基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:张永坤()男博士高级工程师:.:./.基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究张永坤崔雄伟金 辉沈晓乐(.部队 辽宁 大连 .哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨)摘要:采用霍普金森杆测量系统对气泡载荷进行测量 根据应力应变对应关系对霍普金森杆测量原理进行表述其为通过测量 上应变推算得到杆端部应力对 测量系统组成进行说明分析 材料、尺寸选取方法给出应变测量信号与壁压信号间换算关系采用高速摄影、压力传感器测量系统、霍普金森杆测量系统在实验室条件下对气泡载荷进行测量分析比对测量结果 结果表明高速摄影与 测量系统获取的气泡峰压时间、气泡脉动周期基本一致无量纲爆距大于.时压力传感器和 测量结果获取的物面载荷数据基本相同近距离实验时 测量系统抗电磁干扰能力更强 通过实验比对分析验证了霍普金森杆测量系统的有效性及准确性关键词:霍普金森杆气泡载荷测量壁压实验本文引用格式:张永坤崔雄伟金辉等.基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言水下爆炸会产生冲击波和气泡脉动从时序上可分为冲击波载荷、第 周期气泡载荷、第 周期气泡载荷属于多段压力载荷 近场水下爆炸压力幅值极高同时受水下爆炸爆轰产物直接影响而造成测量环境恶劣此种情形对测量系统测量量程以及测量环境的耐受度提出了更高的要求 冲击波载荷和气泡射流 溃灭载荷完整的压力测量需要系统具有足够长的测量时间并具备极高的可靠性 针对近场水下爆炸压力测量问题众多学者进行了大量的尝试和研究潘建强等为了测量水下爆炸条件下近药包表面的能量提出基于预制飞片圆筒的水下爆炸条件下近药包表面能量测试技术 盛振新在小型观测水槽内开展了小当量炸药水下爆炸试验采用阵列传感器测量获取了气泡射流载荷的时空分布特性 为获得近场空中爆炸、近场沙土爆炸等载荷国内外学者开发了基于 杆()壁压测量方法 压力测量的基本方法是基于波动理论根据应力应变对应关系通过测量 上应变推算得到杆端部应力 土爆和空爆的压力载荷属于单段压力载荷而水下爆炸会产生多段压力载荷所以在使用 测量水下爆炸气泡载荷时需考虑其多段峰值载荷特点 通过改进 提出一种新的水下爆炸载荷测量方法用于测量水下爆炸气泡在其附近刚性平板上产生的多段物面载荷 等 在 研究的基础上使用 测量平板边界条件下电火花气泡载荷和微当量水下爆炸气泡载荷研究结果表明当爆距大于气泡最大半径时第 周期气泡载荷会产生显著的毁伤作用爆距是影响气泡载荷对其周围结构造成破坏的重要原因之一 马春龙等采用 载荷序列测量系统对多攻角、多曲率曲面边界条件下的气泡形态和载荷特性进行了系统实验分析总结冲击波载荷、气泡形态和气泡载荷随不同攻角、曲率、爆距的变化规律根据霍普金森杆在水下爆炸研究开展情况基于应力波理论说明霍普金森杆载荷测量原理基本方法是通过测量霍普金森杆响应应力波获取霍普金森杆杆端载荷 对霍普金森杆测量系统组成进行说明重点说明 材料、尺寸的选取应变测量信号与壁压换算关系 采用高速摄影机、压力传感器测量系统、霍普金森杆测量系统在实验室条件下对气泡载荷进行测量验证了霍普金森杆测量系统的有效性 霍普金森杆测量原理当 附近发生水下爆炸时冲击波载荷、第、第 周期气泡载荷会对其测量端面产生压力作用 内部会产生相应的响应应力波 作用在 上的载荷序列与 内部的响应应力波存在定量关系即通过测量响应应力波便可获知载荷序列大小如图 所示图 测量原理示意图.