一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法及施加装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于爆炸试验技术领域，具体而言，提供了一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法及装置，本发明专利技术利用机械方式施加竖直均布爆炸荷载，能够满足土中浅埋结构模型试验研究和爆炸远区构件动力响应试验研究的需要，且简单易行、成本低、可重复性好，特别适用于项目前期进行原理性实验，探求爆炸动载与结构响应的规律。

【技术实现步骤摘要】
一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法及施加装置
本专利技术属于爆炸试验
，具体而言，本专利技术涉及一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法及施加装置。
技术介绍
爆炸试验是毁伤评估和防护工程领域重要的研究手段，目前主要采取炸药实爆的方式进行模型或原型试验。野外化爆试验能够准确模拟真实情况，获得真实的爆炸毁伤状态，检验防护技术手段的实际效果。但是，野外化爆试验存在炸药审批程序繁琐，试验准备时间长，试验成本高，量测技术难度大，试验数据重复性差等问题，多适用于检验性试验。室内模型化爆试验，试验数据重复性好，但仍然存在炸药审批程序繁琐、试验准备时间长等问题。为了提高试验的灵活性和便捷性，出现了落锤冲击模拟爆炸冲击荷载的试验技术。试验构件在大型落锤设备上进行冲击，能够在一定程度上模拟爆炸冲击荷载的作用。这是采用机械方式施加类爆炸冲击荷载的方法，相对于化爆试验而言安全、便捷，试验重复性好。但是，国内现有的大型落锤设备产生的大多是局部爆炸冲击荷载，难以满足研究均布爆炸冲击荷载作用下结构影响的需要。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法及施加装置，本专利技术的竖直均布爆炸荷载的机械施加方法，其配置用于进行竖直均布爆炸荷载的冲击模拟，根据不同的试验要求，制作不同的结构模型，在结构模型上设置各防护层，通过调整各防护层的参数获得需要的波形，用于模拟试验。本专利技术的竖直均布爆炸荷载的机械施加装置在试验时落体竖直掉落在砂土层的顶面上，进而荷载传递到结构模型上，检测装置能够检测结构模型产生的压力和应变，进而获得荷载与结构响应的关系。本专利技术利用机械方式施加竖直均布爆炸荷载，能够满足土中浅埋结构模型试验研究和爆炸远区构件动力响应试验研究的需要，且结构简单、成本低、可重复性好，特别适用于项目前期进行原理性实验，探求爆炸动载与结构响应的规律。其技术方案如下：一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法，其包括以下步骤：步骤一：确定结构模型；步骤二：在所述结构模型上方设置各防护层；所述防护层包括砂土层、盖板以及厚度可调的垫层；步骤三：判断用于试验的提升机构是否具有防二次冲击装置，所述防二次冲击装置在落体的底面与物体相接触后锁定落体，消除落体的二次冲击带来的波形干扰；若用于试验的提升机构未设置防二次冲击装置，则转入步骤四；若用于试验的提升机构设置了防二次冲击装置，则直接转入步骤五；步骤四：盖板与砂土层之间设置缓冲层；步骤五：将压力传感器设置在结构模型的顶面的外侧壁，所述压力传感器的侧壁和顶部均与砂土接触；步骤六：将多个应变片设置于所述结构模型的顶面的内表面；步骤七：确定落体质量m，并且所述落体的底面的面积大于砂土层的顶面的面积，以便所述落体在下落时，能够确保其向结构模型施加竖直均布载荷；步骤八：确定土中应力波的峰值σmax，设置落体的抬升高度；其中，抬升高度h的表达式如下所示，其中，σmax为土中应力波的峰值，ρ1c1为落体材料的波阻抗，ρ2c2为盖板材料的波阻抗，ρ3c3为砂土的波阻抗，ρ1为落体材料密度，c1为落体材料的波速，ρ2为盖板材料密度，c2为盖板材料的波速，ρ3为砂土材料密度，c3为砂土材料的波速，g为重力加速度；步骤九：设置垫层厚度为H，根据步骤八中得到的提升高度将落体调升至预设位置，使用落体冲击结