可实现材料水下爆炸冲击波冲击压缩的等效加载实验装置

摘要

本发明公开了一种可实现材料水下爆炸冲击波冲击压缩的等效加载实验装置。主要包括发射系统、测速系统、水舱系统、液压系统、测量系统共五个部分。发射系统与水舱系统呈一字型水平布置，发射系统发射管口与高压水舱头部端口相对，测速系统安装在发射管口，水舱系统主体部分包括两水舱和一透射杆。利用子弹撞击水舱系统，可将子弹的动能转化为水舱内冲击波的能量。本发明可在不使用炸药条件下获得多种水深环境下的爆炸冲击波，同时可完成对多种材料的水下爆炸冲击波作用下的动态冲击压缩力学行为分析，具有可重复性强，安全性高，实验成本低，操作简单等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种爆炸与冲击动力学实验装置，特别是通过撞击产生等效水下爆炸冲击波载荷及其作用下测试材料动态冲击压缩力学性能的实验装置。

背景技术

海洋工程结构通常在海水腐蚀、高低温、瞬态冲击荷载等恶劣环境下工作，承受的主要冲击载荷包括碰撞、三维流体载荷作用等。此外，舰船结构还面临武器打击威胁，须应对来自于水面和水下的爆炸载荷作用。目前，对于水下爆炸冲击波作用在海洋结构物上的实验研究较少，而是主要利用ABAQUS、LS-DYNA、AUTODYN等有限元仿真软件进行模拟研究，由于缺少必要的实验验证很难证明软件仿真的准确性。因而，通过实验手段研究海洋结构物和材料在水下爆炸冲击波载荷作用下的抗冲击作用显得尤为重要。现有的实验手段集中在水池爆炸实验和等效靶板实验，由于传统爆炸实验的可控性差、效率低、成本高、危险系数高、对实验环境要求高等缺点，设计一种可实现材料水下爆炸冲击波冲击压缩的等效加载实验装置及其测试方法将具有重要的工程意义。

目前，相关水下爆炸等效加载实验装置的研究在国内外相对较少。美国西北大学于2006年研究了直接碰撞转水中脉冲经扩张涵道测试蜂窝夹层复合材料板系统。2010年，美国佐治亚理工大学研究直接碰撞转水中脉冲经等截面涵道测试夹层复合材料板系统。国内，北京理工大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学近几年分别进行了水下爆炸等效加载实验装置的设计与研究，取得了一定的进展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不使用炸药的情况下能够实现多种水深环境下的水下爆炸冲击波等效加载，可实现对多种材料水下爆炸冲击作用下的动态冲击压缩力学行为研究的可实现材料水下爆炸冲击波冲击压缩的等效加载实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

包含发射系统、测速系统、高压水舱系统、测量系统和液压系统，

所述发射系统包括发射管和位于发射管前端的高压气室，

所述高压水舱系统包括试验水舱、轴向加载水舱、透射杆、阻挡片，试验水舱与轴向加载水舱之间通过压力连接杆连接，试验水舱上开有试验水舱放气孔、试验水舱注水口、冲击波测量装置安装口，轴向加载水舱上开有轴向加载水舱注水口、轴向加载水舱放气孔，阻挡片安装在试验水舱前端，透射杆的前端伸入试验水舱、后端伸入轴向加载水舱，待测材料试样安装在透射杆的前端，

所述测量系统包括应变片、高频压电传感器、信号放大处理器、动态应变仪、示波器、计算机，高频压电传感器安装在冲击波测量装置安装口内并通过信号传输线将电信号传输到信号放大放大器，信号放大处理器通过数据传输线将处理后的电信号传输到计算机，应变片粘贴在透射杆上，应变片通过引线连接至动态应变仪，动态应变仪通过数据连接线连接计算机，

所述液压系统包括低压水箱、换压器和油泵，低压水箱通过第一高压水管与换压器相连，换压器通过第二高压水管与试验水舱注水口和轴向加载水舱注水口相连，换压器通过高压油管连接油泵，

