专利名称：一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水下冲击动力学及力学实验技术领域，特别是一种通过撞击产生等效水下爆炸冲击波载荷及其作用下结构动力学行为测试装置，属于冲击动力学领域。
背景技术：
目前，对复合材料与典型结构在高应变率载荷下的动力学响应的研究手段主要依赖于霍普金森杆与轻气炮冲击加载方法，这方面的专利也相当多，但对其在水下爆炸冲击载荷作用下的动力学响应特性的研究手段，特别是实验手段却相对有限。由于结构与材料水下爆炸冲击响应的理论研究相当困难，绝大多数研究是使用商业有限元软件进行数值模拟，而在这方面受到对华出口限制，我国无法获取诸如USA、UNDEX等关键数值模拟模块。此夕卜，对复杂结构的数值模拟也往往存在建模困难的问题。这样，水下爆炸实验就显得十分重要，但是目前实验研究手段尚不能满足工程和技术需求，只能借助水池爆炸实验与水箱小当量实验。水池爆炸实验与水箱小当量实验不仅存在安全性差，而且成本高，对硬件设施要求极高，实验效率十分低下，因此非常需要新的水下爆炸冲击实验方法，使得水下爆炸冲击加载结构的实验研究摆脱炸药的使用，而且可以在实验室范围内即可实现并具有一定的可靠性和可重复行，实现在一定程度上替代水下实爆和水池爆炸实验。
发明内容本实用新型为了实现实验室范围内等效产生水下爆炸冲击波载荷，提出一种在实验室范围内就可以实现等效水下爆炸冲击加载的实验装置，该装置采用高速撞击的方式，通过气炮驱动飞片撞击充水锥形水靶舱活塞，撞击应力波传入水靶仓内的水介质中形成等效水下爆炸冲击波载荷，实现对水下爆炸冲击环境的模拟。该实验装置可以在一定程度上替代水下爆炸实验，是一种新的、简便易行的、可用于研究水下冲击加载的实验技术。为实现上述目的，本 实用新型提供了一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，包括:气炮发射系统、防护方靶舱系统、水靶舱系统、校核靶板、靶板高速变形测量系统，所述气炮发射系统与水靶舱系统相连，所述气炮发射系统采用气炮驱动提供动力，所述气炮驱动包括气炮气室以及发射管，所述气炮驱动采用空气压缩机来提供高压气体，所述防护方靶舱系统与气炮发射系统相连，所述防护方靶舱系统呈方形，并在其左右与后部均设置有光学测试窗口，所述防护方靶舱系统还配有真空泵抽真空接口，所述水靶舱系统呈圆锥形，所述水靶舱系统放置在防护方靶舱内并且能够加注水介质，所述校核靶板固定在水靶舱大端口处，校核靶板面内具有沿径向均布的3个压力传感器安装口，用于测量校核靶板湿表面的压力时程，所述靶板高速变形测量系统位于水靶舱系统的后方，使用高速相机拍摄靶板云纹变化情况。进一步的，所述的水靶舱系统小端口直径66mm，使用活塞加〇型橡胶圈进行密封；大端口直径152mm,具有用于固定祀板的12个周向均布螺纹孔,整个水祀舱外径292mm,水靶舱材料为加黑处理的42CrMo钢。[0006]更进一步的，所述空气压缩机最高工作压力1.4MPa，空气桶容量110L，排气量
0.36m3/min,在飞片厚为5mm时,能够将其加速最大至500m/s。优选的，该装置系统还包括:光学测速装置，该光学测速装置与所述气炮发射系统相连接，并设置在发射管的末端端口，通过螺栓固定在炮管壁，用于测量飞片的出口速度，该光学测速装置采用两个激光器发出激光，利用两个接受二极管感应激光光源，并将接受信号与测速计数器相连；当气炮发射管内的飞片通过并依次阻隔激光时，接受两个二极管电压信号均为0，计数器记下信号的变化时间，然后利用两个激光器的间隔距离除以时间即可得到飞片的出膛速度。更进一步的，该装置系统还包括:电涡流触发装置，该电涡流触发装置与所述气炮发射系统相连接，并设置在气炮发射系统上发射管的末端端口，位于两个激光器的中间位置，通过螺栓固定在炮管壁。优选的，该装置系统还包括:阻尼缓冲装置，该阻尼缓冲装置具有两个液压高能阻尼缓冲器，分别位于水靶舱两侧并固定在方舱舱壁上，使用一环形带两臂结构与阻尼器端部连接，用于靶舱受撞击后的能量缓冲。优选的，该装置系统还包括:球形支撑基座，该球形基座固定安放在方舱底壁，具有4个可调节高度的球形支撑，通过调节可使水靶舱小端口与发射管管心中心对正，确保弹道一致。优选的，该装置系统还包括:三个水下高频压力传感器，该压力传感器量程为O 400MPa，过载能力彡150% F.S，固有频率彡150kHz，上升时间彡4 μ S，抗冲击能力彡5000g，工作温度在_55°C 150°C。本实用新型与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于:可在实验室不使用炸药即可获取等效水下爆炸冲 击波载荷，实现对新材料与典型结构的水下冲击动力学响应分析研究，实验不仅具有一定的重复性，而且耗能低，可操作性较强，具有较高的使用效率。
