基于炸药驱动的长脉宽斜波加载试验装置及方法与流程

1.本发明涉及长脉宽斜波加载技术领域，具体涉及基于炸药驱动的长脉宽斜波加载试验装置及方法。


背景技术：

2.不同加载路径下炸药材料和结构的动力学响应和保护反应特性是自然科学和工程应用中一个重要的研究领域。现阶段，人们已经发展了多种实验技术，例如，静压技术、霍普金森杆技术、轻气炮技术、化爆技术、火炮技术、电磁加载技术、激光加载技术等等。不同的加载技术可以对应不同的物理背景和热力学路径，例如，静压加载过程对应等温线，冲击加载过程对应绝热线，斜波压缩过程对应等熵线。随着实际物理问题和工程需求的不断增加，例如长脉宽下炸药反应增长的模拟试验设计中，缓上升前沿、长脉宽和高压力幅值成为了新技术发展的关键指标。
3.现阶段较成熟的动态加载实/试验技术方法有霍普金森杆技术、轻气炮技术、火炮技术、电磁加载技术等等，可分为冲击加载和斜波加载，冲击加载实验压力波形上升沿很陡，一般在0.1ns～0.1μs量级，压力峰值和脉宽可调。斜波加载实验压力波形一般上升沿在1ns～0.1μs量级，脉宽在0.1μs～1μs量级，压力峰值可调。
4.现有装置的加载压力波形都无法实现1μs～101μs量级上升前沿、101μs量级脉宽和1gpa量级压力幅值。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于炸药驱动的长脉宽斜波加载试验装置及方法，以实现1μs～101μs量级上升前沿、101μs量级脉宽和1gpa量级压力幅值。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.基于炸药驱动的长脉宽斜波加载试验装置，包括呈上下设置的炸药约束壳和样品约束壳；
8.所述炸药约束壳内设置有呈上下设置的加载炸药和波形调节机构，所述加载炸药和波形调节机构之间形成空气间隙，所述炸药约束壳内还设置有用于起爆加载炸药的雷管，所述波形调节机构的底部与样品约束壳顶部接触；
9.所述样品约束壳内设置有样品套筒，所述样品套筒内设置有炸药样品，所述样品套筒的顶部和底部分别安装有第一压力传感器和第二压力传感器；
10.所述波形调节机构用于对加载炸药引爆产生的爆轰波进行调节，爆轰波调节后依次经过样品约束壳、样品套筒传递给炸药样品，第一压力传感器和第二压力传感器分别用于采集爆轰波在炸药样品前的加载压力和透过炸药样品后的压力。
11.本发明中的波形调节机构引起加载爆轰波的复杂波系作用，可拓展作用于炸药样品的压力脉冲波形，脉冲宽度可达101μs量级、上升前沿可达1μs～101μs量级，突破了传统爆轰加载装置的脉冲限制。
12.进一步地，波形调节机构包括填充体、结构体和隔板；
13.所述结构体的底部向上凹陷形成凹腔，所述填充体填充于凹腔，所述填充体和凹腔紧密接触；所述隔板接触式设置在结构体的顶部。
14.本发明的波形调节机构的结构和尺寸可进行调节，通过填充体、结构体、隔板和空气间隙的结构和尺寸对加载波形进行调节。
15.进一步地，隔板和填充体的材质为刚性金属材料，刚性金属材料包括钢或铁，所述结构体的材质为塑料，塑料包括聚四氟乙烯、橡胶或尼龙。
16.进一步地，凹腔为锥形结构，所述填充体为与锥形结构匹配的锥形体，所述锥形体的顶点朝上设置。
17.进一步地，炸药约束壳的顶部和顶部均为开端，所述加载炸药和波形调节机构设置在炸药约束壳的空腔内，所述炸药约束壳的顶部可拆卸式设置有盖板，所述盖板的内侧设置有雷管安装部，所述雷管安装在雷管安装部内；所述样品约束壳的顶部为封闭端，用于支撑炸药约束壳，所述样品约束壳的底部为开端，所述样品约束壳的底部可拆卸式设置有样品盖板。
18.进一步地，样品套筒包括样品内套筒，所述样品内套筒的顶部为开端，且在顶部配合设置有第三垫片，所述炸药样品设置在第三垫片和样品内套筒之间形成的空腔内。
19.进一步地，样品套筒还包括样品外套筒，所述样品外套筒设置在样品内套筒和样品约束壳之间，所述样品外套筒的顶部和底部均为开端，所述样品外套筒的顶部和底部分别设置有第二垫片和第一垫片，所述第一压力传感器设置在第三垫片和第二垫片之间，所述第二压力传感器设置在样品内套筒和第一垫片之间。
20.进一步地，第一垫片、第二垫片、第三垫片、样品外套筒和样品内套筒的材质均为塑料，塑料包括聚四氟乙烯、橡胶或尼龙。
