CN113218610A - 一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置及其控制方法，所述装置包括：加载箱、泄爆孔、加载孔和活塞传力装置；所述泄爆孔和加载孔分别设置在加载临近的两个端面上，并且靠近设置；所述活塞传力装置安装在加载孔上，所述活塞传力装置的末端与受冲击结构相连接；通过在加载箱中起爆***，在加载孔处模拟冲击载荷，并通过活塞传力装置传递给受冲击结构；通过调整药量、起爆位置和泄爆孔面积等参数来模拟各种压力峰值和脉宽的冲击载荷；利用该装置和方法可以便捷、有效地模拟强冲击、大脉宽冲击载荷，可用于结构和设备的冲击评估。

Description

一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置及其控制方法

技术领域

本发明属于***冲击毁伤评估领域，具体地，涉及一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置及其控制方法。

背景技术

对于建筑物、舰船等结构的***冲击、飞行器高速入水的冲击等情况，结构都受到冲击载荷作用。为考核结构抗冲击能力，需要对结构开展冲击实验，传统的冲击载荷发生装置有冲击机、冲击平台和直接***等。然而，以上冲击载荷脉宽较短，对于飞行器高速入水等大脉宽载荷，尚无有效载荷施加手段。

目前已有的相关专利，只能施加瞬时冲击载荷，冲击载荷脉宽不超过毫秒量级。对于飞行器高速入水等大脉宽载荷，其脉宽达到百毫秒量级，因此，用现有的载荷施加方法无法施加出相似的冲击载荷。

发明内容

本发明为了解决上述问题，能使冲击载脉宽能达到百毫秒量级，提出了一种冲击载荷模拟装置和方法。

本发明是通过以下方法实现的：

一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置，所述装置包括：加载箱、泄爆孔1、加载孔2和活塞传力装置3；所述泄爆孔1和加载孔2分别设置在加载箱临近的两个端面上，并且靠近设置；所述活塞传力装置3安装在加载孔2上，所述活塞传力装置3的末端与受冲击结构相连接；通过在加载箱中起爆***，在加载孔2处模拟冲击载荷，并通过活塞传力装置3传递给受冲击结构。

进一步地、所述活塞传力装置3设有限位器，由橡胶密封。

一种应用于强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置的控制方法：所述方法包括以下步骤：

步骤1，依据目标载荷峰值和脉宽，计算起爆***药量、爆源位置和泄爆孔1面积；

步骤2，加载箱安放于具有***资质的试验场地；

步骤3，将加载孔2活塞传力装置3末端与受冲击结构相连接；

步骤4，人员布置***；

步骤5，人员撤出加载箱，在加载箱泄爆孔1处外接圆环板，使泄爆孔1到达设计面积；

步骤6，引爆***，完成加载。

进一步地、通过调整药量、起爆位置、泄爆孔1面积，以达到指定冲击载荷峰值和脉宽；

所述加载箱内的***载荷能够简化为两个阶段：第一阶段为冲击波载荷，冲击波超压峰值为P_r，是由入射超压P_s作用在结构壁面上反射形成，作用时间为τ₁；第二阶段为准静压载荷，超压峰值为P_qs；

TNT***在加载箱***产生的入射超压P_s的半经验公式为：

其中，入射超压P_s单位为MPa，Z是比例距离：

其中，R是从药包中心至测点距离，单位m，Q是药量，单位kg；

第一阶段冲击波载荷作用时间τ₁的半经验公式为：

加载箱内的冲击波在接触板架结构会形成反射，反射冲击波超压峰值P_r计算公式为：

第二阶段为准静压载荷，准静压超压峰值为P_qs的计算公式为：

式中Q是药量，V为加载箱舱室容积；

针对准静压载荷，准静压随时间衰减采用指数形式更准确，计算公式为：

P(t)＝P_me^-ct (6)

其中，P_m为指数曲线峰值，即指数模型最大压强，c为中间参数，c的取值为：

其中，A₀为泄压面积，C₀为空气介质声速；

准静压最大压强发生在τ₁时刻，其压强为P_qs+P₀，即准静压超压峰值P_qs与大气压P₀的和：

而准静压的衰减停止时间τ₂对应着压强降低到大气压P₀：

结合式和可以给出准静压衰减停止时间τ₂为：

则载荷脉宽取τ为：

τ＝τ₂+τ₁ (11)