图1是本实用新型一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统总图(部分剖视);图2是本实用新型水靶舱后视图(含球形基座);图3是本实用新型活塞剖面图(含凹槽)；图4是本实用新型校核靶板图俯视图；其中:I挡板，2滑道，3气室开关，4气室，5气室压力表，6紧固炮管与气室的法兰，7炮管支座，8炮管，9底座，10靶舱安装支座，11连接件，12激光接受感应二极管，13活塞，14方舱，15缓冲支架，16水靶舱，17压力传感器，18靶件，19阻尼器，20方舱舱门，21固定靶板法兰，22螺栓，23排水口，24电涡流传感器，25抽真空口，26激光器，27飞片与弹托，28气室阀门，29气室阀门，30高速相机，31数据采集计算机，32电源，33高速采集卡，34真空泵，35电荷放大器，36速计数器，37空气压缩机，38气压表，39管线，40阀门，41阀门，42螺孔，43螺帽，44螺母，45支架。
具体实施方式
[0018]
以下结合附图和实施例对本实用新型的原理及优点作进一步阐述。如图1-4所示，一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，用于对材料与典型结构进行等效水下爆炸冲击载荷的加载，其特征在于，不使用炸药在实验室即可实现对水下爆炸冲击波载荷的等效获取，该装置包括:气炮发射系统、防护方舱系统、水靶舱系统、校核靶板、靶板高速变形测量系统；其中，所述气炮发射系统，与靶舱系统相连，利用气炮驱动技术为该系统提供动力，使放置在炮管内的飞片获得加速，并高速发射出去。气炮气室容积10升，最高承压12MPa，发射管直径66mm，长5m，可根据需求使用空气压缩机(或工业氮气)作为高压气体来源，通过调整气室压力可获得10 500m/s的弹体速度；所述防护方靶舱系统，与气炮发射系统相连，呈方形，并在左右与后部存在光学测试窗口，防护方靶舱内可放置水靶舱，用于接受飞片的撞击，防护方靶舱配有真空泵抽真空接口，用于对防护方靶舱进行抽真空，创造真空环境，以避免空气阻力对飞片弹道产生影响。所述水靶舱系统，放置在防护方靶舱内，水靶舱呈圆锥形，可加注水介质，提供水环境；水祀舱小端口直径66mm,可使用活塞加O型橡胶圈进行密封；大端口直径152mm,具有12个周向均布螺纹孔，可用于固定靶板。整个水靶舱外径292_，水靶舱外壁具有安装3个压力传感器的安装口。水靶舱材料为42CrMo钢，加黑处理，具有较高的强度与防腐蚀性倉泛。所述校核祀板，可固定在水祀舱大端口处，校核祀板采用42CrMo钢材料，厚25.4mm，可承载300MPa的冲击载荷；校核靶板面内具有沿径向均布的3个压力传感器安装口，用于测量校核靶板湿表面的压力时程，进而获得校核气室压力、飞片厚度与出膛速度的对应关系，得出关系数据，用于靶板载荷施加。所述靶板高速变形测量系统，位于水靶舱后方，采用投影云纹方法，使用高速相机拍摄靶板云纹变化情况，后期对拍摄照片进行处理，可以得出靶板遭受水下冲击载荷后的应变场与应力场。在本实用新型的另外一实施例中，该空气压缩机最高工作压力1.4MPa，空气桶容量110L，排气量0.36m3/min，在飞片厚为5mm时，可将其加速最大至500m/s。在本实用新型的另外一实施例中，该装置系统还包括:光学测速装置，该光学测速装置与所述气炮发射系统相连接，并设置在发射管的末端端口，通过螺栓固定在炮管壁，用于测量飞片的出口速度。该光学测速装置采用两个激光器发出激光，利用两个接受二极管感应激光光源，并将接受信号与测速计数器相连；当气炮发射管内的飞片通过并依次阻隔激光时，接受两个二极管电压信号均为0，计数器记下信号的变化时间，然后利用两个激光器的间隔距离除以时间即可得到飞片的出膛速度。光学测速装置的精度为微秒级。在本实用新型的另外一实施例中，该装置系统还包括:电涡流触发装置，该电涡流触发装置与所述气炮发射系统相连接，并设置在气炮发射系统上发射管的末端端口，位于两个激光器的中间位置，通过螺栓固定在炮管壁。当金属飞片通过电涡流传感器前端时，电涡流传感器输出电压信号，电压范围在O 3.5V，该信号即可用于触发数据采集的信号源。在本实用新型的另外一实施例中，该装置系统还包括:真空泵，该真空泵使用橡胶管与防护方舱相通，用于方靶舱抽真空。