一种分离式化爆模拟实验装置及其实施方法与流程

1.本发明涉及一种用于固体介质中爆炸力学测试装置，具体涉及一种分离式化爆模拟实验装置及其实施方法。


背景技术：

2.爆炸产生时，爆炸能量将以球形冲击波的形式耦合至周围介质并向外传播发散，对于固体介质而言，在爆炸近区介质将由于破碎和塑性变形消耗冲击波能量，致使球形冲击波波形在传播过程中发生某种规律性衰减。获取波形衰减规律对于介质的动态力学性能和震源特性研究具有重要意义。
3.由于球面波衰减规律测量需要在介质内部安装传感器以获取波形数据，考虑到传感器安装工艺和实验成本，现有技术常利用待研究材料制备成整体式化爆模拟装置，并基于此进行相关冲击波加载实验。该装置虽能在较小试样中激发球面波并获取其传播规律，但仍存在以下问题：首先，化爆模拟实验会对装药位置附近的介质产生毁伤，致使现有技术提供的整体式化爆模拟实验装置无法进行重复使用，一次实验研究需要消耗多枚装置，使得整个实验准备周期较长，成本高昂；其次，对于岩石等天然材料，相关装置常通过取材切削加工的形式制备，不同试样间的材料均匀性和一致性很难保证，使得重复性验证实验难以进行。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决整体式化爆模拟实验装置无法进行重复使用、实验准备周期较长且成本高昂，以及同次实验更换试样材料后，无法保证重复性验证的均匀性和一致性的技术问题，而提供一种分离式化爆模拟实验装置及其实施方法。
5.本发明的技术方案为：
6.一种分离式化爆模拟实验装置，包括载波单元、加载单元和测量单元，其特殊之处在于：
7.所述载波单元包括基体底座和基体顶盖；
8.所述基体底座上端与基体顶盖下端固定连接；
9.所述基体顶盖中心沿高度方向开设有贯通基体顶盖的第一通孔；
10.所述基体底座上端设置有与第一通孔相适配的第二盲孔，第二盲孔与第一通孔连接形成空腔；
11.所述加载单元包括起爆装置、连接在起爆装置下端的炸药球、爆室、回填填料和填封材料；
12.所述爆室放置在空腔底部；
13.所述爆室沿高度方向开设第三盲孔，且第三盲孔的底面为半球面结构；
14.所述填封材料位于第三盲孔内且其下端面为半球面结构，所述填封材料的半球面结构与第三盲孔的半球面结构形成一个封闭的球体；
15.所述起爆装置位于空腔内且上端延伸至基体顶盖上方，所述炸药球位于球体中心且低于基体底座的上端平面；
16.所述填封材料用于填充第三盲孔并固定起爆装置和炸药球的位置；
17.所述回填填料位于空腔内，用于填充空腔并固定爆室、起爆装置的位置；
18.所述测量单元包括套装在基体底座的磁场发生装置、嵌入基体底座上端面的多个传感器以及数据采集设备；多个传感器的输出端均与数据采集设备电连接；
19.所述多个传感器和炸药球处于同一水平面。
20.进一步地，所述传感器包括环形粒子速度计；所述基体底座上端沿径向等间距设置多个同心的环槽，每个环槽沿径向对应设置一个输出槽，输出槽的延伸线水平指向爆心，且多个输出槽错位设置；所述环形粒子速度计设置在环槽内，并通过输出槽将输出导线引出，且环形粒子速度计与炸药球处于同一水平面；所述环槽和输出槽分别使用填缝料填充至与基体底座上端面齐平。
21.进一步地，所述传感器还包括多个应力传感器；所述基体底座上端沿径向依次设置多个等间距的凹槽，相邻两个凹槽沿圆周方向的夹角相同；每个凹槽沿径向对应设置第二输出槽；所述应力传感器设置在凹槽内，且通过第二输出槽将输出导线引出；所述应力传感器通过导线将测量信号传输至数据采集设备；所述应力传感器、环形粒子速度计与炸药球处于同一水平面；所述凹槽与环槽沿径向错位设置；所述第二输出槽深度浅于环槽，使应力传感器和环形粒子速度计的安装和信号测量不受影响；所述凹槽和第二输出槽分别使用填缝料填充至与基体底座上端面齐平。
22.进一步地，所述球体尺寸可通过调节填封材料和爆室的第三盲孔尺寸进行调节。
23.进一步地，所述起爆装置为导爆索。
24.进一步地，所述应力传感器为薄膜式应力传感器，在安装时通过预制方形包体结构将其定型；所述凹槽为方形槽。
