混凝土靶內爆炸應力波測量方法研究

黃家蓉，王　幸，吳　飚，徐翔云，余尚江

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

混凝土靶內爆炸應力波測量方法研究

黃家蓉，王幸，吳飚，徐翔云，余尚江

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

為研究爆炸試驗中靶內應力波傳播規律的測試方法，設計PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器進行試驗研究。用環氧樹脂對壓力傳感器接口及導線進行防水防潮密封處理，傳感器安裝用角鐵做支架。為避免傳感器結構對應力波傳播的影響，將不同長度的角鐵周向焊接在鐵筒上，傳感器用A、B膠粘接在角鐵上。在混凝土圓筒靶中，距爆心不同距離周向布置6組應力波測點，埋設PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器，進行2炮靜爆試驗。試驗結果表明：兩種傳感器均測到應力波波形，PVDF壓力傳感器測試效果比碳阻式壓力傳感器測試效果好，在距爆點最近的測點，2種傳感器的測試波形非常接近。

混凝土；靶內測試；PVDF壓力傳感器；碳阻式壓力傳感器

0　引　言

混凝土材料廣泛應用于抗爆防護結構、機場跑道、武器庫、高速公路等重要軍事和民用設施中，開展針對混凝土目標的侵徹爆炸效應研究具有重要價值。由于混凝土本構關系比較復雜，它既不是勻質材料，也不是線彈性材料，使研究沖擊載荷作用下的混凝土特性響應存在著很多的困難［1-3］。

侵徹爆炸對混凝土和鋼筋混凝土的破壞效果，國內外研究人員從理論模型、數值仿真以及實驗研究幾個方面已進行了大量的工作，并取得一定成果。Corbett［4］指出現有撞擊問題的研究方法有理論方法、經驗方法、數值方法和試驗方法。其中，理論、經驗和數值方法為近似預估方法，其預估的準確性還需要試驗方法提供數據。但在混凝土澆筑和凝固過程中，對傳感器的埋設、防水、防潮工藝要求極高，易使傳感器方向發生變化，導致傳感器失效或測試結果不準確，有效動態力學參數測試成功率很低。國內外學者也采用不同的方法對其進行了實驗研究，J.K.Gran和D.J.Frew［5］研制了壓阻式傳感器，并將其預埋在混凝土靶體中，測試了侵徹過程中混凝土靶體中徑向應力的響應特性。羅建華［6］在混凝土靶中埋設錳銅傳感器測量彈丸侵徹時應力波，但文中未給出實測結果。

長期以來，由于混凝土的動態力學響應測試困難，人們掌握的有關動力學數據匱乏［7］，導致對混凝土的破壞過程及機理研究較少。隨著混凝土工程結構研究的深入，逐漸提高了對侵徹過程中靶體力學響應過程的需求。因此，對混凝土靶中力學參數測試技術研究和提高數據測試成功率顯得尤為重要［8］。本文設計了聚偏二氟乙烯（PVDF）壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器，測試了炸藥在混凝土靶中爆炸的徑向應力波傳播，獲得了有效數據和傳感器埋設方法，可為后續研究提供參考。

1　試驗方法及測試系統

1.1試驗方法

制作2個直徑2m，高2m的C35混凝土靶體，靶體外用厚3mm的鋼筒約束，靶體內沿徑向埋設6組新研制的大量程PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器，如圖1所示，每個測點布置PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器各一個。靶體中間預留1 m深的φ65mm裝藥孔。7#靶裝藥300g TNT，6#靶相當于600 g TNT當量的新研制炸藥。炸藥置于靶體中心并填埋后引爆。

圖1　靶體結構及傳感器布置（單位：mm）

1.2測試系統組成

測試系統由傳感器、恒流源電壓信號調理器、電荷信號調理器和瞬態數據采集儀組成（如圖2所示）。

圖2　測試系統組成框圖

采集儀型號：DH5960，通道數：32 ch，最高采樣率：10MHz/ch，帶寬：0～1MHz。

1.3傳感器設計

碳阻式壓力傳感器的測壓原理是基于復合導電材料的壓阻效應［9］。制作碳阻式傳感器的敏感材料是一種電阻型復合導電材料，碳電阻材料受外力作用后阻值發生變化，其變化值與壓力值成正比，經恒流源信號調理后轉換為與壓力成正比的電壓值。

PVDF壓力傳感器工作原理：聚偏二氟乙烯薄膜具有極強的壓電效應［10-11］，當其受壓力作用時會輸出與壓力成正比的電荷量，經信號調理后輸出與壓力成正比的電壓值。

根據巖土介質中壓力測量的匹配理論，巖土介質壓力傳感器必須設計為扁平狀結構，傳感器的高徑比（即傳感器的厚度與直徑之比）不宜大于1/3，依據此原則設計的碳阻式和PVDF壓力傳感器如圖3所示。

碳阻式傳感器主要由殼體、膜片、填料、碳阻式敏感元件和引線組成。碳阻式敏感元件通過填料和膜片密封埋置于殼體的腔體中，測量時壓力通過膜片和填料傳遞到碳阻式敏感元件，引起其阻值變化。

