多方位爆炸冲击波超压等效测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种多方位爆炸冲击波超压等效测量装置及方法，目的是解决爆炸冲击波测量具有方向性导致测量不准确等问题。本发明测量装置由内圆柱壳、外圆柱壳、敏感元件、固定基座组成，敏感元件夹在内圆柱壳和外圆柱壳中间，内圆柱壳和外圆柱壳侧向挖有一系列不同尺寸的第一测量孔，通过判断第一测量孔内敏感元件是否破裂，结合冲击波超压与敏感元件尺寸之间的规律，计算最小直径的第一测量孔的加载冲击波超压，得到测量装置布设处爆炸产生的最大冲击波超压值。本发明可以用于演习、靶场测试等恶劣环境下的爆炸冲击波超压等效测量，能够测量不同方位的冲击波超压，具有简单、准确可靠、实用性强的特点。

权利要求

1.一种多方位爆炸冲击波超压等效测量装置，其特征在于多方位爆炸冲击波超压等效测量装置由内圆柱壳(1)、外圆柱壳(2)、敏感元件(3)、固定基座(4)组成；内圆柱壳(1)、敏感元件(3)、外圆柱壳(2)由内向外同轴装配，上下端面平齐，且内圆柱壳(1)的第一下端面(13)和外圆柱壳(2)的第二下端面(23)平齐；内圆柱壳(1)、敏感元件(3)、外圆柱壳(2)作为一个整体插入固定基座(4)的内筒(41)和外筒(42)中间的空腔内，且内圆柱壳(1)的第一下端面(13)和外圆柱壳(2)的第二下端面(23)紧贴固定基座(4)的底板(43)；

内圆柱壳(1)为无底圆筒，内直径为d1，外直径为d2，高为h1；内圆柱壳(1)的侧壁开设I圈沿环向均匀分布的第一测量孔(11)，每圈有N个第一测量孔(11)，I和N均为正整数，第一测量孔(11)为圆形通孔；从第一上端面(12)到第一下端面(13)，第一测量孔(11)的圈数依次为第1圈、第2圈…第i圈…第I圈，其中i为正整数，且1

外圆柱壳(2)为无底圆筒，内直径为d3，外直径为d4，高等于h1；外圆柱壳(2)的侧壁开设I圈沿环向均匀分布的第二测量孔(21)，每圈有N个第二测量孔(21)，第二测量孔(21)为圆形通孔；外圆柱壳(2)的侧壁开设的第二测量孔(21)与内圆柱壳(1)的侧壁开设的第一测量孔(11)的位置重合，且相同位置处的第二测量孔(21)和第一测量孔(11)直径相同；从第二上端面(22)到第二下端面(23)，第二测量孔(21)的圈数依次为第1圈、第2圈、…、第i圈、…、第I圈；第1圈第二测量孔(21)的孔直径等于f1，第i圈第二测量孔(21)的孔直径等于fi；第i‑

1圈第二测量孔(21)与第i圈第二测量孔(21)的间距等于si；外圆柱壳(2)材料为金属；外圆柱壳(2)的作用是防护爆炸冲击波对敏感元件(3)的整体冲击，内圆柱壳(1)和外圆柱壳(2)将敏感元件(3)夹在中间，通过第一测量孔(11)和第二测量孔(21)对应排列，形成一系列圆形的局部裸露的敏感元件(3)；

固定基座(4)由内筒(41)、外筒(42)和底板(43)组成，内筒(41)、外筒(42)同轴焊接在底板(43)的表面；内筒(41)是圆筒，内直径为d0，外直径等于d1，高为h2；外筒(42)呈无底圆筒形，内直径等于d4，外直径为d5，高等于h2；底板(43)为圆盘，直径为d6，厚度为h3；底板(43)沿圆周方向均匀挖有四个安装孔(431)，四个安装孔(431)分布所在圆周的直径为u；安装孔(431)为通孔；固定基座(4)的作用是固定内圆柱壳(1)、外圆柱壳(2)、敏感元件(3)，使用时固定基座(4)放在平整地面，将4个钢钎插入安装孔(431)，并将钢钎砸入地下，使固定基座(4)固定在地面；