25.进一步地，所述基体底座与基体顶盖通过粘接剂固定连接。
26.进一步地，所述粘接剂、回填填料、填封材料、填缝料选择与基体底座和基体顶盖的波阻抗相近且粘结性好的材料。
27.一种分离式化爆模拟实验装置的实施方法，基于前面所述的实验装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
28.步骤s1)载波单元安装及可靠性检测；
29.步骤s1.1)使用待研究材料为基体材料制作载波单元，在基体底座与基体顶盖上加工传感器和加载单元对应的安装结构；
30.步骤s1.2)根据基体底座上对应安装结构尺寸加工传感器的包体结构并封装好；
31.步骤s1.3)将装配好的传感器安装至基体底座中，并保证传感器均在同一水平面，随后使用填封料密封安装间隙，并使用粘接剂将基体底座与基体顶盖固结；
32.步骤s1.4)测量并记录载波单元中基体底座与基体顶盖中爆室对应安装结构的尺寸；将传感器与数据采集设备电连接；给测量单元通电，使用数据采集设备对传感器进行调试，确保测量正常后关闭电源；
33.步骤s2)加载单元的设计及加工；
34.步骤s2.1)根据步骤s1.4)中测量数据，确定爆室的尺寸，保证爆室外径尺寸小于
载波单元中安装结构孔径，确定爆室上第三盲孔和爆室内部半球形空腔的球心位置，使得爆室球心低于传感器所在水平面；
35.步骤s2.2)根据设计方案加工相应结构；
36.步骤s3)加载单元的安装；
37.步骤s3.1)将炸药球固定在起爆装置的下端，再通过模具加入一部分填封材料使起爆装置下端的炸药球上方形成与爆室底端相适配的半球结构；
38.步骤s3.2)随后将带半球结构的炸药球和起爆装置安装在爆室中，两个半球结构形成一个封闭球体且炸药球处于球体中心；将剩余部分填封材料填充至爆室的第三盲孔，保证无空隙且炸药球和起爆装置的位置固定不变；
39.步骤s3.3)在基体底座与基体顶盖中间用于爆室安装的安装结构底部及周围外壁加入适量回填填料；随后装入爆室，通过按压和横向调节，保证爆室中球体中心位于装置中心轴线上，且炸药球、传感器在同一水平面；
40.步骤s3.4)待爆室完全固定后，再使用回填填料填封空腔剩余空间，获得实验装置；
41.步骤s4)实验实施；
42.待步骤s3.4)中回填填料完全固化后，将实验装置放置在磁场发生装置中，并再次给测量单元通电；实验时，通过起爆装置起爆炸药球，即可在载波单元中激发出球面波，球面波在待研究介质中的波形及其演化规律可由传感器测得，并由数据采集设备记录保存；
43.步骤s5)实验装置清理；
44.实验结束后，检查传感器是否正常，若是，则断开与数据采集设备的连接，并将实验装置从磁场发生装置中取出，去除加载单元；
45.步骤s6)装置重复利用；
46.将步骤s5)清理去除加载单元后的实验装置重复步骤s2)至步骤s5)，进行后续实验工作，直至所有实验完成。
47.本发明的有益效果：
48.1、本发明装置为分离式化爆模拟实验装置，可通过更换加载单元实现装置的重复使用，缩短实验周期和降低实验成本，同时同次实验无需更换试样材料，能保证重复性实验验证的均匀性和一致性。
49.2、本发明装置通用性较强，适用于任何可切削加工介质的化爆模拟实验，该装置制作工艺简单、造价低廉、测量结果精准可靠。
50.3、本发明装置中增加了应力传感器，且在基体底座上端均匀设置方形槽，保证传感器安装定位准确，测量数据类型可靠多样。
51.4、本发明装置中炸药球为微药量炸药球，有利于保护载波单元中载波介质及测量单元中各个传感器在实验中不产生损伤。
52.5、本发明装置中爆室内设置形成球体结构，可通过调节加载单元炸药球装药量和球体结构尺寸，对所激发球面波的特征进行调节。
53.6、本发明装置中应力传感器为薄膜式应力传感器，保证测量的频响范围满足爆炸应力波测量条件。
54.7、本发明装置中应力传感器在安装时预制包体结构，通过包体材料外壁与方形槽
的配合保证传感器的安装精度和与基体材料的耦合性能，确保测试数据的可靠性。