所述加载箱的设计步骤为：

(1)根据指定压力峰值，通过公式(4)给的药量Q与R，根据试验场地大小与***允许药量范围，初步选取合适的Q与R；

(2)根据载荷峰值，预估准静压超压峰值P_qs，通过公式(5)计算加载箱的体积V；

(3)根据目标载荷脉宽τ，通过公式(11)计算，设计符合载荷脉宽的泄爆面积A₀；

(4)计算目标载荷冲量，根据公式(4)、(5)和(11)设计Q、R、A₀，使得设计载荷冲量与目标载荷冲量差异满足要求。

进一步地、所述加载箱由板架结构构成，所述板架结构使加载箱在目标载荷范围内不产生塑性应变,板架结构等效板厚设计公式为：

V₀＜V_cr (12)

其中，V₀是板架结构在受到冲击后瞬间获得的平均速度，V_cr是临界速度；

板架临界速度V_cr为：

式中：σ_y为板架结构材料屈服应力，ρ是钢板密度；

板架结构在受到冲击后瞬间获得的平均速度V₀的计算公式为：

式中：I_s为板架受到的冲击波载荷比冲量，单位为N·s/m2；ρ为钢板密度，单位为kg/m3；h_m为板架质量等效厚度，单位为m；h_m的计算公式为：

h_m＝h₀+h′ (15)

式中：h₀为板厚，h′为加筋等效厚度，单位为m；A_Z为纵向加筋截面积，A_H为横向加筋截面积，单位为m2；b_Z为纵向加筋间距，b_H为横向加筋间距，单位为m；

板架受到的冲击波载荷总冲量为：

式中：ΔP_r(x,y)为板架上任意点(x，y)处受到的反射冲击波载荷峰值，单位为Pa；τ(x,y)为板架上任意点(x，y)处受到的冲击波正压作用时间，单位为s。

本发明有益效果

(1)本发明提出的方法能对于大脉宽载荷情况进行模拟，对飞行器高速入水等情况施加有效载荷；本发明提出的方法能施加的瞬时冲击，冲击载荷脉宽能达到百毫秒量级；并且不仅能施加瞬时冲击载荷，能有效地模拟强冲击、大脉宽冲击载荷；

(2)本发明提供了一种强冲击大脉宽冲击载荷加载装置和方法，利用该装置和方法可以便捷、有效地模拟强冲击、大脉宽冲击载荷。目前虽然存在冲击机、冲击平台以及其它***冲击载荷模拟装置，但所模拟脉宽较短，且不能实现脉宽控制，本发明可填补此领域空白。

附图说明

图1为本发明的加载方法流程图；

图2为本发明的加载箱设计图；

图3为本发明的包含活塞传力装置的加载箱设计图；

图4为本发明的舱内***载荷示意图；

图5为本发明的目标载荷压力曲线；

图6为本发明的模拟载荷与目标载荷曲线对比。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置，所述装置包括：加载箱、泄爆孔1、加载孔2和活塞传力装置3；所述泄爆孔1和加载孔2分别设置在加载箱临近的两个端面上，并且靠近设置；所述活塞传力装置3安装在加载孔2上，所述活塞传力装置3的末端与受冲击结构相连接；通过在加载箱中起爆***，在加载孔2处模拟冲击载荷，并通过活塞传力装置3传递给受冲击结构。

进一步地、所述活塞传力装置3设有限位器，由橡胶密封。

一种应用于强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置的控制方法：所述方法包括以下步骤：

步骤1，依据目标载荷峰值和脉宽，计算起爆***药量、爆源位置和泄爆孔1面积；

步骤2，加载箱安放于具有***资质的试验场地；

步骤3，将加载孔2活塞传力装置3末端与受冲击结构相连接；

步骤4，人员布置***；

步骤5，人员撤出加载箱，在加载箱泄爆孔1处外接圆环板，使泄爆孔1到达设计面积；

步骤6，引爆***，完成加载。

进一步地、通过调整药量、起爆位置、泄爆孔1面积，以达到指定冲击载荷峰值和脉宽；

所述加载箱内的***载荷能够简化为两个阶段：第一阶段为冲击波载荷，冲击波超压峰值为P_r，是由入射超压P_s作用在结构壁面上反射形成，作用时间为τ₁；第二阶段为准静压载荷，超压峰值为P_qs；

TNT***在加载箱***产生的入射超压P_s的半经验公式为：

其中，入射超压P_s单位为MPa，Z是比例距离：

其中，R是从药包中心至测点距离，单位m，Q是药量，单位kg；

第一阶段冲击波载荷作用时间τ₁的半经验公式为：

加载箱内的冲击波在接触板架结构会形成反射，反射冲击波超压峰值P_r计算公式为：

第二阶段为准静压载荷，准静压超压峰值为P_qs的计算公式为：

式中Q是药量，V为加载箱舱室容积；

针对准静压载荷，准静压随时间衰减采用指数形式更准确，计算公式为：

P(t)＝P_me^-ct (6)