敏感元件(3)是无底圆筒，外直径等于d3，内直径等于d2，高等于h1；敏感元件(3)的材料为脆性薄膜材料，敏感元件(3)的直径与敏感元件(3)的破坏强度之间存在函数关系。

2.如权利要求1所述的多方位爆炸冲击波超压等效测量装置，其特征在于所述内圆柱壳(1)的内直径d1满足0.01m

所述I>2，N>5；第1圈N个第一测量孔(11)的直径f1满足d2‑d1

3.如权利要求1所述的多方位爆炸冲击波超压等效测量装置，其特征在于所述内圆柱

3

壳(1)、外圆柱壳(2)、固定基座(4)采用的金属要求密度大于7g/cm，屈服强度大于400MPa。

4.如权利要求1所述的多方位爆炸冲击波超压等效测量装置，其特征在于所述外圆柱壳(2)的内直径d3满足d2

5.如权利要求1所述的多方位爆炸冲击波超压等效测量装置，其特征在于所述内筒(41)的内直径d0满足0.8d1

1.2d4；底板(43)的直径d6满足1.5d5

0.9(d6‑u)。

6.如权利要求1所述的多方位爆炸冲击波超压等效测量装置，其特征在于所述敏感元件(3)采用长为h1、宽为πd3的长方形材料沿宽度方向卷成圆筒形；敏感元件(3)的材料为聚四氟乙烯薄膜、防潮纸、铝箔中任意一种；敏感元件(3)的直径与敏感元件(3)的破坏强度之间存在函数关系，敏感元件(3)的直径越大，能承受的破坏超压阈值越小。

7.一种采用如权利要求1所述的多方位爆炸冲击波超压等效测量装置进行爆炸冲击波超压测量的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，确定第一测量孔(11)或第二测量孔(21)的圈数I；根据武器弹药的TNT当量范围Wmin

第二步，确定每圈第一测量孔(11)或第二测量孔(21)的数量N；根据武器投射的方位角度误差g，计算获得 表示对360°/g向上取整；g通过读取武器的使用说明书获得；

第三步，根据第一测量孔(11)的圈数I和每圈数量N选择内圆柱壳(1)，根据I和N选择外圆柱壳(2)；

第四步，根据材料尺寸效应律，加载冲击波超压Δpd与第一测量孔(11)直径数值fi之间存在如公式(2)所示的关系经验公式，对公式(2)中的三个材料性能相关系数α、β、γ进行标定，获得α、β、γ；

0 1 2

Δpd＝α(fi) +β(fi) +γ(fi)      (2)

2

其中Δpd为加载冲击波超压，α单位为MPa、β单位为MPa/m、γ单位为MPa/m；

第五步，组装内圆柱壳(1)、外圆柱壳(2)、敏感元件(3)、固定基座(4)；将敏感元件(3)贴合在内圆柱壳(1)外侧壁面，将外圆柱壳(2)套在敏感元件(3)外侧，上下端面平齐，且第一下端面(13)和第二下端面(23)平齐，调整角度使圆周方向的第二测量孔(21)与第一测量孔(11)的位置重合；内圆柱壳(1)、外圆柱壳(2)、敏感元件(3)作为一个整体插入固定基座(4)内筒(41)和外筒(42)中间的空腔内，且第一下端面(13)和第二下端面(23)紧贴固定基座(4)的底板(43)；

第六步，固定测量装置；将固定基座(4)放在平整地面，将4个钢钎插入安装孔(431)，并将钢钎砸入地下，使将测量装置固定在地面；

第七步，引爆爆炸物；

第八步，爆炸结束后，找到敏感元件(3)破裂处直径最小的第一测量孔(11)，并确定该第一测量孔(11)的直径，令为fi；

第九步，测量爆炸冲击波超压值，方法是计算最小直径fi的第一测量孔(11)的加载冲击波超压Δpd，得到测量装置布设处爆炸产生的最大冲击波超压值Δpi，

0 1 2

Δpi＝Δpd＝α(fi) +β(fi) +γ(fi)       (3)

其中Δpi为最大冲击波超压，即测量的冲击波超压值；

第十步，卸下破裂的敏感元件(3)，同时装入新的敏感元件(3)，测量装置的重复使用。

8.如权利要求7所述的采用多方位爆炸冲击波超压等效测量装置进行爆炸冲击波超压测量的方法，其特征在于第一步所述超压测试误差值q取0.01Mpa，第二步所述方位角度误差g＝30°。

