一种测量密闭容器爆炸载荷下动态响应的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量密闭容器爆炸载荷下动态响应的方法，具体涉及一种测量密 闭容器在爆炸载荷作用下壳体表面动态响应的方法，壳体的动态响应包含微小变形和弹性 振动，属于测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 爆炸容器是一种常见的爆炸实验装置，广泛应用于科学研究、国防军事、爆炸加 工、公共安全等领域，如爆炸加工和爆炸实验研究。对于可重复使用的爆炸容器，在许用装 药量前提下，仅允许容器壳体发生可以忽略的微小变形和弹性振动。此外，爆炸容器在受 到爆炸载荷作用下的破坏模式和容器结构的固有振动特性息息相关，容器壳体结构的薄弱 模态会引起壁面的局部应力集中最终导致破坏，其中结构的固有振动频率和主要振型构成 了它的固有振动特性。因此，测量爆炸容器在爆炸载荷条件下的动态响应（包含变形与振 动），对于爆炸容器的设计和安全性能检测具有十分重要的意义。研究结构动态特性有两种 基本思路：一种为有限元模拟，一种为实验模态分析法。根据所测物理量的不同，实验模态 分析又分为位移模态分析和应变模态分析。位移模态分析是以位移（加速度）响应为基本 测量参数，该方法已经在工程上较为常见。另外，为了保证爆炸容器在检测前后的结构完整 性，选择一种无损检测方法是必要条件。
[0003] 目前，传统的测量方法有很大的局限性，如基于应变片的电测法和反射面速度干 涉仪（VISAR)方法等都只能得到一点或多点的变形信息，无法获得被测表面的全场变形， 难以深入、全面了解材料和结构的动态变形过程。而传统的光测方法（如全息干涉、散斑照 相术、密栅云纹方法等），一般都要求使用激光作为光源，光路复杂，测量结果容易受到外界 振动的影响，这些条件的限制使得传统非接触测量方法在类似爆炸这种恶劣环境的实验中 应用困难。
[0004] 数字图像相关方法（简称DIC)是一种新兴的光学无损测量技术，该方法仅需在待 测样品表面制备黑白散斑场（清洗即可出去），主要用于测量加载作用下观测对象表面的 变形场，它具有非接触性、全场测量、光路简单、可用白光光源、不易受外界影响、对隔振条 件要求较低、测量范围和精度可根据需要调整、数据处理自动化程度高等优点，是研究爆炸 容器动态响应过程的潜在测试手段。DIC方法的主体思想是在上个世纪80年代由日本I Yamaguchi和美国南卡罗莱纳州（South Carolina)大学的Peter和Ranson等人同时独立 提出的。Sutton等根据这种思想发展出了相应的数值算法，发展成了现在熟知的二维数字 图像相关方法（2D DIC)方法，很多学者也利用这种方法在多领域展开了大量的研究工作。 但是，传统的2D DIC方法只能测量物体表面的面内位移，一些学者对DIC方法进行了改进 能够得到离面位移数据，但是这些改进方法都或多或少有一些缺陷，不能算是真正的三维 测量。90年代，Luo和Sutton等人利用一对相机从不同角度对被测物体表面成像，首次把 双目立体视觉原理和DIC方法相结合测得了物体表面的三维形貌及变形场。Chao等将计算 机视觉理论与2D DIC相结合，实现了对曲面的三维位移测量，推动了 DIC在3D变形场测量 中的发展。随后Sutton等又提出了新的相机标定方法，简化了标定过程，使三位数字图像 相关（3D DIC)方法日趋成熟。近年来，基于3D DIC方法的研究大都是静态或准静态加载 下材料和结构的变形场测量。而在动态加载条件尤其是爆炸加载条件下的高速变形与破坏 过程仍存在环境恶劣、存在危险性、速度较快难以捕捉、运动物体存在残影等技术和实验难 题，但是随着高速相机的发展，捕捉爆炸或冲击等动态加载条件下的高速变形场图像数据 成为可能。
