爆炸沖擊波參數(shù)薄膜測試法研究

姬建榮，蘇健軍，孔德仁，潘　文，胡東常，張俊鋒

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

爆炸沖擊波參數(shù)薄膜測試法研究

姬建榮1，蘇健軍1，孔德仁2，潘文1，胡東常1，張俊鋒1

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為可靠獲取爆炸沖擊波超壓參數(shù)，設(shè)計一種鋁箔薄膜結(jié)構(gòu)進行實驗。通過控制材料狀態(tài)、結(jié)構(gòu)頻率特性等參數(shù)，使其滿足一定毀傷準(zhǔn)則，建立力學(xué)模型對其進行分析。利用激波管裝置對薄膜變形進行標(biāo)定，并將激波反射載荷轉(zhuǎn)換為入射壓，采用最小二乘法進行線性擬合，得到薄膜最大變形撓度與激波入射壓峰值之間關(guān)系。結(jié)果表明，可通過鋁箔薄膜最大變形撓度反映爆炸場中0.05～0.35MPa范圍內(nèi)的入射沖擊波超壓，為沖擊波測試工程應(yīng)用提供新的途徑。

爆炸力學(xué)；沖擊波；薄膜；激波管；撓度

0　引　言

爆炸沖擊波超壓是衡量爆炸威力的重要參量，也是造成目標(biāo)毀傷的重要因素。爆炸沖擊波超壓的測量可采用等效壓力罐法、等效靶板法、生物試驗法、電測法等［1］。目前國內(nèi)外普遍采用電測法，其優(yōu)點是精確性高，能夠反映整個變化過程，便于信號存儲記錄［2］，缺點是容易受到干擾，可靠性差，有丟失數(shù)據(jù)風(fēng)險，而且布線繁雜，成本較高。

鑒于電測法的缺點，可采用薄膜測試法作為獲取沖擊波參數(shù)的另一途徑，利用不同厚度的矩形或圓形金屬薄膜，根據(jù)爆炸載荷作用后薄膜的塑性變形來評價爆炸威力。尤其是采用一些輕質(zhì)材料時，其在不同強度爆炸載荷作用下的變形差異明顯，若對其進行標(biāo)定和量化，可作為一種裝配簡單、成本低廉的測試手段，避免現(xiàn)有電測系統(tǒng)丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險。

關(guān)于采用薄膜用于試驗測試，最早見于1950年Cole介紹的水下爆炸研究及其應(yīng)用［3］，Ф.A.鮑姆、К. П.斯達紐柯維奇［4］也介紹了一種薄膜測壓器，受早期材料等方面的限制，相當(dāng)長時間里只進行爆炸效應(yīng)相對比較。近年來，國外Hattwig等［5］介紹了金屬薄膜在爆破膜裝置中的應(yīng)用。陳昌明等［6］將沖擊波簡化為三角波對膜片響應(yīng)狀況進行了數(shù)值仿真和實驗研究。施龍等［7］選擇防潮紙材料作為薄膜材料，對其響應(yīng)過程進行理論分析，用于評價超壓在0.051 2～0.260MPa的爆炸場威力。李麗萍等［8］利用量綱分析方法簡化獲得爆炸沖擊波效應(yīng)靶最大撓度計算模型。鄭翔宇［9］設(shè)計了一種可固定金屬圓柱殼的裝置，并研究其在沖擊載荷作用下的響應(yīng)特性，用來評價爆炸壓力場強度及毀傷效應(yīng)。

本文針對沖擊波壓力參數(shù)獲取，依據(jù)一定毀傷準(zhǔn)則，設(shè)計了厚度為0.2mm、直徑φ30mm的鋁箔薄膜結(jié)構(gòu)，采用激波管裝置對其進行標(biāo)定，給出了激波壓力峰值和膜片最大變形撓度之間對應(yīng)關(guān)系，使得該薄膜可滿足峰值為0.05～0.35 MPa入射沖擊波超壓測試。

1　薄膜設(shè)計及試驗

1.1薄膜設(shè)計準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)動力學(xué)表明［10-11］，沖擊波對目標(biāo)的毀傷程度，取決于沖擊波的超壓作用過程，不同目標(biāo)的動態(tài)響應(yīng)不同。目標(biāo)結(jié)構(gòu)響應(yīng)和沖擊波載荷作用時間與目標(biāo)的諧振周期的比值有關(guān)系，這種關(guān)系通常歸為3種準(zhǔn)則：超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則和超壓-沖量準(zhǔn)則，其與目標(biāo)的諧振周期之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1　不同諧振周期下目標(biāo)適用的毀傷準(zhǔn)則