9.如权利要求7所述的采用多方位爆炸冲击波超压等效测量装置进行爆炸冲击波超压测量的方法，其特征在于第四步所述三个材料性能相关系数α、β、γ的标定方法是：选取三组不同直径fi的第一测量孔(11)，采用激波管装置对敏感元件(3)进行加载，记录敏感元件(3)破裂时对应的加载冲击波超压Δpd，将三组直径fi和加载冲击波超压Δpd结果带入公式(2)，对其进行参数拟合，获得α、β、γ。

说明书

多方位爆炸冲击波超压等效测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于一种测量装置及方法，特别涉及一种爆炸产生的冲击波超压的等效测量装置及方法，更具体地，是涉及一种实现多方位爆炸冲击波超压等效测量装置及方法。

背景技术

[0002] 效应靶是在一定边界约束条件下、具有恰当敏感性，在爆炸冲击作用下产生相应变形的靶板结构，一般通过建立最大挠度与爆炸参数的关系反演爆炸冲击波超压。效应靶作为一种使用方便、成本低廉、对冲击波敏感，同时能够有效避免爆炸环境寄生效应影响的装置，能够反映爆炸冲击波超压的毁伤效果，尤其适合爆炸威力强、环境恶劣的靶场，是一种较为科学、经济、有效的爆炸冲击波毁伤效能评价手段。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是针对传统效应靶在冲击波等效测量时，存在的爆炸冲击波测量具有方向性导致测量不准确等问题，提供一种多方位爆炸冲击波超压等效测量装置及方法，该测量装置及方法可以用于演习、靶场测试等恶劣环境下的爆炸冲击波超压等效测量。本发明具有成本低、环境适应性强、操作简单、多方位测量等特点。

[0004] 本发明提供的装置及方法，将敏感元件夹在内圆柱壳和外圆柱壳中间，内圆柱壳和外圆柱壳侧向挖有一系列不同尺寸的圆孔，通过判断圆孔内敏感元件是否破裂，结合冲击波超压与敏感元件尺寸之间的规律，计算出爆炸冲击波超压。

[0005] 本发明测量装置由内圆柱壳、外圆柱壳、敏感元件、固定基座组成。内圆柱壳、敏感元件、外圆柱壳由内向外同轴装配，上下端面平齐，且内圆柱壳的第一下端面和外圆柱壳的第二下端面平齐。内圆柱壳、敏感元件、外圆柱壳作为一个整体插入固定基座的内筒和外筒中间的空腔内，且内圆柱壳的第一下端面和外圆柱壳的第二下端面紧贴固定基座的底板。

[0006] 内圆柱壳1为无底圆筒，内直径为d1，满足0.01m2，N>5，第一测量孔11为圆形通孔。从第一上端面到第一下端面，第一测量孔的圈数依次为第1圈、第2圈…第i圈…第I圈，其中i为正整数，且1度大于7g/cm ，屈服强度大于400MPa。内圆柱壳的作用是支撑贴合在内圆柱壳外侧壁的敏感元件。

[0007] 外圆柱壳为无底圆筒，内直径为d3，满足d2圈第二测量孔的间距等于si。外圆柱壳材料为金属，要求密度大于7g/cm ，屈服强度大于
400MPa。外圆柱壳的作用是防护爆炸冲击波对敏感元件的整体冲击，内圆柱壳和外圆柱壳将敏感元件夹在中间，通过第一测量孔和第二测量孔对应排列，形成一系列圆形的局部裸露的敏感元件，找到敏感元件破裂处对应的第一测量孔或第二测量孔的最小直径，就可计算出冲击波的超压值，实现对爆炸冲击波超压的测量。

[0008] 固定基座由内筒、外筒和底板组成，内筒、外筒同轴焊接在底板的表面。内筒是圆筒，内直径为d0，满足0.8d1(d6‑u)

