半正弦波压力载荷发生装置的制作方法

本实用新型属于冲击动力学技术领域，具体涉及一种半正弦波压力载荷发生装置。

背景技术：

动态加载技术是冲击动力学实验研究面临的重要问题，对开展材料动力学行为实验、结构响应研究具有重要的意义，其研究成果在国防、兵器、防护工程领域均有重要的应用。化爆加载技术是实验室常见的动态加载技术之一，产生载荷的时间尺度约为10^-3～10^-5s量级，产生载荷峰值的尺度则跨越10kPa～10²MPa多个量级，是实验室中爆炸力学、爆炸效应防护、结构响应研究常用的实验研究方法。但化爆加载涉及火工品操作，具有一定的危险性；且相同爆炸当量、爆心距条件下，载荷的一致性较差。

为克服化爆加载的上述缺陷，在效应防护、结构响应的研究中，可以使用载荷发生器产生效应相似的载荷对爆炸载荷进行替代。利用液压原理能够产生半正弦波或三角波载荷，但是现有载荷发生方法产生的载荷持续时间较长，载荷脉冲宽度通常在毫秒量级以上。

技术实现要素：

本实用新型目的是提供一种半正弦波压力载荷发生装置，解决了现有的液压载荷发生方法存在的载荷持续时间长的技术问题。

本实用新型的技术解决方案是：一种半正弦波压力载荷发生装置，其特殊之处在于，包括圆柱形的液压缸和与液压缸相匹配的活塞；

所述活塞包括沿液压缸轴向设置的撞击柱和沿液压缸径向设置的液压盘，所述撞击柱一端与液压盘中心固定连接，撞击柱的另一端伸出液压缸外部；所述液压盘与液压缸的侧壁间隙配合，液压盘与液压缸的底面之间形成用于填充液压介质的腔室，所述液压缸的底面设置有压力传感器。

进一步地，上述活塞的撞击柱与液压缸之间还安装有导向块，所述导向块的外壁与液压缸的侧壁紧密贴合，导向块的中心设置有供撞击柱穿过的通孔；所述导向块上还设置有一个或者多个供液压介质穿过的轴向通孔。

进一步地，上述撞击柱与液压盘的固定端设置有倒角，所述撞击柱伸出液压缸外部的端部设置有渐细的过渡段。

进一步地，上述半正弦波压力载荷发生装置还包括用于驱动活塞的驱动装置，所述驱动装置包括密闭的气室和与气室连通的发射管，气室与发射管之间设置有阀门；所述气室上设置有充气口，所述发射管内安装与发射管内壁间隙配合的撞块。

进一步地，上述撞块的质量小于或者等于活塞的质量，撞块的硬度小于活塞的硬度。

进一步地，上述活塞的液压盘与液压缸的底面之间形成的腔室内安装有沿液压缸径向设置的滤波板，所述滤波板是与液压缸侧壁直径相同的圆形钢板，滤波板上开设有多个通孔，所有的通孔均布于同一个与滤波板同心的圆周上。

进一步地，上述液压缸的底面设置有滤波孔，所述压力传感器通过滤波孔与液压缸内的液压介质接触。

本实用新型还提供一种半正弦波压力载荷发生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建半正弦波压力载荷发生装置；

2)驱动装置撞击活塞，使活塞在液压缸内产生轴向移动；

3)活塞压缩液压介质，利用液压介质的体积压缩效应产生压缩波；

4)利用滤波板和滤波孔对液压介质内的压缩波进行滤波；

5)压力传感器采集得到无波动干扰信号的半正弦波压力载荷。

进一步地，步骤1)包括以下步骤：

1.1)向液压缸内装填液压介质；

1.2)将活塞装入液压缸内，使活塞的液压盘与液压介质充分接触；

1.3)将导向块装入液压缸内，使活塞的撞击柱穿过导向块后伸出于液压缸外部；

1.4)在活塞的撞击柱的对侧固定安装驱动装置。

进一步地，步骤2)包括以下步骤：

2.1)关闭阀门，通过充气口向驱动装置的气室内填充加压气体；

2.2)关闭充气口，打开阀门，加压气体驱使撞块在发射管内加速移动；

2.3)撞块脱离发射管后撞击活塞的撞击柱；

2.4)在撞块的撞击下，活塞在液压缸内产生轴向移动。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型通过使用截面为“T”字型的活塞压缩液压介质来产生单个脉冲载荷，“T”字型结构在增大活塞与液压介质接触面积的同时可以降低活塞的质量，从而有效减小载荷脉宽。