當(dāng)沖擊波的正壓作用時間τ+與目標(biāo)結(jié)構(gòu)的諧振周期T滿足不同關(guān)系時，目標(biāo)的毀傷準(zhǔn)則決定于不同的量值［12］，具體表現(xiàn)形式為：

τ+≤0.25T時，目標(biāo)的破壞取決于沖擊波沖量，即I準(zhǔn)則；

τ+≥10T時，目標(biāo)的破壞取決于沖擊波的峰值壓力，即P準(zhǔn)則；

0.25T＜τ+＜10T時，不能單獨考慮峰值壓力或沖量，而是P與I的聯(lián)合作用，即P-I準(zhǔn)則。

對于沖擊波超壓測試，若普通彈藥爆炸，根據(jù)爆心距遠近，沖擊波正壓時間一般在數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒量級，根據(jù)上述關(guān)系，則要求膜片的諧振頻率至少滿足在1kHz以上；對于沖擊波超壓沖量測試，對膜片的諧振頻率一般要求不超過50Hz；要分析超壓峰值與沖量綜合作用，則薄膜膜片頻率可在二者之間優(yōu)選。本文主要以沖擊波超壓峰值為對象進行薄膜測試方法研究。

1.2薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于金屬材料易于加工和狀態(tài)控制，本文選擇的薄板材料選用延展性及塑性較好的鋁箔來進行試驗。所設(shè)計薄膜膜片結(jié)構(gòu)主要由用于固定鋁箔的基座、壓緊端蓋、連接螺絲組成，通過連接螺絲將鋁箔壓緊固定于端蓋和基座之間，設(shè)定其為周邊固支狀態(tài)。其中試驗所用鋁箔為L2（新牌號1060）軟鋁，厚度為0.2mm，有效受載區(qū)域為φ30mm的圓形區(qū)域。試驗前經(jīng)退火處理，在400℃溫度條件下保溫1h，以消除其殘余應(yīng)力［13-14］，所用材料力學(xué)性能參數(shù)通過查閱資料，如表1所示。

表1　鋁箔力學(xué)性能參數(shù)

在爆炸載荷作用下，薄膜最終的塑性變形可用于反映爆炸載荷強度，最直觀的表現(xiàn)形式為薄膜撓度變化值。假設(shè)其力學(xué)模型可以描述為一圓形薄板，半徑為a，邊界固支，其軸對稱模型如圖2所示。

圖2　薄膜膜片力學(xué)模型示意圖

通過建立其力學(xué)模型［14］，振動方程表達為

式中：w——薄板撓度；

ρ——薄板密度；

ω——薄板圓頻率；

φ——極坐標(biāo)圓心角；

δ——薄板厚度；

1.3薄膜標(biāo)定

為建立薄膜變形與沖擊波壓力之間關(guān)系，采用激波管裝置對鋁箔膜片進行標(biāo)定，將鋁膜片安裝于激波管后端部，如圖3所示。試驗時根據(jù)需要對激波管高壓段充以一定壓力的氮氣，當(dāng)高壓段充壓接近要求的壓力值時，高壓段內(nèi)氮氣沖入低壓段突變?yōu)殡A躍壓力，形成激波，激波壓力作為激勵源加在被標(biāo)定薄膜膜片上。同時在膜片附近安裝壓力傳感器監(jiān)測端面反射壓力，由于激波管反射端面完全封閉，忽略鋁箔變形對壓力測試影響，則所測壓力即為作用于薄膜之上的載荷。

圖3　激波管動態(tài)校準(zhǔn)裝置原理框圖

實驗標(biāo)定過程中所用壓力傳感器為美國PCB 113B26型ICP傳感器，量程為3.45MPa，線性＜1%FS，諧振頻率＞500kHz，上升時間＜1μs，采樣率設(shè)2MHz，采樣長度為1s，可滿足薄膜標(biāo)定的條件。

1.4薄膜標(biāo)定結(jié)果

固定在激波管端部的鋁箔在激波作用下發(fā)生變形，膜片變形效果如圖4所示。根據(jù)沖擊載荷作用下固支圓板模型可知，激波作用后，激波管端部壓力為平面波，即加載于膜片各點處壓力相同，在其作用下鋁箔膜片變形呈對稱分布狀態(tài)，周邊受端蓋約束，呈現(xiàn)明顯壓痕，整個膜片變形為規(guī)則曲面形狀，且中心處撓度最大。