杆状结构在遭受外力时其内部质点都会产生相应的能量变化即应力波 通过分析微元可以得到波动方程如图 所示 图 中 表示微元 表示应力作用在 的时间 纵向应力 为沿着 方向的应力微元 的位移为杆的截面积和密度分别为 和 为应变质点速度为 弹性模量为 研究过程中假定 中的波速和密度保持不变图 形变示意图.由虎克定律可知微元 的应力、应变之间关系为 ()应力波速度 为/()初始状态下连续方程为 ()由式()、式()、式()得到动量守恒方程 ()表明了杆中微元 的杆纵向应力 与杆中质点速度 的关系 霍普金森杆测量系统霍普金森杆()测量系统主要包含 部分:霍普金森杆以及动态电阻应变仪.霍普金森杆主要根据测量需求确定其材料、尺寸、固定方式等)测杆材料选择 可以采用铝合金或者钢质材料铝、钢、铜的材料特张永坤等:基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究性如表 所示表 材料力学性能 材料弹性模量/密度/()泊松比细杆纵波波速/()铝.铜.钢.从 种材料的力学性能参数来看铝的弹性模量较小意味着遭受相同的载荷时铝质测杆会出现较大的应变响应杆中应力波信号更容易被捕捉 测量过程中为了能够捕捉到微弱壁压所引发的应力波信号获得更高的信噪比低弹性模量的铝及其合金更为合适 而对于大当量、烈度更高的水下爆炸壁压相应地会强很多较强的壁压会使得铝产生塑性变形甚至破坏此时钢或比钢更硬的材料更为合适 能够测量壁压的最大脉宽为入射应力波经过 杆远端反射传播至应变片处的时间 对于相同长度的 材料的波速越低能够测得的壁压脉宽越宽)测杆尺寸确定对于近场水下爆炸爆炸冲击波为典型球面波 为最大程度精确测量球面波的分布测点面积越小越好这就要求测杆的直径必须足够小 然而杆直径越细杆的强度、稳性越差在测量近场水下爆炸壁压过程中杆会出现较大幅度的弯曲甚至失稳最终导致测量失败 同时杆的加工、安装以及应变片的粘贴难度会随着杆的直径减小而急剧增大所以在综合考虑后近场水下爆炸壁压测量中测杆直径一般为 在材料确定的工况下杆的长度越长有效采集时间越长但稳性、工艺性要求高综合考虑选定 杆长度)固定要求为满足冲击波过后的气泡射流与气泡坍塌载荷的测量需保证 端面在遭受爆炸冲击波载荷作用后与靶板迎爆面平齐 为此需对 进行固定使得杆在遭受初始爆炸冲击波载荷后不会发生较大的移动并且尽量不对杆中的应力波的传播产生干扰.动态电阻应变仪 上应变采集系统由传感器、传感器信号调节器和数据采集系统组成 半导体应变片将测杆上的应力波信号转换为电阻信号应变仪将电阻信号转换为电压信号 动态电阻应变仪的最大频率响应为 应变片线性量程不高于 灵敏度为 阻值为 实际测量中压力载荷作用于 测量端会导致其振动此时 中产生的弯曲波会影响实验结果通过在 圆截面对置位置粘贴双应变片的方法消除这些振动对实验结果的影响双应变片的粘贴位置如图 所示 当 向上或向下弯曲时上下应变片会产生正负相反且绝对值相等的电阻变化可以有效地消除 中的非轴向应变信号只保留轴向应变信号图 双应变片粘贴.使用强力带对 与保护筒之间进行弹性固定一是保证测量的准确性 二是保护壁面边界的完整性 纵向和横向弹性固定如图 所示图 固定方法.压力信号与电信号转换基于惠斯通电桥原理霍普金森杆将压力载荷信号转化为电信号 假定电桥供电的直流电源电压为 研究过程中选择的桥臂电阻相等即 则 个相邻电桥工作时的输出电压 为 (/)/().壁压计算在测杆材料的弹性范围内测杆中应力波响应与物面载荷保持线性关系 杆上的应变量 与动态电阻应变仪输出电压信号 之间的关系为()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./动态电阻应变仪供桥电压 为、可根据实际情况确定桥变系数 /半导体应变计灵敏度系数 为 理想情况下根据 杆中应力波推导出的 杆杆端压力即物面载荷 为 ()其中为 杆材料弹性模量根据后续实验式()还需加以修正 ()需要引入一个修正系数 此系数与测杆材料、爆炸入射角度有关 对于垂直入射载荷此系数为 其他情况还有待研究 实验验证以电火花作为激励源采用霍普金森杆测量系统、高速摄影机、压力传感器测量系统对水下气泡载荷进行测量将 测量结果与其他 种结果比对分析其测量有效性.