21.进一步地，炸药束壳体和样品约束壳体均为柱状结构，且同轴设置。
22.基于上述长脉宽斜波加载试验装置的试验方法，包括以下步骤：
23.s1、试验前，根据起始加载压力脉冲的所需峰值设计加载炸药的材料和质量；根据传播到样品约束壳处压力所需的脉宽和峰值设计波形调节机构的材料、质量比和尺寸；根据所需压力波形设计空气间隙的尺寸；
24.s2、根据步骤s1的设计组装长脉宽斜波加载试验装置；
25.s3、试验时，雷管起爆加载炸药，爆轰波依次经过空气间隙、波形调节机构、样品约束壳、样品套筒传递给炸药样品对其进行加载，通过第一压力传感器和第二压力传感器分别采集爆轰波在炸药样品前的加载压力和透过样品后的压力。
26.加载炸药的材料、质量决定了起始加载压力脉冲的峰值，波形调节机构决定了传播到样品约束壳处压力的脉宽和峰值，空气间隙对加载压力峰值和脉宽调节具有重要作用，因此，在试验前设计加载炸药、波形调节机构和空气间隙可实现高压力幅值的脉冲宽度101μs量级、上升前沿1μs～101μs量级的动态加载
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.1、本发明能够实现1μs～101μs量级上升前沿、101μs量级脉宽和1gpa量级压力幅值。
29.2、本发明可设计性强，根据对压力脉冲的幅值和脉宽需求，设计加载压力波形调
节机构的材料、结构尺寸，可实现高压力幅值的脉冲宽度101μs量级、上升前沿1μs～101μs量级的动态加载。
30.3、本发明的盖板既是盖板又是雷管安装部件，完成了雷管引线的密封设计，防止起爆后泄压。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
32.图1为本发明长脉宽斜波加载试验装置的结构示意图；
33.图2为实施例1的加载波形图。
34.附图中标记及对应的零部件名称：
35.1-盖板；2-雷管安装部；3-加载炸药；4-炸药约束壳；5-第一压力传感器；6-炸药样品；7-第二压力传感器；8-第一垫片；9-样品约束壳；10-样品盖板；11-样品外套筒；12-样品内套筒；13-第二垫片；14-第三垫片；15-填充体；16-结构体；17-隔板；18-空气间隙；19-雷管。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
37.实施例1：
38.如图1所示，基于炸药驱动的长脉宽斜波加载试验装置，包括呈上下设置的炸药约束壳4和样品约束壳9，炸药约束壳4和样品约束壳9的材质均为钢，炸药约束壳4和样品约束壳9为同轴设置的圆柱状结构，二者之间通过螺栓连接，炸药束壳体4和样品约束壳体9内表面加工光滑，整体同轴度良好，保证炸药样品加载均匀性。
39.炸药约束壳4的顶部和顶部均为开端，炸药约束壳4具有用于安装加载炸药3和波形调节机构的空腔，炸药约束壳4的顶部通过螺栓固定有盖板1，盖板1的内侧设置有雷管安装部2，盖板1和雷管安装部2内为一体式结构，雷管安装部2嵌入炸药约束壳4的空腔上部与炸药约束壳4紧密接触。
40.炸药约束壳4内设置有呈上下设置的加载炸药3和波形调节机构，炸药束壳体4和加载炸药3紧密配合，防止泄压，加载炸药3和波形调节机构之间形成空气间隙18，空气间隙18的尺寸需依据所需的压力波形设计，对加载压力峰值和脉宽调节具有重要作用；炸药约束壳4内还设置有用于起爆加载炸药3的雷管19，具体地，雷管19安装在盖板1和雷管安装部2内，即盖板1既能用于封闭炸药约束壳4的顶部，又是雷管安装部件，完成了雷管引线的密封设计，防止起爆后泄压，所述波形调节机构的底部与样品约束壳9顶部接触。
41.波形调节机构包括填充体15、结构体16和隔板17；结构体16的底部向上凹陷形成凹腔，所述填充体15填充于凹腔，所述填充体15和凹腔紧密接触；所述隔板17接触式设置在结构体16的顶部，通过改变填充体15、结构体16、隔板17和空气间隙18的结构和尺寸对加载波形进行调节。
42.实例性地，凹腔为锥形结构，填充体15为与锥形结构匹配的锥形体，所述锥形体的顶点朝上设置，即填充体15为锥形体，结构体16整体呈圆柱，且底部向上凹陷形成锥形凹腔，填充体15和结构体16装配后成为一个圆柱；隔板17和填充体15的材质为具有一定强度的结构支撑的刚性金属材料，刚性金属材料包括钢或铁，结构体16的材质为塑料，塑料可以是聚四氟乙烯、橡胶或尼龙。