圖4　薄膜變形圖

試驗時，調(diào)整激波管壓力，使作用于膜片上的載荷不同，通過壓力傳感器測試，得到激波反射壓力與膜片最大撓度結(jié)果，如表2所示。

根據(jù)試驗所用鋁箔膜片材料與結(jié)構(gòu)，當(dāng)激波管端部反射壓力超過1.5MPa時，鋁箔膜片開始出現(xiàn)剪切破壞，而低于0.3MPa時則膜片變形不明顯。如表中反射壓力為0.101MPa時，最大撓度僅為1.3mm，而膜片的厚度為0.2mm，由此帶來的測量誤差較大，不利于工程應(yīng)用。因此，本裝置有一定適用范圍，鋁箔膜片對于反射壓大致在0.3～1.5 MPa之間測量是有效的。

表2　反射壓力與最大撓度結(jié)果

2　結(jié)果與討論

2.1膜片破壞分析

觀察鋁箔破壞形式，當(dāng)超過一定壓力時，其主要為剪切破壞。根據(jù)1.2節(jié)中分析，該膜片適用于沖擊波超壓峰值破壞準(zhǔn)則，假設(shè)反射端激波壓力全部作用于膜片之上，且未及衰減，則作用于膜片之上的總壓力為P，有：

結(jié)構(gòu)中膜片側(cè)向受力面積為

則膜片受到剪切應(yīng)力為

式中：σ——膜片剪切應(yīng)力，MPa；

p——膜片載荷壓力，MPa；

a——膜片半徑，mm；

δ——膜片厚度，mm。

根據(jù)式（6）計算，當(dāng)p＞2 MPa時，鋁箔被完全剪切。而由試驗結(jié)果，鋁箔在反射壓力超過1.5MPa時，開始出現(xiàn)剪切破壞，考慮到一些因素影響，試驗結(jié)果與理論分析基本相符。

2.2壓力與變形撓度關(guān)系

由于試驗利用激波管模擬作用于鋁箔之上的正反射壓力，而對于爆炸沖擊波，其入射沖擊波壓力與反射沖擊波壓力之間有如下關(guān)系：

式中：Δp2——反射沖擊波壓力，MPa；

Δp1——入射沖擊波壓力，MPa；

p0——大氣壓力，MPa。

利用式（7）對表2中反射壓進行計算得到相應(yīng)入射壓，并利用最小二乘法對其進行擬合，得到入射壓與膜片最大變形撓度之間關(guān)系式：

式中λ為膜片中心處最大撓度，mm。

由表2和式（7）可以看出，雖然膜片變形撓度與反射壓載荷有直接關(guān)系，但由圖5可以看出，換算后的入射壓與最大變形撓度仍可采用線性關(guān)系描述，這在工程應(yīng)用上有利于簡化計算，用鋁箔最大變形撓度定量描述沖擊波壓力大小，確定的入射沖擊波超壓大致在0.05～0.35MPa之間，該范圍為爆炸沖擊波對多數(shù)目標(biāo)主要毀傷關(guān)注范圍。

圖5　激波入射壓與最大變形撓度關(guān)系曲線

2.3影響因素分析

分析薄膜變形的影響因素，認為主要有以下3個方面：

1）材料一致性，對試驗所用鋁箔厚度用游標(biāo)卡尺進行測量，注意到廠家所提供厚度為0.2mm，而實際測量值在0.19～0.21 mm之間波動，應(yīng)與材料加工工藝有關(guān)，鋁箔作用平面內(nèi)厚度并不完全一致，使得所使用膜片頻率響應(yīng)略有不同，經(jīng)計算分析，頻率范圍為2.12～2.35kHz，仍滿足超壓峰值破壞準(zhǔn)則。

2）安裝結(jié)構(gòu)，鋁箔膜片結(jié)構(gòu)在實際安裝時采用6枚螺栓進行連接，預(yù)緊力難以達到理想狀態(tài)，同時受基座質(zhì)量、剛度等影響，使得理論模型中的完全固支狀態(tài)很難實現(xiàn)，也會對結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生一定影響，因此工程應(yīng)用時應(yīng)盡量保證螺栓緊固，且多個螺栓盡量保證有相同的緊固力矩。