[0029]在本实用新型的另外一实施例中，该装置系统还包括:阻尼缓冲装置，该阻尼缓冲装置具有两个液压高能阻尼缓冲器，分别位于水靶舱两侧并固定在方舱舱壁上，使用一环形带两臂结构与阻尼器端部连接，用于缓冲水靶舱受撞击后的能量缓冲。在本实用新型的另外一实施例中，该装置系统还包括:球形支撑基座，该球形基座固定安放在方舱底壁，具有4个可调节高度的球形支撑，通过调节可使水靶舱小端口与发射管管心中心对正，确保弹道一致。在本实用新型的另外一实施例中，该装置系统还包括:三个水下高频压力传感器，该压力传感器量程为O 400MPa，过载能力彡150% F.S，固有频率彡150kHz，上升时间彡4μ S，抗冲击能力彡5000g，工作温度在-55°C 150°C。下面对本实用新型的使用方法进行进一步描述:1.调整位于水靶舱16底部的基座44上的螺栓45，使钢球43托住水靶舱16，进行弹道矫正，使水靶舱轴线与气炮炮管8轴线重合，确保弹道重合。2.将实验的靶件18 (或校核靶板)喷涂云纹，利用法兰盘21安装在水靶舱16大端口处，采用〇型橡胶圈进行密封，使用螺栓22将靶件固定在水靶舱16上；3.将活塞13 (活塞侧面有凹槽，并放置〇型橡胶圈)放入水靶舱小端口，确保密封性；通过水靶舱侧面压力传感器安装口 17 (可旋转水靶舱，将该安装口朝上)，向水靶舱16内注水直至水从传感器安装口 17溢出，然后用螺栓(也可以使用压力传感器)将安装口密闭，确保整个水靶舱16不漏水。4.将压力传感器固定在测试位置17，使用专用数据线与电荷放大器35、高速采集卡33相连接，高速采集卡33使用USB接口与计算机31接通。5.接通电源32，检查激光测速系统中的激光接受二极管12、激光器26，可按计数器36的恢复键，确保测速系统可靠运行。检查外触发电涡流传感器24是否正常。6.关闭方舱舱门20，使用〇型橡胶圈进行密封。根据需要可发动真空泵34，通过孔道25，对方舱14进行抽真空，消除空气阻力可能对飞片飞行弹道的影响。7.将气室4与气炮炮管8分离，挡板I可防止气室4从滑道2滑出。之后将粘贴在圆柱形聚合物弹托上的飞片27放入炮管8，再将气室4与气炮炮管7连接，并使用螺栓用法兰6将炮管8与气室4紧固连接，保证连接处的气密性，并将气炮调至可发射状态。8.将轻气炮启动开关3处于关闭状态，发动空气压缩机37(也可是使用工业氮气)加压，当空气压缩机37的气压表38的压力值满足实验所需时，关闭空气压缩机37，打开阀门29并将空气压缩机阀门40打开，将通过管道39将气室后舱充满高压空气，关闭空气压缩机阀门40，关闭阀门29 ;打开阀门28，打开空气压缩机阀门40，观察气室上的气压表5读数调节气室前舱的气体压力，直到达到所需压力，关闭空气压缩机阀门40，关闭阀门28。9.调整高速相机30位置；运行计算机31采集程序，设置采样频率、采样通道数、采样宽度以及触发信号电压值，准备实验。10.通过轻气炮启动开关3泄压，使高压气室内的高压气体驱动飞片沿发射炮管7加速，并进入方靶舱14撞击水靶舱16上放置的活塞13。11.停止运行计算机31采集程序，将采集到的信号显示并存储12.存储高速相机30拍摄的照片，对照片进行处理，得出靶板的应变场与应力场。13.试验后通过排水口 23清理靶舱14中的积水，打开空气压缩机阀门41释放掉空气压缩机37内的高压空气，关闭电源。至此完成一次试验。本实用新型的有益效果在于:可在实验室不使用炸药即可获取等效水下爆炸冲击波载荷，实现对新材料与典型结构的水下冲击动力学响应分析研究，实验不仅具有一定的重复性，而且耗能低，可操作性较强，具有较高的使用效率。需要说明的是，本实用新型的优选实施例，包括实用新型人用于实施本实用新型的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。实用新型人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且实用新型人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本实用新型。因此，本实用新型包括权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本实用新型所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。