(2)使用本实用新型半正弦波压力载荷发生装置及方法可以获得脉宽在10～10³μs量级、峰值达到100MPa量级的脉冲载荷，与实验室常见的化爆载荷基本一致，一定条件下可等效替代。

(3)本实用新型通过在液压缸内安装机械滤波结构，克服了载荷脉宽较低时常见的波动干扰问题，可用于开展高精度的动态加载实验和动态传感器标定实验。

附图说明

图1为本实用新型实施例一无滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置结构示意图。

图2为使用本实用新型实施例一无滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置获得的载荷波形。

图3为载荷发生原理物理模型。

图4为本实用新型实施例二有滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置结构示意图。

图5为使用本实用新型实施例二有滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置获得的载荷波形。

其中，附图标记如下：1-气室，2-阀门，3-发射管，4-撞块，5-活塞，6-液压缸，7-压力传感器，8-液压介质，9-导向块，10-撞击柱，11-液压盘，12-滤波板，13-滤波孔，14-变截面液压缸，15-变截面液压介质。

具体实施方式

实施例一

参见图1，本实施例为一种无滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置，其结构主要包括圆柱形的液压缸6和与液压缸6相匹配的活塞5，另外还包括用于驱动活塞5的驱动装置。

活塞5包括沿液压缸6轴向设置的撞击柱10和沿液压缸6径向设置的液压盘11，撞击柱10一端与液压盘11中心固定连接，撞击柱10的另一端伸出液压缸6外部。液压盘11与液压缸6的侧壁间隙配合，液压盘11与液压缸6的底面之间形成用于填充液压介质8的腔室。液压缸6的底面设置有压力传感器7，压力传感器7可以与压力采集系统相连，用于对产生的载荷进行测试并记录数据。

活塞5的撞击柱10与液压缸6之间还安装有导向块9，导向块9的外壁与液压缸6的侧壁紧密贴合，导向块9的中心设置有供撞击柱10穿过的通孔；导向块9上还设置有一个或者多个供液压介质穿过的轴向通孔。

撞击柱10与液压盘11的固定端设置有倒角，撞击柱10伸出液压缸6外部的端部设置有渐细的过渡段。

为提高发生载荷精度，活塞5、导向块6和液压缸7上的配合圆柱面要求研磨配作，其配合关系为间隙配合。导向块6外螺纹装入液压缸7中，其主要作用包括两个方面：(1)确保碰撞后活塞5的运动方向沿液压缸7的轴向；(2)调节液压缸7中液压介质9的长度x₀。

为避免液压介质9在发生泄漏，导向块6与液压缸7之间、传感器9与液压缸7之间应采用O形圈或金属垫环进行密封。为避免液压介质9从活塞5与导向块6、液压缸7配合柱面的间隙中流出，应选用粘度较大的液压介质，如蓖麻油。

驱动装置固定于撞击柱10的对侧用于撞击驱动活塞5，液压缸7可以通过机械结构与驱动装置固定连接或者固定安装于实验平台的其他结构上，避免在驱动装置撞击活塞5时，液压缸7出现旋转或位移。

驱动装置包括密闭的气室1和与气室1连通的发射管3，气室1与发射管3之间设置有阀门2，发射管3内安装撞块4。其作用是利用加压气体驱动撞块4，使撞块4能够以10⁰～10¹m/s量级的速度撞击活塞5。