圖3　傳感器結構

PVDF壓力傳感器由殼體、PVDF薄膜、膠粘劑等組成，PVDF薄膜位于上下殼體中間，并用密封膠密封。測壓時壓力通過殼體傳遞到PVDF薄膜并產生電荷輸出。

兩種傳感器殼體采用不銹鋼材料，主要技術參數見表1。

表1　傳感器主要參數

2　傳感器埋設

先用環氧樹脂對壓力傳感器接口及導線進行防水防潮密封處理，傳感器安裝用角鐵做支架，為了避免傳感器結構對應力波傳播的影響，按圖1中測點位置，將不同長度的角鐵周向焊接在鐵皮圓筒上，傳感器用A、B膠粘接在角鐵上，傳感器敏感面正對爆心。牢固后，澆筑混凝土。

3　測試結果

第1炮試驗，7#靶，裝藥300 g TNT；第2炮，6#靶，裝藥600g TNT當量新研制炸藥。由于爆炸試驗中混凝土靶內壓力測量無數據可參考，第1炮試驗對壓力量程估計不足，大部分波形超量程削波。據第1炮測試結果對量程進行調整，第2炮試驗測到了比較完整波形。表2、表3是測試數據。

表2　第1炮7#靶試驗數據記錄表1）

表3　第2炮6#靶試驗數據記錄表

圖4　7#靶測量結果

圖4、圖5是測試波形，可以看出，總體上PVDF壓力傳感器的測試波形優于碳阻式壓力傳感器的測試波形。6#靶試驗中，僅有距爆心415mm處PVDF傳感器異常，其他5個測點全部獲得有效數據，碳阻式傳感器獲得了2個較好波形。圖6、圖7是兩個靶距爆心最近測點的波形，距爆心220 mm處兩種傳感器測試波形的上升沿和峰值非常接近，PVDF傳感器回零比碳阻傳感器好。

圖5　6#靶測量結果

圖6　7#靶0.20m處兩種傳感器測量波形

圖7　6#靶0.22m處兩種傳感器測量波形

4　結束語

在混凝土靶靜爆試驗中，通過在混凝土靶中埋設PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器的方法，得到部分混凝土應力波響應曲線，對爆炸試驗中靶內應力波測試進行了嘗試。試驗結果表明：PVDF壓力傳感器測試效果比碳阻式壓力傳感器測試效果好，600g裝藥試驗中，距爆心220mm處兩傳感器測試波形較一致，但應力波歸零效果不好，需后續試驗對該問題做進一步研究。

［1］徐偉芳，張方舉，毛勇建，等.侵徹過程中混凝土靶體力學參量測試技術研究［C］∥第十一屆全國沖擊動力學學術會議論文集，2013（08）：66-69.

［2］王定賢，胡永樂，金飛華，等.行波桿在混凝土應力波參數測量中的應用［J］.兵工學報，2010（4）：238-241.

［3］宋浦，梁安定，董怡君.混凝土中的爆炸應力波［C］∥第三屆全國爆炸力學實驗技術學術會議論文集，2004（9）：385-389.

［4］CORBETTGG，REIDS R，JOHNSON W.Impact loading of plates and shells by free-flying projectiles：A review［J］.Int J Impact Engineering，1996（18）：141-230.

［5］GRAN J K，FREW D J.射彈侵徹混凝土過程中動應力的量測與計算［J］.李清獻，譯.防護工程，1998，20（4）：91-99.

［6］羅建華.動能彈侵徹混凝土靶體的測試技術與數值模擬研究［D］.太原：中北大學，2009.

［7］鄭應民，顧曉輝，王樹有.混凝土靶中炸測試方法研究［J］.彈道學報，2003，25（4）：51-54.

［8］段樂珍，徐國元.爆炸應力波測試技術的研究［J］.湖南有色金屬，1999（3）：7-9.

［9］余尚江，陳晉央，楊吉祥，等.碳阻式混凝土壓力傳感器研制［J］.防護工程，2015，37（3）：36-39.

［10］蔡軍鋒，易建政，檀朝彬，等.PVDF壓電傳感器在爆炸沖擊波測量中的應用［J］.傳感器世界，2005（3）：12-16.

［11］余尚江，李科杰.混凝土結構內沖擊波應力傳感器設計及其行為［J］.爆炸與沖擊，2005，25（4）：350-354.

（編輯：莫婕）

Research on stress wave measurement method in concrete target in explosion

HUANG Jiarong，WANG Xing，WU Biao，XU Xiangyun，YU Shangjiang
（Unit 61489，PLA，Luoyang 471023，China）

PVDF pressure sensor and carbon resistive pressure sensor are designed for test and research on test method of stress wave transmission law in target in explosion tests.Epoxy resin is used for the waterproof，damp-proof and sealing treatment of interface and wire of sensor and angle iron are used as a support for the installation of sensor.To prevent sensor structure affecting the transmission of stress wave，angle irons of different lengths are welded on the metal cylinder circumferentially and a sensor is bound on angle iron with A/B glue.In the concrete cylinder target，6 groups of stress wave measurement points are circumferentially arranged at different distances from the explosion core and PVDF pressure sensor and carbon resistive pressure sensor are buried to have 2 shot blasting tests.Test results show that both sensors detect stress wave and the PVDF pressure sensor has better testing effects than the carbon resistive pressure sensor and they have very similar waveform at the nearest point to the explosion core.

concrete；in-target test；PVDF pressure sensor；carbon resistive pressure sensor

A

1674-5124（2016）10-0025-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.005

2016-04-14；

2016-05-07

國家自然科學基金項目（11302261，U1404107）

黃家蓉（1965-），女，四川成都市人，高級工程師，碩士，主要從事量測技術研究及應用。