其中，P_m为指数曲线峰值，即指数模型最大压强，c为中间参数，c的取值为：

其中，A₀为泄压面积，C₀为空气介质声速；

准静压最大压强发生在τ₁时刻，其压强为P_qs+P₀，即准静压超压峰值P_qs与大气压P₀的和：

而准静压的衰减停止时间τ₂对应着压强降低到大气压P₀：

结合式和可以给出准静压衰减停止时间τ₂为：

则载荷脉宽取τ为：

τ＝τ₂+τ₁ (11)

所述加载箱的设计步骤为：

(1)根据指定压力峰值，通过公式(4)给的药量Q与R，根据试验场地大小与***允许药量范围，初步选取合适的Q与R；

(2)根据载荷峰值，预估准静压超压峰值P_qs，通过公式(5)计算加载箱的体积V；

(3)根据目标载荷脉宽τ，通过公式(11)计算，设计符合载荷脉宽的泄爆面积A₀；

(4)计算目标载荷冲量，根据公式(4)、(5)和(11)设计Q、R、A₀，使得设计载荷冲量与目标载荷冲量差异满足要求。

进一步地、所述加载箱由板架结构构成，所述板架结构使加载箱在目标载荷范围内不产生塑性应变,板架结构等效板厚设计公式为：

V₀＜V_cr (12)

其中，V₀是板架结构在受到冲击后瞬间获得的平均速度，V_cr是临界速度；

板架临界速度V_cr为：

式中：σ_y为板架结构材料屈服应力，ρ是钢板密度；

板架结构在受到冲击后瞬间获得的平均速度V₀的计算公式为：

式中：I_s为板架受到的冲击波载荷比冲量，单位为N·s/m2；ρ为钢板密度，单位为kg/m3；h_m为板架质量等效厚度，单位为m；h_m的计算公式为：

h_m＝h₀+h′ (15)

式中：h₀为板厚，h′为加筋等效厚度，单位为m；A_Z为纵向加筋截面积，A_H为横向加筋截面积，单位为m2；b_Z为纵向加筋间距，b_H为横向加筋间距，单位为m；

板架受到的冲击波载荷总冲量为：

式中：ΔP_r(x,y)为板架上任意点(x，y)处受到的反射冲击波载荷峰值，单位为Pa；τ(x,y)为板架上任意点(x，y)处受到的冲击波正压作用时间，单位为s。

实施例

假设目标载荷形式假设如图5所示，其载荷峰值为1.5MPa，脉宽约110ms。经计算，其冲量I₀＝64294Pa·s。

针对此载荷开展设计：

1)根据指定压力峰值1.5Mpa，通过式给出可能的药量Q与R。根据试验场地大小与***允许药量范围，初步选取合适的Q与R。实际取Q＝30kg，R＝5.5m。

P_s＝0.23MPa。τ₁＝4.1ms。P_r＝1.81MPa。

2)根据载荷峰值，预估P_qs约为1.4MPa。通过式，选取加载箱的体积V＝45m³，计算得到P_qs＝1.31MPa。

3)根据目标载荷脉宽τ，通过式计算，设计符合载荷脉宽的泄爆面积A₀。将空气声速取为C₀＝340m/s，标准大气压P₀＝0.1MPa，根据式可以设计A₀，使得τ接近目标载荷脉宽110ms。实际设计A₀＝1.54m²，计算得到τ₂＝111ms，τ＝τ₁+τ₂＝115.1ms。

4)计算目标载荷冲量，根据公式(4)、(5)和(11)设计Q、R、A₀，使得具备以下条件：

①设计载荷冲量与目标载荷冲量相等；设计载荷冲量I_d＝87473Pa·s。

②设计载荷脉宽与目标载荷脉宽相等。

模拟载荷与目标载荷曲线对比如图6所示：

根据箱体体积45m³与爆距要求5.5m，进行设计箱体结构，设计箱体为7.5*3*2m。

所述加载箱由板架结构构成，板架结构设计需要保证目标载荷范围内不产生塑性应变。板架结构板厚设计公式为：

V₀＜V_cr (18)

