模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统及方法，根据所需模拟的冲击波与破片复合载荷参数，确定泡沫铝弹丸的密度、长度，开孔的直径、深度，破片模拟弹的长度、直径和复合弹丸发射速度等参数；根据所确定复合弹参数制备复合弹；将制备好的复合弹从一级轻气炮中以所确定的速度射出，从而在复合弹着靶处形成所需模拟的冲击波与破片复合载荷。本发明专利技术为科研人员及工程设计人员提供一种模拟带壳爆炸装置爆炸威力的方法。这种方法可广泛应用于交通运输、安全防护及军事等领域中爆炸冲击载荷的试验模拟，可有效节省试验成本，具有可观的经济效益。

【技术实现步骤摘要】
模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统及方法
本专利技术属于爆炸与冲击载荷试验加载
，具体涉及一种模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统及方法，特别是在实验室中可模拟真实的地雷、导弹、简易爆炸装置等带壳装药爆炸产生的载荷。
技术介绍
地雷、导弹和简易爆炸装置等带壳装药爆炸作用下结构的动态响应是一项广泛存在于交通运输、安全防护及军事等领域的重要研究课题，受到各国科研人员广泛关注。然而，这一课题的试验研究远远滞后于理论和数值方法研究。原因是地雷、导弹和简易爆炸装置等带壳装药爆炸试验往往涉及到高能量爆炸物，这一加载方式存在安全性差、需要专用试验场地、使用技术复杂、费用高等不足，尤其是无法控制载荷形式。因此，为了能在常规试验条件下频繁的进行试验研究，急需一种安全、简单、经济的可同时模拟带壳装药爆炸产生的冲击波和破片的加载技术。泡沫铝子弹撞击加载技术作为一种爆炸加载替代技术可以实现不同冲量的爆炸波加载，然而不足之处是无法模拟冲击波和破片的耦合作用。冲击波和破片的耦合作用使得结构的毁伤更为严重，故而进行复合载荷作用下的结构毁伤研究尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统及方法，具有安全、简单、低成本、可重复性强的优势。本专利技术采用以下技术方案：一种模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，包括复合弹、一级轻气炮和靶板，复合弹设置在一级轻气炮内，靶板通过固定装置设置于一级轻气炮的一侧，复合弹包括泡沫铝弹丸和破片模拟弹，破片模拟弹嵌入在泡沫铝弹丸内。可选的，泡沫铝弹丸上开有内孔，破片模拟弹设置在内孔中，通过粘接剂与泡沫铝弹丸连接。进一步的，破片模拟弹的直径D1计算如下：D1≤1/7D其中，D为泡沫铝弹丸的直径，其值等于一级轻气炮的炮管直径；泡沫铝弹丸的开孔直径D2为：D1+0.3mm≤D2≤D1+0.5mm。进一步的，粘接剂为凡士林，凡士林设置在内孔的内底面与破片模拟弹相接触的端面。可选的，泡沫铝弹丸由孔隙率为70～90％的泡沫铝块切割而得，其所对应压溃平台应力和密实化应变分别为1.2～6.2MPa和0.58～0.86，破片模拟弹由经淬火处理的4340钢或945钢制备而成。可选的，一级轻气炮采用的高压气体为氮气或氦气。可选的，靶板为均质板、夹芯板或层合板结构，材质为金属或复合材料。本专利技术的另一技术方案是，一种模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验方法，利用所述的模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷实验系统，包括以下步骤：S1、根据需要模拟的冲击波与破片复合载荷特征，利用单位面积冲量I、所需模拟的爆炸冲击波峰值压强P以及爆炸冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差Δt计算得到泡沫铝弹丸的密度ρf、长度l，开孔的直径、深度d，破片模拟弹的长度ls、直径和复合弹丸发射速度Vp；S2、根据S1中得到的复合弹丸参数制备复合弹丸；S3、将步骤S2制备好的复合弹丸通过一级轻气炮以S1中确定的发射速度Vp射向靶板，在复合弹丸着靶处形成冲击波和破片复合载荷用于试验分析。可选的，步骤S1中，单位面积冲量I计算如下：I＝ρfVpl其中，m为所需模拟的破片质量，Vf为速度，S为迎风面积，Vp为复合弹丸的发射速度，ρf与l分别为泡沫铝弹丸的密度与长度，ρsls为破片模拟弹的面密度；所需模拟的爆炸冲击波峰值压强P计算如下：其中，ρf为泡沫铝弹丸的密度，σc和εD分别为泡沫铝的压溃应力和密实应变；爆炸冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差Δt计算如下：进一步的，泡沫铝的压溃应力σc和密实应变εD计算如下：σc＝0.3σy(ρf/ρ0)3/2εD＝1-1.4(ρf/ρ0)其中，σy是泡沫铝基体材料的屈服强度；泡沫铝弹丸的内孔深度d计算如下：d＝VpΔt。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术所提出的冲击波与破片复合加载的实验系统，包括开内孔的泡沫铝弹丸、破片模拟弹、用于发射复合弹丸的一级轻气炮系统以及靶板，复合弹丸内置于一级轻气炮内，靶板通过固定装置进行固定，复合弹丸由破片模拟弹内置于泡沫铝弹丸中。