露导致炸药未被引爆；
41.s5、短接起爆线，储存高速摄影相机1拍摄到的影像资料和超动态采集仪获得的应
变数据，拆解试件13，并按照上述操作进行下一组试验或停止试验。
42.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，实验方法具体包括：
43.在s4步骤中：垫片能够将炸药55和试件13隔开，从而把爆炸产生的复杂应力简化为一维应力作用在试件13的表面，并且能够通过改变垫片的厚度，从而实现不同脉冲宽度和应力加载时间；
44.在s4步骤中：通过测得试件13上的多组应变片，从而测得各测点在爆炸应力作用下的应变随时间的变化关系，以表征爆炸应力波在试验材料中的衰减关系；并且测得透射杆10中应变片的应变来反算实验材料尾端的应力变化过程，并作为材料的应力边界条件；
45.在s4步骤中：通过调整橡胶圈54在封堵盖51上下移动，从而调节封堵盖51伸入腔体内的深度，进而改变装药空间的大小，通过控制装药空间和装药量的比例，可以实现不同耦合程度对爆炸应力的影响。
46.优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，在s1步骤中，试件13 的表面喷涂黑白相间的斑马条纹具体步骤包括：
47.s11：先将红砂岩的试件表面多余的粉尘脏污擦拭干净，并在试件的圆柱面上喷上哑光白色底漆，而后将带漆的试件保持横向水平放置至少六个小时，以待底漆完全凝结；
48.s12：然后用2mm宽的尼龙捆扎带，绕试件柱面进行环向水平捆绑，相邻捆扎带的间距均为2mm，相邻捆扎带两两平行且勒紧；
49.s13：最后将捆好的试件喷上哑光黑漆，同样横置六个小时以上，待黑漆完全凝结，取下捆扎带便形成黑白相间宽度相同的平行黑白条纹；
50.上述方案中，在试件的表面喷涂黑白相间的“斑马条纹”，进行爆炸试验时，通过高速摄影的方法观察条纹的位移，计算不同位置处质点的速度随时间的变化关系，与传统散斑相比，这种新型条纹在高速摄影相机1 的拍摄下，可以更加直观明显的看出试件轴向近区和远区的质点速度不同，通过后期计算得出的速度，可以得到试件上各lagrange点组成的速度-时间场。
51.本实用新型提供的一种爆炸实验装置及一维爆炸应力实验方法，实现了对材料进行一维爆炸应力加载，解决光测过程中爆炸所产生的烟雾严重影响观测视场的不利效果，可以获得一维爆炸应力加载状态下，材料中各点的动态应力、应变的变化状态。
52.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。