电火花气泡激励电火花气泡由水下放电产生电压为 气泡最大半径 为 采用高速摄像机拍摄气泡脉动过程高速相机拍摄速率为 帧/秒 为统一实验条件对爆源到半球底端的直线距离进行无量纲处理 基于冲击波球面假设爆源到半球底部的无量纲距离定义为 /无量纲爆距 是影响气泡脉动过程的主要特征参数是电火花气泡最大半径 自由场中气泡最大半径约为 如图()所示 为爆源与冲击波最先到达的半球底部之间的直线距离如图()所示图 气泡直径及相关参数.实验测量系统试验过程中使用 和压力传感器实验装置在相同的无量纲爆距情况下分别使用 种测量装置对气泡载荷进行测量同时用高速摄影装置记录气泡运动过程 实验系统如图 所示图 实验系统示意图.使用钢制 其长度为.直径为 使用对置的双应变片将半导体应变片粘贴在距 测量端.处记录 中的信号 惠斯通电桥电路可将应变片产生的电阻信号转换为电压信号 霍普金森杆实验设备如图 所示图 霍普金森杆设备.使用压电型压力传感器测量范围为 (过载能力)压力传感器实验设备如图 所示图 压力传感器设备.实验结果比对分析采用 种方法对 测量系统的有效性进行验证 首先从 测得的应变信号入手通过判别应变信号的有效性证明 测量系统的有效性其次将 测量结果与高速摄像机拍摄影像资料进行联合分析以此证明 测量系统的有效性最后分别使用压力传感器和 测量相张永坤等:基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究同工况下的气泡物面载荷通过比较两者的测量结果验证 测量系统的有效性)测量系统应变信号分析假设入射波第 次经过应变片到其产生的反射波第 次经过应变片之间的时间为脉宽 当 长度一定时 可由式()计算获得:()/()式()中:为 尾端与应变片之间的距离为应力波在 中的传播速度当载荷测量时间 大于 时 测量结果失真为保证 测量准确性载荷测量时间 需要满足 ()/()实验使用的 长度为.应变片与测量端之间相距.应力波在 中的传播速度为./由式()计算得 .因此验证研究中使用的 测量的气泡载荷最大脉宽为.电火花气泡实验中第 周期气泡载荷产生的电压时间曲线如图 所示 由图 可知第 周期气泡坍塌时间 在 .时检测到反射波信号 在.时应变片第 次检测到反射波 在 .时应变片第 次检测到反射波 以此类推在 .、.时应变片第、第、第 次检测到反射波应变片检测到的反射波的绝对值逐渐减小 应变片检测到的初始应力波和反射应力波的采集时间如表 所示图 应力波和反射波曲线.结合图 和表 可知应变片检测到应力波的间隔时间、等于.、.、.数值小于等于(.)说明 测量气泡载荷有效)测量结果与高速摄像拍摄结果比对将 测量结果与高速摄像拍摄结果进行比对分析实验中无量纲爆距 .(爆距为 )高速摄像拍摄气泡脉动过程如图 所示 测得物面载荷曲线如图 所示表 气泡第 次坍塌时的初始应力波和应力反射波的采集时间 ()()()()()()()/./.图 电火花气泡脉动过程.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 压力时间曲线.由图 可知.时开始形成电火花气泡.时气泡膨胀至最大体积 .时开始形成指向边界底部的射流.至 .射流穿过气泡冲击到边界底部的 测量端面上 .在边界底部坍塌第 周期气泡坍塌后气泡回弹继续脉动并在 .时第 次坍塌 由此可知气泡脉动第周期为 第 周期为 由图 可知从整体看 到 的压力 时间曲线一共出现 段峰值载荷第 段脉宽较窄第、第 段脉宽比第 段宽 这符合高速摄像机拍摄过程中出现 次爆炸、次气泡坍塌的特点 爆距为 假定冲击波传播速度为 /则冲击到达时间为.