43.样品约束壳9的顶部为封闭端，用于支撑炸药约束壳4，样品约束壳9的底部为开端，样品约束壳9的底部通过螺栓与样品盖板10连接。
44.在本实施例中，盖板1和炸药约束壳4、炸药束壳体4和样品约束壳9、样品约束壳9和样品盖板10之间采用螺栓连接，主要结构均保持同轴。
45.样品约束壳9内设置有样品套筒，样品套筒内设置有炸药样品6，样品套筒的顶部和底部分别安装有第一压力传感器5和第二压力传感器7；
46.波形调节机构用于对加载炸药3引爆产生的爆轰波进行调节，爆轰波调节后依次经过样品约束壳9、样品套筒传递给炸药样品6，第一压力传感器5和第二压力传感器7分别用于采集爆轰波在炸药样品6前的加载压力和透过炸药样品6后的压力。
47.实例性地，样品套筒包括样品内套筒12和样品外套筒11。
48.样品内套筒12的顶部为开端，且在顶部配合设置有第三垫片14，炸药样品6设置在第三垫片14和样品内套筒12之间形成的空腔内；样品外套筒11设置在样品内套筒12和样品约束壳9之间，样品外套筒11的顶部和底部均为开端，样品外套筒11的顶部和底部分别设置有第二垫片13和第一垫片8，第一压力传感器5设置在第三垫片14和第二垫片13之间，第二压力传感器7设置在样品内套筒12和第一垫片8之间。
49.第一垫片8、第二垫片13、第三垫片14、样品外套筒11和样品内套筒12的材质均可以是塑料，塑料可以是聚四氟乙烯、橡胶或尼龙。
50.作为优选地，在本实施例中，填充体15外，所有结构件为圆柱或圆柱壳，其中，第一压力传感器5、第二压力传感器7设置在第一垫片8、样品内套筒12、第二垫片13和第三垫片14的中轴线位置。
51.基于本实施例所述长脉宽斜波加载试验装置的试验方法，包括以下步骤：
52.s1、试验前，根据起始加载压力脉冲的所需峰值设计加载炸药的材料和质量；根据传播到样品约束壳9处压力所需的脉宽和峰值设计波形调节机构的材料、质量比和尺寸；根据所需压力波形设计空气间隙18的尺寸；
53.s2、根据步骤s1的设计组装长脉宽斜波加载试验装置；
54.s3、试验时，雷管19起爆加载炸药3，爆轰波依次经过空气间隙18、波形调节机构、样品约束壳9、样品套筒传递给炸药样品6对其进行加载，通过第一压力传感器5和第二压力传感器7分别采集爆轰波在炸药样品6前的加载压力和透过样品后的压力。
55.基于本实施例的一个具体案例如下：
56.波形调节机构填充体15和隔板17材质为钢、结构体16为聚四氟乙烯、孔隙间隙18充满充气。加载炸药3尺寸为φ50mm
×
50mm，炸药约束壳4壁厚50mm。样品炸药6尺寸为φ20mm
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20mm，第一垫片8、第二垫片13、第三垫片14、样品外套筒11和样品内套筒12的材质均为聚四氟乙烯；样品约束壳9材质为钢，壁厚40mm。
57.本案列的具体试验过程如下，打开点火开关，安装于雷管安装部2中的雷管19起爆
加载炸药3，爆轰波依次经过空气间隙18、波形调节机构、样品约束壳9、第二垫片13、第三垫片14传到炸药样品6对其进行加载，压力传感器5和7可分别采集样品前的加载压力和透过样品后的压力波形。
58.本实施例的具体试验结果如下，图2所示，图2给出了炸药样品6上面和下面的压力随时间变化曲线，横轴为时间，单位为μs，纵轴为压力，单位为gpa。待炸药样品6受压过程加载压力脉宽约为40μs，压力上升时间约为6μs，压力峰值约为1gpa。从样品炸药6透射后的压力脉宽约为22μs，压力上升时间约为18μs，压力峰值约为0.77gpa。测试结果表明本发明可实现约脉冲宽度101μs量级、上升前沿1μs～101μs量级、压力幅值1gpa量级的动态加载。
59.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
60.需要注意的是，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”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。