55.8、本发明装置中应力传感器和环形粒子速度计在安装后应使用填缝料填装剩余空隙，保证传感器与介质的耦合，提高波形测量数据的准确性。
56.9、本发明装置中基体底座与基体顶盖间的粘接剂、回填填料、填封材料、应力传感器和环形粒子速度计填装安装空隙的填缝料应选择与载波单元基体底座和基体顶盖波阻抗相近且粘结性好的材料，降低各填料对球面波波形演化规律的影响。
57.10、本发明的实施方法，设计合理、操作简单，可很好的把控各个细节并及时进行调整，保证实验测量的准确性和可靠性。
附图说明
58.图1为本发明分离式化爆模拟实验装置的结构示意图；
59.图2为本发明分离式化爆模拟实验装置的剖视示意图，未示出数据采集设备；
60.图3为本发明中加载单元的结构示意图；
61.图4为本发明中环形粒子速度计、应力传感器和基体底座的装配示意图；
62.图5为本发明中基体底座的俯视图；
63.图6为本发明中环形粒子速度计结构示意图；
64.图7为本发明中应力传感器与包体结构装配的结构示意图。
65.附图标记：1-基体底座，2-基体顶盖，3-回填填料，4-起爆装置，5-炸药球，6-爆室，7-填封材料，8-应力传感器，9-环形粒子速度计，10-磁场发生装置，11-数据采集设备，12-包体结构。
具体实施方式
66.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
67.如图1、图2所示，本发明提供的一种分离式化爆模拟实验装置，包括载波单元、加载单元和测量单元。
68.载波单元包括基体底座1和基体顶盖2；其中基体底座1上端与基体顶盖2下端通过粘接剂固定连接；基体顶盖2中心沿高度方向开设有贯通基体顶盖2的第一通孔，基体底座1上端设置有与第一通孔相适配的第二盲孔，第二盲孔与第一通孔连接形成贯通第二盲孔与第一通孔的空腔，用于安装加载单元。
69.加载单元包括回填填料3、起爆装置4、连接在起爆装置4下端的炸药球5、爆室6、填封材料7；爆室6放置在空腔底部，如图3所示，爆室6沿高度方向开设第三盲孔，且第三盲孔的底面为半球面结构；填封材料7位于第三盲孔内且其下端面为半球面结构，填封材料7的半球面结构与第三盲孔的半球面结构形成一个封闭的球体结构，保证球面波形貌的准确性，球体尺寸可通过调节填封材料7和爆室6的第三盲孔尺寸进行调节；通过调节加载单元炸药球5装药量和球体尺寸，可以实现多种加载工况的模拟。起爆装置4位于空腔内且上端延伸至基体顶盖2上方，炸药球5位于球体中心且低于基体底座1的上端平面；填封材料7用于填充第三盲孔并固定起爆装置4和炸药球5的位置；回填填料3位于空腔内，用于填充空腔并固定爆室6、起爆装置4和炸药球5的位置，保证加载单元和载波单元间冲击波的可靠传播。炸药球5为微药量炸药球，起爆装置4为导爆索；实验时，通过起爆装置4起爆炸药球5，可
在载波单元中激发出球面发散波，通过调节加载单元炸药球5装药量和球体尺寸，可对激发球面波的特征进行调节。
70.测量单元用于获取测量信号。测量单元包括多个环形粒子速度计9、多个应力传感器8、磁场发生装置10和数据采集设备11；多个环形粒子速度计9、多个应力传感器8嵌入基体底座1上端面，且应力传感器8、环形粒子速度计9与炸药球5处于同一水平面；磁场发生装置10套装在基体底座1的外围，用于在装置内部激发磁场，为环形粒子速度计9提供测量环境。
71.如图4、图5和图6所示，载波单元基体底座1上端设置有多个安装应力传感器8的凹槽和多个环形粒子速度计9的环槽，环槽为同心圆，圆心位于基体底座1上端中心处；凹槽为方形槽，基体底座1上端沿径向依次设置多个等间距的方形槽，且相邻两个凹槽沿圆周方向的夹角相同，方形槽和环形槽空间分布不相交。每个环槽沿径向对应设置一个的输出槽，输出槽的延伸线水平指向爆心，且多个输出槽错位设置；环形粒子速度计9设置在环槽内，并通过输出槽将导线引出；环形粒子速度计9通过导线将测量信号传输至数据采集设备11；环槽和输出槽分别使用填缝料填充至与基体底座1上端面齐平。每个方形槽沿径向对应设置第二输出槽；应力传感器8为薄膜式应力传感器，在安装时通过预制方形包体结构12将其定型，经包装定型的应力传感器8设置在方形槽内，且通过第二输出槽将导线引出；应力传感器8通过导线将测量信号传输至数据采集设备11；应力传感器8、环形粒子速度计9与炸药球5处于同一水平面；方形槽与环槽错位设置；第二输出槽深度浅于环槽，使应力传感器8和环形粒子速度计9的安装和信号测量不受影响；方形槽和第二输出槽分别使用填缝料填充至与基体底座1上端面齐平。