所述发射系统与水舱系统呈一字型水平布置，即发射管端口与试验水舱前端相对，激光测速系统固定安装在发射管壁后端。

本发明还可以包括：

1、所述测速系统包括两个激光发射器、两个激光接收器以及激光测速仪，两个激光发射器水平并排放置并固定，两个激光接收器与两个激光发射器相对放置并固定在发射管壁后端。

2、一个激光发射器与一个激光接收器组成一组激光器，两组激光器平行间距为50mm-100mm。

3、试验水舱的前端设置固定法兰，轴向加载水舱的后端设置固定质量块，压力连接杆连接在固定法兰与固定质量块之间。

本发明针对现有相关水下爆炸冲击波等效加载实验设备的局限性以及测试技术的不足问题，提出了一种可实现材料水下爆炸冲击波冲击压缩的等效加载实验装置，在不使用炸药的情况下，能够实现多种水深环境下的水下爆炸冲击波等效加载，通过改变发射系统的子弹速度，可改变水下爆炸冲击波波峰值，同时该发明装置也可实现对多种新型材料水下爆炸冲击作用下的动态冲击压缩力学行为研究。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相比其它已有相关发明有明显的技术改进和提升。本发明系统主要包括发射系统、测速系统、高压水舱系统、测量系统以及液压系统等五大主要部分。由于增加了油泵和换压器等装置，使得本发明系统可在不使用炸药的情况下实现多种水深环境下的爆炸冲击波等效加载，通过两个水舱的设计，可使待测材料试样两侧压力平衡，从而实现多种水深环境下水下爆炸冲击波等效加载及其作用下对材料的动态冲击压缩的实验研究。本发明具有应用范围广、可操作性强、安全性高、可重复性强、实验成本低等优点。

附图说明

图1为发明的实验装置的总体结构示意图。

图2为发射系统结构示意图。

图3为测速系统结构示意图。

图4为水舱系统结构示意图。

图5为测量系统结构示意图。

图6为液压系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步描述。

结合图1，本发明的测试系统包含发射系统1、测速系统2、高压水舱系统3、测量系统4以及液压系统5等五大主要部分。所述发射系统与水舱系统呈一字型水平布置，加载系统发射管端口与试验水舱头部端口相对，激光测速系统固定安装在发射管壁末端位置。所述水舱系统由多个环形支架水平固定安装在水泥底座上。

结合图2，发射系统包括包括高压气室1-1、触发开关1-2、子弹1-3、发射管1-4、气室压力表1-5等部件，气室压力表安装在高压气室壁上，与气室连通，发射管紧密连接高压气室，子弹安装在发射管内，且子弹直径与发射管内径相等。

结合图3，测速系统包括激光发射器一2-1、激光发射器二2-2、激光接收器一2-3、激光接收器二2-4、激光测速仪2-5、激光测速仪显示器2-6、激光测速仪置零键2-7等部件，两个激光发射器水平并排放置并固定，两个激光接收器与两个激光发射器相对放置并固定在发射管壁末端位置，两组激光器平行间距为50mm-100mm。

结合图4，高压水舱系统包括试验水舱放气孔3-1、截止阀一3-2、试验水舱注水口3-3、冲击波测量装置安装口一3-4、冲击波测量装置安装口二3-5、待测材料试样3-6、透射杆3-7、轴向加载水舱注水口3-8、轴向加载水舱放气孔3-9、截止阀二3-10、固定质量块3-11、轴向加载水舱3-12、“O”型橡胶密封圈3-13、应变片3-14、压力连接杆3-15、“O”型橡胶密封垫3-16、试验水舱3-17、固定法兰3-18、阻挡片3-19等部件；水舱系统由多个环形支架水平固定安装在水泥底座上，在试验水舱舱壁上设有两个冲击波测量装置安装口、一个放气孔和一个注水口，放气孔上布置有一截止阀，高压水舱为等外径圆柱管(外径为500mm，长度为3000mm)，在阻挡片端部内径为100mm，长200mm，中间段内径为60mm，长度为2300mm，待测材料试样端内径为80mm，长500mm；所述透射杆直径为80mm，长为3000mm，一端与待测材料试样紧密接触，另一端在轴向加载水舱内，在轴向加载水舱内透射杆周向设有一凹槽，用于安装“O”型橡胶密封圈，起到密封作用；所述轴向加载水舱内径为80mm,外径为500mm，长为1000mm的等直径圆管，在其舱壁上设有一个放气孔和一个注水口，放气孔上布置有一截止阀；所述固定法兰，其内径为75mm，通过四根压力连接杆与尾端固定质量块连接；所述阻挡片直径为100mm，在其周向设有一凹槽，用于安装“O”型橡胶密封圈，起到密封作用；所述截止阀安装在两水舱的放气孔上，待水舱注满水后呈关闭状态；所述待测材料试样透射杆紧密安装在高压水舱尾端，并在板材试样与高压水舱接触位置安装“O”型橡胶密封垫，起密封作用。