构模型；步骤十：将压力传感器和所述应变片均连接至宽带应变仪和瞬态记录仪，获得结构模型的压力波形图和应变波形图；步骤十一：将压力传感器得到的波形与预设波形进行对比，判断步骤十中得到的压力波形与预设波形之间的关系；通过应变波形确保主体结构动力响应在预设范围之内，防止结构损伤；若步骤十中的压力波形与预设波形不吻合，则转入步骤十二；若步骤十中的压力波形与预设波形吻合，则转入步骤十三；步骤十二：改变盖板上方的垫层的厚度和/或落体的抬升高度，转入步骤九；当测得压力波形峰值小于预设波形峰值时，抬升落体高度；当测得压力波形脉宽小于预设波形脉宽时，增加垫层厚度；步骤十三：完成压力波形调试，进行土中浅埋结构模型试验或爆炸远区构件动力响应试验。优选地，确定抬升高度的步骤如下，S1：落体冲击盖板后，计算落体在二者接触面上产生的应力σj；根据固体中的间断波突跃条件，得到盖板接触面上产生的应力σj，σj＝ρ1c1(V1-V)σj＝-ρ2c2V1其中，ρ1c1为落体材料的波阻抗，ρ2c2为盖板材料的波阻抗，ρ1为落体材料密度，c1为落体材料的波速，ρ2为盖板材料密度，c2为盖板材料的波速；V为落体撞击混凝土盖板的速度，V1为接触面上介质共同速度运动，盖板接触面上产生的应力σj为盖板顶面的应力，σj＝-ρ2c2V1中，“-”表示下行波；可得，所述盖板接触面上产生的应力σj为其中，ρ1c1为落体材料的波阻抗，ρ2c2为盖板材料的波阻抗；V为落体撞击混凝土盖板的速度；ρ1为落体材料密度，c1为落体材料的波速，ρ2为盖板材料密度，c2为盖板材料的波速；S2：计算盖板接触面上产生的应力σj透射到砂土层的应力；一维弹性波从盖板传递至砂土层，其中盖板为波阻抗为ρ2c2的介质，砂土层为波阻抗为ρ3c3的介质，所述一维弹性波的传播方向垂直于界面，且两种介质在界面处始终保持接触，则根据连续条件和牛顿第三定律，界面两侧经应力波透射和反射作用后的质点速度和应力应相等，则，VI+VR＝VTσI+σR＝σT式中：VI为入射波的质点速度，VR为反射波的质点速度、VT为透射波的质点速度；σI为入射波的质点应力、σR为反射波的质点应力、σT为透射波的质点应力；可得，因此，不考虑应力在盖板中的衰减，令σj＝σI，其中透射波的质点应力即为透射到砂土层中的应力，透射到砂土层中的应力σT为：其中，ρ1c1为落体材料的波阻抗，ρ2c2为盖板材料的波阻抗，ρ3c3为砂土的波阻抗，V为落体撞击混凝土盖板的速度；ρ1为落体材料密度，c1为落体材料的波速，ρ2为盖板材料密度，c2为盖板材料的波速，ρ3为砂土材料密度，c3为砂土材料的波速；S3：确定落体的抬升高度；设质量为m的落体以高度h下落，在撞击混凝土盖板7时的速度为V，根据能量守恒有：可得：则落体的提升高度h为：：其中，ρ1c1为落体材料的波阻抗，ρ2c2为盖板材料的波阻抗，ρ3c3为砂土的波阻抗，ρ1为落体材料密度，c1为落体材料的波速，ρ2为盖板材料密度，c2为盖板材料的波速，ρ3为砂土材料密度，c3为砂土材料的波速，g为重力加速度；σT为透射到砂土层中的应力，其峰值为σmax，σmax为砂土中应力波的峰值，g为重力加速度。优选地，在上述步骤六中，所述应变片在结构模型的顶面的内表面的跨中设置；该跨中的位置为与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法，其特征在于，其包括以下步骤：/n步骤一：确定结构模型；/n步骤二：在所述结构模型上方设置各防护层；所述防护层包括砂土层、盖板以及厚度可调的垫层；/n步骤三：判断用于试验的提升机构是否具有防二次冲击装置，所述防二次冲击装置在落体的底面与物体相接触后锁定落体，消除落体的二次冲击带来的波形干扰；/n若用于试验的提升机构未设置防二次冲击装置，则转入步骤四；/n若用于试验的提升机构设置了防二次冲击装置，则直接转入步骤五；/n步骤四：盖板与砂土层之间设置缓冲层；/n步骤五：将压力传感器设置在结构模型的顶面的外侧壁，所述压力传感器的侧壁和顶部均与砂土接触；/n步骤六：将多个应变片设置于所述结构模型的顶面的内表面；/n步骤七：确定落体质量m，并且所述落体的底面的面积大于砂土层的顶面的面积，以便所述落体在下落时，能够确保其向结构模型施加竖直均布载荷；/n步骤八：确定土中应力波的峰值σ