72.粘接剂、回填填料3、填封材料7、填缝料应选择与基体底座1和基体顶盖2的波阻抗相近且粘结性好的材料。
73.如图7所示，应力传感器8为薄膜式应力传感器，在安装时应预制包体结构对其进行包裹，通过包体材料外壁与方形槽的配合保证安装及定位可靠性。
74.本发明还提供了一种基于上述分离式化爆模拟实验装置的实验实施方法，包括以下步骤：
75.步骤s1)载波单元安装及可靠性检测；
76.步骤s1.1)使用待研究材料为基体材料制作载波单元，在基体底座1与基体顶盖2上加工传感器和加载单元对应的安装结构；
77.步骤s1.2)根据基体底座1上方形槽和环槽尺寸加工环形粒子速度计9和应力传感器8的包体结构并封装好；
78.步骤s1.3)将装配好的环形粒子速度计9和应力传感器8安装至基体底座1中，并保证应力传感器8和环形粒子速度计9在同一水平面，随后使用填封料密封安装间隙，并使用粘接剂将基体底座1与基体顶盖2固结；
79.步骤s1.4)测量并记录载波单元中基体底座1与基体顶盖2中第二盲孔和第一通孔的深度和孔径；将环形粒子速度计9和应力传感器8与数据采集设备11电连接；使用数据采集设备11对应力传感器8和环形粒子速度计9进行调试，确保测量正常后关闭电源；
80.步骤s2)加载单元的设计及加工；
81.步骤s2.1)根据步骤s1.4)中第二盲孔和第一通孔的深度和孔径测量数据，确定爆
室6的尺寸，保证爆室6外径尺寸略小于载波单元中空腔孔径；并根据基体底座1上第二盲孔深度确定爆室6上第三盲孔和爆室6内部半球形空腔的球心位置，使得在无回填填料3条件下爆室6球心略低于应力传感器8及环形粒子速度计9所在水平面；
82.步骤s2.2)根据设计方案加工相应结构；
83.步骤s3)加载单元的安装；
84.步骤s3.1)将炸药球5固定在起爆装置4的下端，再通过模具加入一部分填封材料7使起爆装置4下端形成与爆室6底端相适配的半球结构；
85.步骤s3.2)随后将带半球结构的炸药球5和起爆装置4安装在爆室6中，两个半球结构形成一个封闭球体且炸药球5处于球体中心；将剩余部分填封材料7填充至爆室6的第三盲孔，保证无空隙且炸药球5和起爆装置4的位置固定不变；
86.步骤s3.3)在基体底座1与基体顶盖2中间的第一通孔和第二盲孔形成的空腔底部及周围外壁加入适量回填填料3；随后装入爆室6，通过按压和横向调节，保证爆室6中球体中心位于装置中心轴线上，且炸药球5、应力传感器8和环形粒子速度计9在同一水平面；
87.步骤s3.4)待爆室6完全固定后，再使用回填填料3填封空腔剩余空间，获得实验装置；
88.步骤s4)实验实施；
89.待步骤s3.4)中回填填料3完全固化后，将实验装置放置在磁场发生装置10中，并再次给测量单元通电；实验时，通过起爆装置4起爆炸药球5，即可在载波单元中激发出球面波，球面波在待研究介质中的波形及其演化规律可由应力传感器8和环形粒子速度计9测得，并由数据采集设备11记录保存；
90.步骤s5)实验装置清理；
91.实验结束后，检查应力传感器8及环形粒子速度计9是否可以正常工作，若是，则断开与数据采集设备11的连接，并将实验装置从磁场发生装置10中取出，通过切削加工去除加载单元；
92.步骤s6)实验装置重复利用；
93.将步骤s5)清理后的实验装置重复步骤s2)至步骤s5)，即可重复利用该实验装置进行后续实验及验证性工作，所有实验完成后，将所有传感器线头包好，放置在阴凉干燥处储存，待下次研究时使用。
94.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。