结合图5，测量系统包括信号放大处理器4-1、计算机4-2、动态应变仪4-3、示波器4-4等部件；高频压电传感器紧密安装在冲击波测量装置安装口内，并通过信号传输线将电信号传输到信号放大放大器，然后通过信号放大器对信号放大处理，进而通过数据传输线将处理后的电信号传输到计算机，通过计算机处理可绘制高压水舱内不同测点处的等效冲击波压力时程曲线；同时动态应变仪可获得粘贴在透射杆上的应变片的应变情况，通过示波器可得到透射杆上波形；通过高频压电传感器可获得试验水舱内等效水下爆炸冲击波，通过透射杆上应变片可获得透射杆上透射波波形，利用一维弹性波在两种介质分界面上的透射理论可得到待测材料在等效水下爆炸冲击波动态冲击作用下的应力响应。

结合图6，液压系统包括低压水箱5-1、截止阀三5-2、高压水管一5-3、高压水管二5-4、截止阀四5-5、换压器5-6、高压油管5-7、油泵5-8、水舱压力表5-9等部件，所述低压水箱通过高压水管一连接换压器上部，高压管二一端连接换压器上部，另一端连接高压水舱注水口，所述高压油管连接油泵和换压器下部，在高压管一和高压管二上各安装有一个截止阀，在高压水管二上安装一压力表。

本发明还包括这样一些特征：

1.发射系统中子弹可选用泡沫铝、合金钢、铝等材质，阻挡片和透射杆为高强度合金钢，所述子弹直径与试验水舱中间段内径均为60mm，固定法兰内径为75mm，大于子弹直径。

2.所述实验测试系统中高压水管、高压油管、放气孔均为高压钢丝缠绕胶管，可承受30MP的最大压力。

3.本发明装置可通过液压系统调节高压水舱内水压(0-30MP)，模拟不同水深的静水压环境，从而实现一种多水深(0-3000m)环境下的爆炸冲击波等效加载以及在该作用下对不同材料的动态冲击压缩力学性能的研究。

利用本发明的水下爆炸冲击波等效加载实验装置的新型测试方法的具体实施步骤为：

(1)使用本发明装置时，首先在已粘贴好应变片3-14的透射杆3-7和阻挡片3-19上安装“O”型橡胶密封圈3-13，然后安装“O”型橡胶密封垫3-16，并用透射杆3-7固定安装好待测试样板材3-6，通过压力连接杆3-15固定连接固定法兰3-18和固定质量块3-11。

(2)打开截止阀一3-2、截止阀二3-10、截止阀三5-2和截止阀四5-5，向试验水舱3-15和轴向加载水舱3-12内注水，通过试验水舱放气孔3-1和轴向加载水舱放气孔3-9排除试验水舱3-15和轴向加载水舱3-12内的空气，并在两排气口排水时，关闭截止阀一3-2、截止阀二3-10和截止阀三5-2，通过油泵5-8向换压器5-6注油，增加试验水舱3-15和轴向加载水舱3-12内水压，观察水舱压力表5-9，当压力值达到实验所需值时，关闭截止阀四5-5。

(3)打开信号放大处理器4-1、计算机4-2、动态应变仪4-3、示波器4-4，调节高压气室1-1内气压，将子弹1-3推至发射管1-4最内端。

(4)将测速系统2连接电源并打开，按下激光测速仪置零键2-7，打开发射系统1的触发开关1-2进行实验。

(5)记录激光测速仪显示器2-6上时间，通过信号放大处理器4-1、动态应变仪4-3、计算机4-2对高频压电传感器和应变片3-14收集的信号处理，绘制出测点处的应力波波形曲线。

(6)将子弹1-2放回发射管1-3，打开截止阀四5-5，通过换压器5-6降低试验水舱3-15和轴向加载水舱3-12内水压，打开截止阀一3-2和截止阀二3-10，拆除固定法兰3-18、阻挡片3-19、“O”型橡胶密封圈3-13、透射杆3-7、待测试样板材3-6和“O”型橡胶密封垫3-16，关闭信号放大处理器4-1、计算机4-2、动态应变仪4-3、示波器4-4、激光测速仪2-5，断开所有电源。

以上内容仅为本发明的较佳实施案例，对于本技术领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均可有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。