3）材料動態(tài)力學(xué)性能，表1中給出的力學(xué)性能參數(shù)主要查閱了材料手冊，而在實際應(yīng)用時對各項參數(shù)應(yīng)予以測定。同時，鋁箔膜片結(jié)構(gòu)變形是一個瞬態(tài)過程，與激波管加載的應(yīng)變率和鋁箔材料變形抗力等有關(guān)，但根據(jù)文獻［13］對多種金屬材料進行的試驗，認為鋁箔經(jīng)過熱處理以后，實際在室溫壓縮變形時，回軟過程進行得很遲緩，應(yīng)變率的影響很小，可以忽略不計。

3　結(jié)束語

本文所設(shè)計的鋁箔薄膜結(jié)構(gòu)膜片變形滿足沖擊波超壓峰值破壞準(zhǔn)則。在標(biāo)定范圍內(nèi)，入射沖擊波超壓峰值與最大變形撓度之間可采用線性關(guān)系描述，所設(shè)計的鋁箔膜片可用于爆炸場內(nèi)入射沖擊波超壓峰值在0.05～0.35 MPa范圍內(nèi)測試。該方法可靠性好，可彌補爆炸沖擊波電測法的不足，工程中有較強的適用性。

［1］仲倩.燃料空氣炸藥爆炸參數(shù)測量及毀傷效應(yīng)評估［D］.南京：南京理工大學(xué)，2011.

［2］張挺.爆炸沖擊波測量技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1984：79-85.

［3］COLE.水下爆炸［M］.羅耀杰，韓潤澤，官信，等譯.北京：國防工業(yè)出版社，1960：17-59.

［4］鮑姆Ф A，斯達紐柯維奇К П.爆炸物理學(xué)［M］.成都：科學(xué)出版社，1963：636-639.

［5］HATTWING M，STEEN H.Handbook of explosion preven tion and protection［M］.Weinheim：Wiley-VCH，2004：521-538.

［6］陳昌明，李建平，白春華.一種新的沖擊波超壓測試方法-壓力響應(yīng)膜片［J］.中國水運，2013，13（1）：104-106.

［7］施龍，李建平，王川.爆炸作用下板殼結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性研究［J］.爆破器材，2014，43（5）：30-34.

［8］李麗萍，孔德仁，王芳，等.基于量綱分析的爆炸沖擊波效應(yīng)靶模型分析與實驗研究［J］.振動與沖擊，2016，35（6）：100-103.

［9］鄭翔宇.沖擊載荷下測壓器響應(yīng)特性研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2016.

［10］吳義田，張慶明.近距離爆炸下不同厚度靶板的動態(tài)響應(yīng)分析［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2007，27（7）：568-571.

［11］寧建國，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012：97-107.

［12］KRAUTHAMMER T，ASTARLIOGLU S，BLASKO J，etal.Pressure-impulsediagramsforthebehavior assessmentofstructuralcomponents［J］.International Journal of impact engineering，2008（35）：771-783.

［13］張作梅，趙士達.不同溫度、速度條件下G3、1Cr13鋼、鋁、鉛等塑性變形抗力的研究［J］.金屬學(xué)報，1963，6（2）：131-145.［14］徐芝綸.彈性力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006：57-63.

（編輯：李妮）

The study on membrane method for parameter measurement of explosion shock wave

JI Jianrong1，SU Jianjun1，KONG Deren2，PAN Wen1，HU Dongchang1，ZHANG Junfeng1
（1.Xi'an Modern Chemistry Research Institute，Xi'an 710065，China；2.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

A kind of aluminum membrane was designed to get the shock wave overpressure parameters reliably which was made to meet certain damage criteria through controlling the state parameters of materials and structural frequency characteristics，and a mechanical model was established to analyze the process.Then the shock tube was used to calibrate the deformation of membrane，the relationship between max deformation deflection of the membrane and incident overpressure that was converted from reflection load pressure was established through linear fitting by least squares method.The results show that max deformation deflection of the aluminum foil membrane can reflect the scope of explosion incident shock wave overpressure from 0.05 MPa to 0.35MPa.It can provide a new way for blast engineering test application.

explosion mechanics；shock wave；membrane；shock tube；deflection

A

1674-5124（2016）10-0021-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.004

2016-04-12；

2016-05-19

國家自然科學(xué)基金（11372143）

姬建榮（1981-），男，山西忻州市人，高級工程師，主要從事爆炸動態(tài)測試技術(shù)研究。