【技术特征摘要】
1.一种竖直均布爆炸荷载的机械施加方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一：确定结构模型；
步骤二：在所述结构模型上方设置各防护层；所述防护层包括砂土层、盖板以及厚度可调的垫层；
步骤三：判断用于试验的提升机构是否具有防二次冲击装置，所述防二次冲击装置在落体的底面与物体相接触后锁定落体，消除落体的二次冲击带来的波形干扰；
若用于试验的提升机构未设置防二次冲击装置，则转入步骤四；
若用于试验的提升机构设置了防二次冲击装置，则直接转入步骤五；
步骤四：盖板与砂土层之间设置缓冲层；
步骤五：将压力传感器设置在结构模型的顶面的外侧壁，所述压力传感器的侧壁和顶部均与砂土接触；
步骤六：将多个应变片设置于所述结构模型的顶面的内表面；
步骤七：确定落体质量m，并且所述落体的底面的面积大于砂土层的顶面的面积，以便所述落体在下落时，能够确保其向结构模型施加竖直均布载荷；
步骤八：确定土中应力波的峰值σmax，设置落体的抬升高度；
其中，抬升高度h的表达式如下所示，



其中，σmax为土中应力波的峰值，ρ1c1为落体2材料的波阻抗，ρ2c2为盖板7材料的波阻抗，ρ3c3为砂土的波阻抗，ρ1为落体2材料密度，c1为落体2材料的波速，ρ2为盖板7材料密度，c2为盖板7材料的波速，ρ3为砂土材料密度，c3为砂土材料的波速，g为重力加速度；
步骤九：设置垫层厚度为H，根据步骤八中得到的提升高度将落体调升至预设位置，使用落体冲击结构模型；
步骤十：将压力传感器和所述应变片均连接至宽带应变仪和瞬态记录仪，获得结构模型的压力波形图和应变波形图；
步骤十一：将压力传感器得到的波形与预设波形进行对比，判断步骤十中得到的压力波形与预设波形之间的关系；通过应变片波形确保主体结构动力响应在预设范围之内，防止结构损伤；
若步骤十中的压力波形与预设波形不吻合，则转入步骤十二；
若步骤十中的压力波形与预设波形吻合，则转入步骤十三；
步骤十二：改变盖板上方的垫层的厚度和/或落体的抬升高度，转入步骤九；
当测得压力波形峰值小于预设波形峰值时，抬升落体高度；
当测得压力波形脉宽小于预设波形脉宽时，增加垫层厚度；
步骤十三：完成压力波形调试，进行土中浅埋结构模型试验或爆炸远区构件动力响应试验。


2.如权利要求1所述的竖直均布爆炸荷载的机械施加方法，其特征在于，其中，确定抬升高度的步骤如下，
S1：落体冲击盖板后，计算落体在二者接触面上产生的应力σj；
根据固体中的间断波突跃条件，得到盖板接触面上产生的应力σj，
σj＝ρ1c1(V1-V)
σj＝-ρ2c2V1
其中，ρ1c1为落体材料的波阻抗，ρ2c2为盖板材料的波阻抗，ρ1为落体材料密度，c1为落体材料的波速，ρ2为盖板材料密度，c2为盖板材料的波速；V为落体撞击混凝土盖板的速度，V1为接触面上介质共同速度运动，盖板接触面上产生的应力σj为盖板顶面的应力，σj＝-ρ2c2V1中，“-”表示下行波；
可得，所述盖板接触面上产生的应力σj为



其中，ρ1c1为落体材料的波阻抗，ρ2c2为盖板材料的波阻抗；V为落体撞击混凝土盖板的速度；ρ1为落体材料密度，c1为落体材料的波速，ρ2为盖板材料密度，c2为盖板材料的波速；
S2：计算盖板接触面上产生的应力σj透射到砂土层的应力；
一维弹性波从盖板传递至砂土层，其中盖板为波阻抗为ρ2c2的介质，砂土层为波阻抗为ρ3c3的介质，所述一维弹性波的传播方向垂直于界面，且两种介质在界面处始终保持接触，则根据连续条件和牛顿第三定律，界面两侧经应力波透射和反射作用后的质点速度和应力应相等，则，
VI+VR＝VT...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦有权，张伟锋，陶西贵，吴应祥，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11