与测量结果(.)比较接近 由图 可知第 周期为.第 周期为.与高速摄影得到数值(第 周期为 第 周期为.)比较接近 所以从峰压变化时间序列、气泡脉动周期上来看 测得的物面载荷曲线有效)测量结果与压力传感器测量结果比对分别使用压力传感器和霍普金森杆测量 .(爆距为 )、.(爆距为 )、.(爆距为)、.(爆距为 )时的电火花气泡载荷 第 压力峰值、第 压力峰值表比对如表 所示由表 可知 种测量手段获得的峰值压力比较接近第 压力峰值的最大误差为.第 压力峰值的最大误差为.表 压力峰值比对 无量纲爆距 第 压力峰值/压力传感器第 压力峰值/压力传感器.由实验结果可知:动态电阻应变仪应变片检测到应力波的间隔时间等于霍普金森杆测量脉宽 测量系统与高速摄影机获得的峰压变化时间序列、气泡脉动周期基本一致相同实验工况下霍普金森杆测得的物面载荷数据与压力传感器测得的物面载荷数据几乎相同一般情况下在测杆材料的弹性范围内测杆中应力波响应与物面载荷保持线性关系在此情况下物面载荷的换算较为准确 基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统获取的水下气泡的压力峰值为几十兆帕数量级 当物面载荷幅值较大测杆中出现了塑性应变此时物面载荷与测杆中应变的关系较为复杂、难以测量 所以在 测量载荷中一般要保证 处于弹性响应范围内 对于一般材料的 杆如钢物面载荷能达到 左右 如若换更高强度的材料可获得更高的载荷测量量程 对于大当量、烈度更高的水下爆炸壁压相应地会强很多此时 杆需选择更硬的钢或者合金材料 结论通过研究得到以下结论:)基于波动理论作用在 上的载荷与 内部的响应应力波存在定量关系可以通过测量杆上响应应力波获知杆端载荷大小)为获取信噪比高信号选择铝等弹性模量低的材料在强冲击试验条件下为了获取烈度更强的信号选择刚等弹性模量高的材料 的强度、稳性、量程与 的加工、安装、应变片粘贴需要综合考虑给出合理的直径、长度)根据 尺寸及应变片位置计算得到脉宽数值根据试验测量得到的电压 时间曲线分析得到脉宽数值 种 结果进行比较发现结果一致表明 对应变信号测量结果有效)将高速摄影与 获取的气泡峰压时间、气泡脉动周期进行比对二者峰压值作用时间、周期时长基本一致)将相同工况下压力传感器和 测量结果进行比对无量纲爆距大于.时 种方式获取的测量物面载荷数据基本相同无量纲爆距小于.时压力传感器受电磁干扰的影响而霍普金森可准确测量物面载荷相同工况水下爆炸载荷参考文献:潘建强盛振新毛海斌等.水下爆炸条件下近药包表面 能 量 测 试 技 术 研 究 .中 国 测 试 ():.():.盛振新刘建湖张显丕等.水下爆炸气泡射流载荷阵张永坤等:基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究列测量技术探索.爆炸与冲击():.():.():.:.():.():.李玺范锦彪王燕等.基于 杆的窄脉冲校准系统.弹箭与制导学报():.():.孙诗惠余有龙李慧等.基于光纤光栅的应力波检测技术研究.中国激光():.():.:.:.崔雄伟.基于 杆近场水下爆炸壁压测量方法实验研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学:.:.马春龙.曲面边界条件近场水下爆炸气泡脉动及载荷特性实验研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学:.:.王颖史旭光.欧拉拉格朗日方程在一维波动方程中的应用.物理与工程():.():.科学编辑 沈超 博士(中国船舶科学研究中心 工程师)责任编辑 贺 柳兵 器 装 备 工 程 学 报:/./