权利要求1.一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，包括:气炮发射系统、防护方靶舱系统、水靶舱系统、校核靶板、靶板高速变形测量系统，其特征在于:所述气炮发射系统与水靶舱系统相连，所述气炮发射系统采用气炮驱动提供动力，所述气炮驱动包括气炮气室以及发射管，所述气炮驱动采用空气压缩机来提供高压气体，所述防护方靶舱系统与气炮发射系统相连，所述防护方靶舱系统呈方形，并在其左右与后部均设置有光学测试窗口，所述防护方靶舱系统还配有真空泵抽真空接口，所述水靶舱系统呈圆锥形，所述水靶舱系统放置在防护方靶舱内并且能够加注水介质，所述校核靶板固定在水靶舱大端口处，校核靶板面内具有沿径向均布的3个压力传感器安装口，用于测量校核靶板湿表面的压力时程，所述靶板高速变形测量系统位于水靶舱系统的后方，使用高速相机拍摄靶板云纹变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，其特征在于:所述的水靶舱系统小端口直径66mm，使用活塞加〇型橡胶圈进行密封；大端口直径152mm,具有用于固定祀板的12个周向均布螺纹孔,整个水祀舱外径292mm,水祀舱材料为加黑处理的42CrMo钢。
3.根据权利要求1所述的一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，其特征在于:所述空气压缩机最高工作压力1.4MPa，空气桶容量110L，排气量0.36m3/min，在飞片厚为5mm时,能够将其加速最大至500m/s。
4.根据权利要求 1所述的一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，其特征在于:该装置系统还包括:光学测速装置，该光学测速装置与所述气炮发射系统相连接，并设置在发射管的末端端口，通过螺栓固定在炮管壁，用于测量飞片的出口速度，该光学测速装置采用两个激光器发出激光，利用两个接受二极管感应激光光源，并将接受信号与测速计数器相连；当气炮发射管内的飞片通过并依次阻隔激光时，接受两个二极管电压信号均为0，计数器记下信号的变化时间，然后利用两个激光器的间隔距离除以时间即可得到飞片的出膛速度。
5.根据权利要求1所述的一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，其特征在于:该装置系统还包括:电涡流触发装置，该电涡流触发装置与所述气炮发射系统相连接，并设置在气炮发射系统上发射管的末端端口，位于两个激光器的中间位置，通过螺栓固定在炮管壁。
6.根据权利要求1所述的一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，其特征在于，该装置系统还包括:阻尼缓冲装置，该阻尼缓冲装置具有两个液压高能阻尼缓冲器，分别位于水靶舱两侧并固定在方舱舱壁上，使用一环形带两臂结构与阻尼器端部连接，用于水靶舱受撞击后的能量缓冲。
7.根据权利要求1所述的一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，其特征在于:该装置系统还包括:球形支撑基座，该球形基座固定安放在方舱底壁，具有4个可调节高度的球形支撑，通过调节可使水靶舱小端口与发射管管心中心对正，确保弹道一致。
8.根据权利要求1所述的一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，其特征在于:该装置系统还包括:三个水下高频压力传感器，该压力传感器量程为O 400MPa，过载能力彡150% F.S，固有频率彡150kHz，上升时间彡4 μ S，抗冲击能力彡5000g，工作温度在-55 15(TC。
专利摘要本实用新型提供一种撞击等效水下爆炸冲击加载实验测试装置系统，包括气炮发射系统、防护方靶舱系统、水靶舱系统、校核靶板、靶板高速变形测量系统，所述气炮发射系统与水靶舱系统相连，所述气炮发射系统采用气炮驱动提供动力，所述防护方靶舱系统与气炮发射系统相连，所述防护方靶舱系统还配有真空泵抽真空接口，所述校核靶板固定在水靶舱大端口处，本实用新型可在实验室不使用炸药即可获取等效水下爆炸冲击波载荷，实现对新材料与典型结构的水下冲击动力学响应分析研究，实验不仅具有一定的重复性，而且耗能低，可操作性较强，具有较高的使用效率。
文档编号G01N3/36GK202947939SQ20122066571
公开日2013年5月22日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者项大林, 荣吉利, 胡长华 申请人:北京理工大学