[0009] 敏感元件是无底圆筒，外直径等于d3，内直径等于d2，高等于h1。敏感元件优选采用长为h1、宽为πd3的长方形材料沿宽度方向卷成圆筒形。敏感元件的材料为脆性薄膜材料，优选聚四氟乙烯薄膜、防潮纸、铝箔等。敏感元件的直径与敏感元件的破坏强度之间存在函数关系，敏感元件的直径越大，能够承受的破坏超压阈值越小。通过控制暴露在冲击波载荷下的敏感元件的尺寸，确定一系列破坏的敏感元件中最小暴露圆孔的直径，即可计算出冲击波超压。

[0010] 采用本发明测量装置进行爆炸冲击波超压测量的方法包括以下步骤：

[0011] 第一步，确定第一测量孔或第二测量孔的圈数I。根据武器弹药的TNT当量范围Wmin

[0012]

[0013] 式中W为爆炸物TNT当量，R为本发明测量装置布设处与爆炸物之间的距离。根据测量可接受的超压测试误差值q(一般取0.01MPa)，确定第一测量孔或第二测量孔的圈数I。表示对 (Δpmax‑Δpmin)/q向上取
整。Δpmin为W为爆炸物TNT最小当量时的冲击波超压，通过将爆炸物TNT最小当量代入公式(1)得到；Δpmax为W为爆炸物TNT最大当量时的冲击波超压，通过将爆炸物TNT最大当量代入公式(1)得到。

[0014] 第二步，确定每圈第一测量孔或第二测量孔的数量N。当武器爆炸的方向不能精确确定，为满足多方位测量需求，根据武器投射的方位角度误差g(方位角度误差g一般通过读取武器的使用说明书获得，如果方位角度误差g未知，一般取g＝30°)，计算获得表示对360°/g向上取整。

[0015] 第三步，根据第一测量孔11的圈数I和每圈数量N选择内圆柱壳，根据I 和N选择外圆柱壳。

[0016] 第四步，根据文献“王文标,黄晨光,赵红平,张榕京,段祝平.结构破坏的尺度律[J].力学进展,1999(03):383‑433.”中提出的材料尺寸效应律，可知加载冲击波超压Δpd与第一测量孔11直径数值fi之间存在如公式(2)所示的关系经验公式，对公式(2)中的参数α、β、γ进行标定；

[0017] Δpd＝α(fi)0+β(fi)1+γ(fi)2  (2)

[0018] 其中Δpd为加载冲击波超压，α(单位为MPa)、β(单位为MPa/m)、γ(单位为 MPa/m2)为三个与材料性能相关系数。α、β、γ的标定至少需要选取三组不同直径fi的第一测量孔，采用激波管装置对敏感元件进行加载，记录敏感元件破裂时对应的加载冲击波超压Δpd，将三组直径fi和加载冲击波超压Δpd结果带入公式 (2)，对其进行参数拟合(即解方程组)，获得α、β、γ。

[0019] 第五步，组装内圆柱壳、外圆柱壳、敏感元件、固定基座。将敏感元件贴合在内圆柱壳外侧壁面，将外圆柱壳套在敏感元件外侧，上下端面平齐，且第一下端面和第二下端面平齐，调整角度使圆周方向的第二测量孔与第一测量孔的位置重合。内圆柱壳、外圆柱壳、敏感元件作为一个整体插入固定基座内筒和外筒中间的空腔内，且第一下端面和第二下端面紧贴固定基座的底板。

[0020] 第六步，固定测量装置。将固定基座放在平整地面，将4个钢钎插入安装孔，并将钢钎砸入地下，使将测量装置固定在地面。

[0021] 第七步，引爆爆炸物。

[0022] 第八步，爆炸结束后，找到敏感元件破裂处直径最小的第一测量孔，并确定该第一测量孔的直径，令为fi。

[0023] 第九步，测量爆炸冲击波超压值。由于最小直径fi的第一测量孔11的破坏强度等于测量装置布设处最大冲击波超压值，因此，只要计算出最小直径fi的第一测量孔的加载冲击波超压Δpd，就可得到测量装置布设处爆炸产生的最大冲击波超压值Δpi，[0024] Δpi＝Δpd＝α(fi)0+β(fi)1+γ(fi)2  (3)