其中，V₀是板架结构在受到冲击后瞬间获得的平均速度，V_cr是临界速度。

板架临界速度V_cr为：

其中，材料选为Q345钢，σ_y取为345MPa，钢板密度ρ取为7850kg/m3。

V₀为：

因此，V₀取为419.3m/s，因此

因此，舱壁等效厚度为87mm。

I_s通过式计算，压力为64MPa，I_s＝2.86×10⁵Ns。

实际设计时，设计加筋结构，通过式计算等效厚度，使其不小于87mm。设计出的形式为图2所示。

以上对本发明所提出的一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置及其控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了数值模拟算例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置，其特征在于，所述装置包括：加载箱、泄爆孔(1)、加载孔(2)和活塞传力装置(3)；所述泄爆孔(1)和加载孔(2)分别设置在加载箱临近的两个端面上，并且靠近设置；所述活塞传力装置(3)安装在加载孔(2)上，所述活塞传力装置(3)的末端与受冲击结构相连接；通过在加载箱中起爆***，在加载孔(2)处模拟冲击载荷，并通过活塞传力装置(3)传递给受冲击结构。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述活塞传力装置(3)设有限位器，由橡胶密封。

3.一种应用于强冲击大脉宽冲击载荷模拟装置的控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1，依据目标载荷峰值和脉宽，计算起爆***药量、爆源位置和泄爆孔(1)面积；

步骤2，加载箱安放于具有***资质的试验场地；

步骤3，将加载孔(2)活塞传力装置(3)末端与受冲击结构相连接；

步骤4，人员布置***；

步骤5，人员撤出加载箱，在加载箱泄爆孔(1)处外接圆环板，使泄爆孔(1)到达设计面积；

步骤6，引爆***，完成加载。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，通过调整药量、起爆位置、泄爆孔(1)面积，以达到指定冲击载荷峰值和脉宽；

所述加载箱内的***载荷能够简化为两个阶段：第一阶段为冲击波载荷，冲击波超压峰值为P_r，是由入射超压P_s作用在结构壁面上反射形成，作用时间为τ₁；第二阶段为准静压载荷，超压峰值为P_qs；

TNT***在加载箱***产生的入射超压P_s的半经验公式为：

其中，入射超压P_s单位为MPa，Z是比例距离：

其中，R是从药包中心至测点距离，单位m，Q是药量，单位kg；

第一阶段冲击波载荷作用时间τ₁的半经验公式为：

加载箱内的冲击波在接触板架结构会形成反射，反射冲击波超压峰值P_r计算公式为：

第二阶段为准静压载荷，准静压超压峰值为P_qs的计算公式为：

式中Q是药量，V为加载箱舱室容积；

针对准静压载荷，准静压随时间衰减采用指数形式更准确，计算公式为：

P(t)＝P_me^-ct (6)

其中，P_m为指数曲线峰值，即指数模型最大压强，c为中间参数，c的取值为：

其中，A₀为泄压面积，C₀为空气介质声速；

准静压最大压强发生在τ₁时刻，其压强为P_qs+P₀，即准静压超压峰值P_qs与大气压P₀的和：

而准静压的衰减停止时间τ₂对应着压强降低到大气压P₀：

结合式和可以给出准静压衰减停止时间τ₂为：

则载荷脉宽取τ为：

τ＝τ₂+τ₁ (11)

所述加载箱的设计步骤为：

(1)根据指定压力峰值，通过公式(4)给的药量Q与R，根据试验场地大小与***允许药量范围，初步选取合适的Q与R；

(2)根据载荷峰值，预估准静压超压峰值P_qs，通过公式(5)计算加载箱的体积V；

(3)根据目标载荷脉宽τ，通过公式(11)计算，设计符合载荷脉宽的泄爆面积A₀；

(4)计算目标载荷冲量，根据公式(4)、(5)和(11)设计Q、R、A₀，使得设计载荷冲量与目标载荷冲量差异满足要求。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：所述加载箱由板架结构构成，所述板架结构使加载箱在目标载荷范围内不产生塑性应变,板架结构等效板厚设计公式为：

V₀＜V_cr (12)

其中，V₀是板架结构在受到冲击后瞬间获得的平均速度，V_cr是临界速度；

板架临界速度V_cr为：

式中：σ_y为板架结构材料屈服应力，ρ是钢板密度；

板架结构在受到冲击后瞬间获得的平均速度V₀的计算公式为：

式中：I_s为板架受到的冲击波载荷比冲量，单位为N·s/m2；ρ为钢板密度，单位为kg/m3；h_m为板架质量等效厚度，单位为m；h_m的计算公式为：

h_m＝h₀+h′ (15)

式中：h₀为板厚，h′为加筋等效厚度，单位为m；A_Z为纵向加筋截面积，A_H为横向加筋截面积，单位为m2；b_Z为纵向加筋间距，b_H为横向加筋间距，单位为m；

板架受到的冲击波载荷总冲量为：

式中：ΔP_r(x,y)为板架上任意点(x，y)处受到的反射冲击波载荷峰值，单位为Pa；τ(x,y)为板架上任意点(x，y)处受到的冲击波正压作用时间，单位为s。

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