不同于采用炸药等高能高危爆炸物产生冲击波与破片复合载荷，采用泡沫铝-破片模拟弹冲击加载产生的冲击波破片复合载荷具备安全、简单、低成本、可重复性强等优势，不但可以实现不同TNT质量与壳体质量比的复合载荷加载，还可以模拟不同爆距处的复合载荷。进一步的，为了使得复合弹撞击靶板时，破片模拟弹有效的射出泡沫铝弹丸的孔，开孔直径应稍大于破片模拟弹的直径，建议大出0.3～0.5mm，为了避免泡沫铝弹丸内开孔孔径过大影响泡沫铝弹丸的变形，内开孔直径应小于泡沫铝弹丸直径的七分之一。进一步的，为了固定住泡沫铝弹丸和破片模拟弹，又不影响破片模拟弹的射出，两者之间采用凡士林进行粘接。进一步的，为了保证泡沫铝弹丸的可压缩性，泡沫铝弹丸由孔隙率70～90％的泡沫铝块制成，压溃平台应力和密实化应变分别为1.2～6.2MPa和0.58～0.86。进一步的，为了真实模拟带壳爆炸中壳的材质，破片模拟弹由经淬火处理的4340钢或945钢制成。进一步的，根据试验研究对象的不同，靶板可采用均质板、夹芯板或层合板等。本专利技术还公开了一种模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷作用的实验方法，根据所需模拟的冲击波与破片复合载荷参数，确定泡沫铝弹丸的密度、长度，开孔的直径、深度，破片模拟弹的长度、直径和复合弹丸发射速度等参数；根据所确定复合弹参数制备复合弹；将制备好的复合弹从一级轻气炮中以所确定的速度射出，从而在复合弹着靶处形成所需模拟的冲击波破片复合载荷，本专利技术为科研人员及工程设计人员提供一种简单易行的方法，其可模拟不同TNT质量与壳体质量比的带壳装药在不同爆距处产生的冲击波破片复合载荷。综上所述，本方法可广泛应用于交通运输、安全防护及军事等领域中带壳爆炸源爆炸冲击载荷的试验模拟，可有效节省试验成本。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术基于泡沫铝破片模拟弹模拟冲击波与破片复合载荷的试验系统示意图；图2为本专利技术复合弹的剖视图。其中：2.泡沫铝弹丸；3.破片模拟弹；4.一级轻气炮；5.靶板；6.固定装置；7.粘接剂。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。本专利技术提供了一种模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统及方法，在泡沫铝子弹的一端中心处开孔并内置破片模拟弹制成复合弹。根据所需模拟的冲击波与破片复合载荷参数，确定泡沫铝弹丸的密度、长度，开孔的直径、深度，破片模拟弹的长度、直径和复合弹丸发射速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于，包括复合弹、一级轻气炮(4)和靶板(5)，复合弹设置在一级轻气炮(4)内，靶板(5)通过固定装置(6)设置于一级轻气炮(4)的一侧，复合弹包括泡沫铝弹丸(2)和破片模拟弹(3)，破片模拟弹(3)嵌入在泡沫铝弹丸(2)内。

【技术特征摘要】
1.模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于，包括复合弹、一级轻气炮(4)和靶板(5)，复合弹设置在一级轻气炮(4)内，靶板(5)通过固定装置(6)设置于一级轻气炮(4)的一侧，复合弹包括泡沫铝弹丸(2)和破片模拟弹(3)，破片模拟弹(3)嵌入在泡沫铝弹丸(2)内。2.根据权利要求1所述的模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于，泡沫铝弹丸(2)上开有内孔，破片模拟弹(3)设置在内孔中，通过粘接剂(7)与泡沫铝弹丸(2)连接。3.根据权利要求2所述的模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于，破片模拟弹(3)的直径D1计算如下：D1≤1/7D其中，D为泡沫铝弹丸(2)的直径，其值等于一级轻气炮的炮管直径；泡沫铝弹丸(2)的开孔直径D2为：D1+0.3mm≤D2≤D1+0.5mm。4.根据权利要求2所述的模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于，粘接剂(7)为凡士林，凡士林设置在内孔的内底面与破片模拟弹(3)相接触的端面。5.根据权利要求1所述的模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于，泡沫铝弹丸(2)由孔隙率为70～90％的泡沫铝块切割而得，其所对应压溃平台应力和密实化应变分别为1.2～6.2MPa和0.58～0.86，破片模拟弹(3)由经淬火处理的4340钢或945钢制备而成。6.根据权利要求1所述的模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于，一级轻气炮(4)采用的高压气体为氮气或氦气。7.根据权利要求1所述的模拟爆炸冲击波和单个破片复合载荷的实验系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钱城，卢天健，李朗，赵振宇，张瑞，王昕，赵中南，韩宾，金峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61