[0025] 其中Δpi为最大冲击波超压，即为测量的冲击波超压值。

[0026] 第十步，卸下破裂的敏感元件，同时装入新的敏感元件，实现本发明测量装置的重复使用。采用本发明可以达到以下技术效果：

[0027] 1.本发明测量方法是将敏感元件夹在内圆柱壳和外圆柱壳中间，内圆柱壳和外圆柱壳侧向挖有一系列不同尺寸的圆孔，通过判断圆孔内敏感元件是否破裂，结合冲击波超压与敏感元件尺寸之间的规律，计算出装置处爆炸冲击波超压，本发明测量装置布设时没有方向性需求，测量方法能够测量不同方位的冲击波超压，该方法简单、准确可靠、实用性强，能够满足弹药落点未知或爆炸物方向不确定情况下爆炸冲击波超压测量需求。

[0028] 2.本发明测量装置基于敏感元件破裂实现爆炸冲击波等效测量，可以根据冲击波强度的大小，选择相应强度的敏感元件，从而适用于武器近场、中场、远场爆炸的冲击波超压测量。

[0029] 3.本发明的测量装置具有结构加工装配简单、成本低、布设方便、环境适应能力强、更换敏感元件后可重复使用等特点。

附图说明

[0030] 图1是本发明测量装置总体结构图；

[0031] 图2是本发明测量装置内圆柱壳结构图；

[0032] 图3是本发明测量装置外圆柱壳结构图；

[0033] 图4是本发明测量装置固定基座结构图。

[0034] 附图标记说明：

[0035] 1.内圆柱壳；2.外圆柱壳；3.敏感元件；4.固定基座。

具体实施方式

[0036] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[0037] 图1是本发明测量装置总体结构图。如图1所示，本发明由内圆柱壳1、外圆柱壳2、敏感元件3、固定基座4组成。内圆柱壳1、敏感元件3、外圆柱壳2 由内向外同轴装配，上下端面平齐，且内圆柱壳1的第一下端面13和外圆柱壳 2的第二下端面23平齐。内圆柱壳1、敏感元件3、外圆柱壳2作为一个整体插入固定基座4的内筒41和外筒42中间的空腔内，且内圆柱壳1的第一下端面13和外圆柱壳2的第二下端面23紧贴固定基座4的底板43。

[0038] 图2是内圆柱壳1结构图。如图2所示，内圆柱壳1为无底圆筒，内直径为d1，满足0.01m2，N>5，第一测量孔11为圆形通孔。从第一上端面12到第一下端面13，第一测量孔11的圈数依次为第1 圈、第2圈…第i圈…第I圈，其中i为正整数，且111的直径均为f1，满足d2‑d13
间距为si，满足fi400MPa。内圆柱壳1的作用是支撑贴合在内圆柱壳1外侧壁的敏感元件3。

[0039] 图3是外圆柱壳2结构图。如图3所示，外圆柱壳2为无底圆筒，内直径为d3，满足d2距等于si。外圆柱壳2材料为金属，要求密度大于7g/cm ，屈服强度大于400MPa。外圆柱壳2的作用是防护爆炸冲击波对敏感元件3的整体冲击，内圆柱壳1和外圆柱壳2将敏感元件3夹在中间，通过第一测量孔11和第二测量孔21对应排列，形成一系列圆形的局部裸露的敏感元件3，找到敏感元件3破裂处对应的第一测量孔11或第二测量孔21的最小直径，就可计算出冲击波的超压值，实现对爆炸冲击波超压的测量。

[0040] 图4是固定基座的结构图。如图4所示，固定基座4由内筒41、外筒42和底板43组成，内筒41、外筒42同轴焊接在底板43的表面。内筒41是圆筒，内直径为d0，满足0.8d1u)。固定基座4材料为金属，要求密度大于7g/cm ，屈服强度大于400MPa。固定基座4的作用是固定内圆柱壳1、外圆柱壳2、敏感元件3，使用时固定基座4放在平整地面，将4个钢钎插入安装孔431，并将钢钎砸入地下，使固定基座4固定在地面。

[0041] 敏感元件3是无底圆筒，外直径等于d3，内直径等于d2，高等于h1。敏感元件3优选采用长为h1、宽为πd3的长方形材料沿宽度方向卷成圆筒形。敏感元件3的材料为脆性薄膜材料，优选聚四氟乙烯薄膜、防潮纸、铝箔等。敏感元件3的直径与敏感元件3的破坏强度之间存在函数关系，敏感元件3的直径越大，能够承受的破坏超压阈值越小。通过控制暴露在冲击波载荷下的敏感元件3 的尺寸，确定一系列破坏的敏感元件3中最小暴露圆孔的直径，即可计算出冲击波超压。