气室1用于短时间储存加压气体，要求具有较好的强度和密封性。气室1上设置有用于充气的充气口，根据所需压力的不同，可以选用不同的充气方式，如使用高压气瓶充气、使用普通打气筒充气等，充气完毕后关闭充气口。

气室1的放气通过阀门2控制。放气速度越快，撞块4加速的效果就越好；为便于控制，可使用开合速度较快的电磁阀。另外，要求阀门2具有较好的密封性。

阀门2开启后，加压气体快速进入发射管3，并驱动撞块4运动。为便于加工，可以将发射管3和撞块4的配合面设计为柱形面。为获得较理想的驱动效果，发射管3的内壁应尽量光滑，具有较好的直线度和圆柱度，并在发射管3内壁涂润滑油。为避免反复使用中发射管3内壁损伤、提高其使用寿命，可通过调质处理的方法提高发射管3的硬度。发射管3的长度应适中，长度过短可能导致撞块4加速不充分，长度过长可能导致撞块4脱离发射管3时已经开始减速。

发射前，应将撞块4置于发射管3的底部。为获得较好的加速效果，将撞块4的外径与发射管3的内壁设置为间隙配合关系，且配合间隙不宜过大。过大的配合间隙可能导致加压气体泄漏，也可能导致驱动过程中撞块4与发射管3间碰撞过多，降低驱动效率。

本实施例的具体工作原理如下：

将撞块4的质量记为M，撞块4撞击活塞5时的速度记为v₀，活塞5的质量记为m，则可以建立撞块4与活塞5撞击过程的动量守恒和能量守恒方程：

其中，v₁为碰撞后的撞块4的速度，v₂为碰撞后的活塞5的速度。对上述方程求解，可得：

当液压介质8的体积压缩量较小时，可以认为液压介质8的体积模量为常数。假设液压介质8的几何形状是长度为x₀的圆柱体，t时刻液压介质8被压缩导致的长度减少量为x(t)，k为液压介质8的体积模量。将圆柱形液压介质8的截面积记为S，可以建立压缩过程的控制方程为：

显然，方程(3)的通解为半正弦波脉冲，其脉宽和峰值分别为：

其中T为载荷脉宽，P_max为载荷峰值。

由公式(2)可知，当撞块4的质量等于或小于活塞5的质量时，碰撞后撞块4的速度为零或被反弹，不会对后续活塞5压缩液压介质8的过程产生影响。因此，装置设计时，应保证撞块4的质量不大于活塞5的质量。理论上，撞块4与活塞5质量相等时，碰撞后撞块4的速度为0，其动能全部转化为活塞5的动能，能量转化率最高。

根据公式(4)，为了减小载荷脉宽至10μs量级，应减小活塞5的质量、减小液压介质8的长度、增大液压介质8的截面积。为了达到这一设计目标，将活塞5设计为“T型”结构，并在大截面和小截面过渡处设计较大的倒角，避免应力集中，提高结构刚度。活塞5与撞块4的碰撞面为椭圆面，并有渐细的过渡段，避免多次碰撞后活塞5端面礅粗，无法从导向块9中取出。为了提高活塞5的使用寿命，要求对活塞5进行调质处理，使其硬度大于撞块4，减少活塞5在碰撞中的变形损伤。

根据公式(4)，为了在确保脉宽较小的情况下提高载荷峰值，可以通过驱动装置提高撞块4的发射速度v₀，从而提高碰撞后活塞5的速度v₂。

在具体的工作过程中，应首先在液压缸6内装满液压介质8，而后将活塞5、导向块9按顺序依次缓慢装入液压缸6中。采用这样的安装顺序，目的是避免液压介质8中混入气泡。导向块9上开有通孔，装配过程中，过量的液压介质从导向块9的通孔中排出。活塞5、导向块9和液压缸6装配完毕后，应从导向块9的通孔中抽出活塞5与导向块9接触面之间残留的液压介质。如果活塞5和导向块9之间残留过多的液压介质，则会导致活塞5与导向块9之间形成额外腔体，影响压缩过程。