【发明内容】
[0005] 针对传统测量爆炸容器动态响应规律（包括变形和振动）的无损测量方法只能对 爆炸过程中动态变形样品表面一点或多点进行测量记录，无法得到全场变形信息；以及传 统测量方法适用范围狭隘、操作环境要求过高，同时改变爆炸加载强度控制困难、加载条件 复杂多变的问题，本发明的目是提供一种测量密闭容器爆炸载荷下动态响应的方法，所述 方法测量条件要求简单，非接触能保证安全，并且对于动态过程的测量精度较高，可以捕捉 整个爆炸过程中的被测物表面全场变形信息。
[0006] 本发明的目的由以下技术方案实现：
[0007] -种测量密闭容器爆炸载荷下动态响应的方法，所述方法具体步骤如下：
[0008] (1)对待测容器的待测表面进行去除油污并打磨处理后，在待测表面喷涂一层厚 度< 0.1 mm的底漆，干燥，将散斑场模板覆盖在底漆表面，制作随机分布的散斑点，得到散 斑场；
[0009] 其中，所述散斑场模板为硬纸板材质，其上均匀分布大小相近的不规则形状孔洞； 所述孔洞通过激光微刻制作得到，其直径在高速相机视场内的大小为5个像素；
[0010] 所述底漆和散斑点的颜色不同；所述干燥优选自然晾干；
[0011] (2)将电雷管插入起爆药柱中，连接电雷管和同步触发器，将起爆药柱放入装药容 器中，将炸药固定结构固连到待测容器的筒壁上；连接同步触发起器、高速相机和计算机采 集终端；调整两台高速相机拍摄方向之间夹角Ct为15°~30°，聚焦使所述高速相机视场 与待测表面的散斑场重合；将两套以上的照明装置均与分布在待测表面的前方，打开照明 装置的光源，照亮散斑场；
[0012] 其中，起爆药柱由含能炸药冷压成型；
[0013] (3)对尚速相机进彳丁二维标定，米集15幅以上的标定板图像；将所述标定板图像 导入计算机采集终端上的DIC计算软件进行计算，得到高速相机的空间坐标系和单个相机 的内部参数；
[0014] 其中，DIC为三维数字图像相关方法的简称；
[0015] (4)通过同步触发器触发电雷管，电雷管引爆药柱，同时，同步触发器同步输出一 个5V的TTL上升沿脉冲信号触发高速相机采集待测容器在工作过程中表面散斑场的变形 过程，得到记录有变形信息的数字图像；
[0016] (5)将所述数字图像导入计算机采集终端上的DIC计算软件进行相关匹配计算， 得到爆炸过程中待测容器待测表面的初始三维位移场信息；根据所述位移场信息利用差分 法和导数法分别计算出三维速度场信息和二维面内应变场信息；最后根据计算的信息分析 待测容器在爆炸载荷作用下的变形响应特征；
[0017] (6)提取待测容器响应过程中观测表面区域的某点和平均离面位移-时间曲线， 对所述曲线进行快速卷积傅里叶变换，得到待测区域的弹性振动频谱分布曲线、加速度频 谱曲线和应变频谱曲线，根据频谱分布特征得到容器振动响应的主要频率及对应幅值，获 得待测容器在爆炸载荷作用下的振动特性；
[0018] (7)实验结束后，再次触发高速相机采集响应结束以后的容器表面静止图像，与爆 炸前待测容器待测表面的初始变形图像进行相关匹配，计算得到待测容器壳体的最终三维 位移场和应变场信息。
[0019] 所述方法采用的系统主要包括待测容器、同步触发器、起爆装置、照明装置、高速 相机和计算机米集终端；
[0020] 所述待测容器的待测表面制备有散斑场，所述散斑场由均匀分布大小相近的不规 则散斑点构成；
[0021] 所述高速相机的个数为两台；所述照明装置的个数为两套或以上；
[0022] 所述起爆装置包括药柱固定结构、起爆药柱和电雷管，其中，所述炸药固定结构由 一根支撑杆和一个装药容器组成；