[0042] 采用本发明测量装置进行爆炸冲击波超压测量的方法包括以下步骤：

[0043] 第一步，确定第一测量孔11或第二测量孔21的圈数I。根据武器弹药的TNT 当量范围Wmin

[0044]

[0045] 式中W为爆炸物TNT当量，R为本发明测量装置布设处与爆炸物之间的距离。根据测量可接受的超压测试误差值q，确定第一测量孔11或第二测量孔21的圈数I。表示对(Δpmax‑Δpmin)/q向上取整。
Δpmin为W为爆炸物TNT最小当量时的冲击波超压，通过将爆炸物TNT 最小当量代入公式(1)得到；Δpmax为W为爆炸物TNT最大当量时的冲击波超压，通过将爆炸物TNT最大当量代入公式(1)得到。

[0046] 第二步，确定每圈第一测量孔11或第二测量孔21的数量N。当武器爆炸的方向不能精确确定，为满足多方位测量需求，根据武器投射的方位角度误差g (方位角度误差g一般通过读取武器的使用说明书获得，如果方位角度误差g 未知，一般取g＝30°)，计算获得表示对360°/g 向上取整。

[0047] 第三步，根据第一测量孔11的圈数I和每圈数量N选择内圆柱壳1，根据 I和N选择外圆柱壳2。

[0048] 第四步，根据文献“王文标,黄晨光,赵红平,张榕京,段祝平.结构破坏的尺度律[J].力学进展,1999(03):383‑433.”中提出的材料尺寸效应律，可知加载冲击波超压Δpd与第一测量孔11直径数值fi之间存在如公式(2)所示的关系经验公式，对公式(2)中的参数α、β、γ进行标定；

[0049] Δpd＝α(fi)0+β(fi)1+γ(fi)2  (5)

[0050] 其中Δpd为加载冲击波超压，α(单位为MPa)、β(单位为MPa/m)、γ(单位为MPa/m2)为三个与材料性能相关系数。α、β、γ的标定至少需要选取三组不同直径fi的第一测量孔11，采用激波管装置对敏感元件3进行加载，记录敏感元件3 破裂时对应的加载冲击波超压Δpd，将三组直径fi和加载冲击波超压Δpd结果带入公式(2)，对其进行参数拟合(即解方程组)，获得α、β、γ。

[0051] 第五步，组装内圆柱壳1、外圆柱壳2、敏感元件3、固定基座4。将敏感元件3贴合在内圆柱壳1外侧壁面，将外圆柱壳2套在敏感元件3外侧，上下端面平齐，且第一下端面13和第二下端面23平齐，调整角度使圆周方向的第二测量孔21与第一测量孔11的位置重合。内圆柱壳1、外圆柱壳2、敏感元件3作为一个整体插入固定基座4内筒41和外筒42中间的空腔内，且第一下端面 13和第二下端面23紧贴固定基座4的底板43。

[0052] 第六步，固定测量装置。将固定基座4放在平整地面，将4个钢钎插入安装孔431，并将钢钎砸入地下，使将测量装置固定在地面。

[0053] 第七步，引爆爆炸物。

[0054] 第八步，爆炸结束后，找到敏感元件3破裂处直径最小的第一测量孔11，并确定该第一测量孔11的直径，令为fi。

[0055] 第九步，测量爆炸冲击波超压值。由于最小直径fi的第一测量孔11的破坏强度等于测量装置布设处最大冲击波超压值，因此，只要计算出最小直径fi的第一测量孔11的加载冲击波超压Δpd，就可得到测量装置布设处爆炸产生的最大冲击波超压值Δpi，[0056] Δpi＝Δpd＝α(fi)0+β(fi)1+γ(fi)2  (6)

[0057] 其中Δpi为最大冲击波超压，即为测量的冲击波超压值。

[0058] 第十步，卸下破裂的敏感元件3，同时装入新的敏感元件3，实现本发明测量装置的重复使用。