采用本实施例无滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置得到的压力载荷如图2所示，通过将活塞5设计为“T型”结构、减小液压介质8长度、增大液压介质8截面积等方式，获得了脉宽在10μs量级、整体上符合半正弦波特征的压力载荷。

实施例二

观察图2可知，其压力载荷曲线上存在明显的波动现象。经分析认为，波动现象产生的主要原因包括两个方面：

(1)碰撞和压缩过程中，活塞5的变截面位置存在结构响应变形，即活塞5的中心位置首先压缩液压介质8，随后边缘位置在中心位置的牵连作用下才开始对液压介质8的压缩，由此导致了载荷曲线上存在几个明显的峰值；

(2)液压介质8被压缩的过程中，产生的压缩波在液压介质8中来回反射，导致了载荷曲线上存在高频率的振动。

本实施例在实施例一的基础上，采用了机械滤波方法去除波动现象的影响，具体是通过在载荷发生装置内添加具有细长孔的滤波结构。为了证明在载荷发生装置中添加滤波结构对产生载荷的特征影响较小，本实用新型建立了载荷发生原理物理模型进行分析。

如图3所示，变截面液压缸14内填充变截面液压介质15。变截面液压缸14包含两个圆柱形截面，其中小截面的半径为r，长度为L_r；大截面的半径为R，长度为L_R。假设活塞5在半径为r的截面压缩变截面液压介质15，且装置工作时活塞5不进入半径为R的截面，则可建立如下的运动控制方程：

将活塞5的初始速度v₂代入方程可以解得：

由公式(6)可知，变截面液压缸14工作产生的载荷特征仅与变截面液压介质15的总体积和活塞5与变截面液压介质15接触面的半径r相关，而与变截面液压介质15的其它几何参数无关。公式(6)与公式(4)的形式基本一致，即本实用新型载荷发生方法及装置是利用体积压缩效应产生。这也是尽管图2的载荷曲线上存在不同频率的波动现象，载荷波形仍然符合半正弦波特征的主要原因。由此也说明，可以在载荷发生装置中合理设置具有细长孔的机械滤波结构，而不影响载荷特征。

在以上理论分析的基础上，本实施例提供一种带有滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置。参见图4，本实施例与实施例一的不同之处在于：活塞5的液压盘11与液压缸6的底面之间形成的腔室内安装有沿液压缸6径向设置的滤波板12，滤波板12是与液压缸6侧壁直径相同的圆形钢板，滤波板12上开设有多个通孔，所有的通孔均布于同一个与滤波板12同心的圆周上。液压缸6的底面设置有滤波孔13，压力传感器7通过滤波孔13与液压缸内的液压介质接触。如图5所示，使用本实施例带有滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置得到的载荷曲线上无波动干扰信号。

基于本实施例带有滤波结构的半正弦波压力载荷发生装置获得无波动干扰的半正弦波压力载荷的方法包括以下步骤：

1)搭建半正弦波压力载荷发生装置；

1.1)向液压缸6内装填液压介质8；

1.2)将活塞5装入液压缸6内，使活塞5的液压盘11与液压介质8充分接触；

1.3)将导向块9装入液压缸6内，使活塞5的撞击柱10穿过导向块9后伸出于液压缸6外部；

1.4)在活塞5的撞击柱10的对侧固定安装驱动装置。

2)驱动装置驱动撞块4撞击活塞5，使活塞5在液压缸6内产生轴向移动；

2.1)关闭阀门2，通过充气口向驱动装置的气室1内填充加压气体；

2.2)关闭充气口，打开阀门2，加压气体驱使撞块4在发射管3内加速移动；

2.3)撞块4脱离发射管3后撞击活塞5的撞击柱10；

2.4)在撞块4的撞击下，活塞5在液压缸6内产生轴向移动。

3)活塞5压缩液压介质，利用液压介质8的体积压缩效应产生压缩波；

4)利用滤波板12和滤波孔13对液压介质8内的压缩波进行滤波；

5)压力传感器7采集得到无波动干扰信号的半正弦波压力载荷。