金 山，劉 欣，袁 帥，華勁松，湯鐵鋼

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

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爆轟加載下柱殼斷裂時(shí)刻微小差異測(cè)量方法

金 山，劉 欣，袁 帥，華勁松，湯鐵鋼

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

對(duì)于斷裂時(shí)刻差異較小的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，提出一種判讀方法：同時(shí)采用高速攝影和干涉測(cè)速，利用高速攝影判讀殼體斷裂時(shí)刻應(yīng)變，利用干涉測(cè)速獲取殼體位移及應(yīng)變曲線，兩者結(jié)合得出較為精確的殼體斷裂時(shí)刻差異。利用該方法得出45鋼柱殼在JO-9159和JOB-9003兩種炸藥加載下斷裂時(shí)間相差0.45 μs，鎢合金柱殼在兩種炸藥加載下的斷裂時(shí)間相差0.39 μs。同時(shí)該方法可以推廣應(yīng)用于單發(fā)殼體膨脹斷裂實(shí)驗(yàn)中，更精確測(cè)定殼體的斷裂時(shí)刻。

爆炸力學(xué)；斷裂時(shí)刻；高速攝影；爆轟加載；干涉測(cè)速

爆轟加載下柱殼膨脹斷裂研究已開(kāi)展多年，殼體貫穿斷裂時(shí)刻是殼體膨脹斷裂研究的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題之一。對(duì)于殼體貫穿斷裂時(shí)刻的判讀，目前常用的測(cè)試方法有高速攝影、閃光照相等[1-2]，判讀精度取決于所用的測(cè)試方法。激光干涉測(cè)速具有較高的測(cè)量精度，常用于獲取殼體表面的膨脹速度及位移歷史[3-4]，但無(wú)法直接獲取殼體斷裂相關(guān)的信息。

JO-9159和JOB-9003是兩種驅(qū)動(dòng)能力相近的炸藥，與JO-9159相比，JOB-9003的各項(xiàng)性能參數(shù)均有不同程度的減小:密度變化不大、爆速降低1.7%、爆壓降低4.3%、爆熱降低8.6%。利用數(shù)值模擬得到兩種炸藥驅(qū)動(dòng)下金屬柱殼膨脹的速度及位移曲線，預(yù)估柱殼在兩種炸藥加載下的斷裂時(shí)刻差異較小，僅利用高速攝影測(cè)試方法有可能分辨不出兩者差異，因此，考慮同時(shí)采用高速攝影及激光干涉測(cè)速兩種測(cè)試方法，用于判讀兩種炸藥加載下柱殼的微小斷裂時(shí)刻差異。

1 數(shù)值模擬結(jié)果

采用歐拉方法建立二維軸對(duì)稱模型，計(jì)算在JO-9159和JOB-9003炸藥加載下金屬柱殼膨脹斷裂的速度及位移歷史。使用JWL狀態(tài)方程描述爆轟產(chǎn)物的力學(xué)行為，計(jì)算45鋼和鎢合金柱殼在兩種炸藥加載下的速度及位移歷史，其中炸藥直徑63 mm，柱殼厚2.5 mm，以傳爆藥(PETN)的起爆時(shí)間為0.0s時(shí)刻，計(jì)算主炸藥長(zhǎng)度方向中心位置處柱殼外壁的速度及位移歷史，結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 45鋼柱殼速度及位移計(jì)算結(jié)果Fig.1 Calculation results of velocity and displacement curves of the 45 steel cylinder shells

圖2 鎢合金柱殼速度及位移計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of velocity and displacement curves of the W alloy cylinder shells

從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于JO-9159和JOB-9003兩種炸藥性能參數(shù)差異較小，兩種炸藥加載下殼體的速度差異很小，位移曲線幾乎重合，直至計(jì)算后期，兩種炸藥加載下金屬柱殼經(jīng)歷相同位移所花費(fèi)的時(shí)間仍小于1 μs，常用的光機(jī)式高速攝影的判讀精度為微秒量級(jí)，因此，可以初步推斷，僅利用高速攝影無(wú)法判讀出兩種炸藥加載下殼體斷裂時(shí)間差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)開(kāi)展了相應(yīng)的柱殼膨脹斷裂對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用高速攝影和激光干涉測(cè)速兩種方法進(jìn)行測(cè)試。高速攝影得到的典型圖像如圖3所示，4幅圖像分別為45鋼和鎢合金在兩種炸藥加載下的膨脹斷裂圖像。

對(duì)高速攝影圖像進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，獲取主炸藥長(zhǎng)度方向中心位置處柱殼外壁從開(kāi)始膨脹到產(chǎn)物泄漏所經(jīng)歷的時(shí)間t及此時(shí)刻的柱殼應(yīng)變?chǔ)?，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 實(shí)驗(yàn)獲得的高速攝影典型圖像Fig.3 Experiment images by high-speed photography

從表1中可以看出，JO-9159和JOB-9003兩種炸藥加載相同材料的金屬柱殼時(shí)，利用高速攝影獲取的從殼體開(kāi)始膨脹到產(chǎn)物泄漏經(jīng)歷的時(shí)間t相同，產(chǎn)物泄漏時(shí)刻的殼體應(yīng)變?chǔ)怕杂胁町?。這與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)應(yīng)，即所用的高速攝影技術(shù)無(wú)法分辨兩種炸藥加載下殼體的斷裂時(shí)間。

圖4～5分別為實(shí)驗(yàn)中利用激光干涉測(cè)速方法測(cè)得的兩種炸藥加載下45鋼和鎢合金柱殼外壁速度及位移歷史。

表1 產(chǎn)物泄漏時(shí)間及應(yīng)變

圖4 45鋼柱殼速度及位移測(cè)試結(jié)果Fig.4 Experiment results of velocity and displacement curves of the 45 steel cylinder shells

圖5 鎢合金柱殼速度及位移測(cè)試結(jié)果Fig.5 Experiment results of velocity and displacement curves of the W alloy cylinder shells

表2 起跳速度及應(yīng)變率

3 微小斷裂時(shí)刻差異判讀方法

實(shí)驗(yàn)所用高速攝影幅間距為0.67 μs，測(cè)量誤差為±0.67 μs，在分辨小于自身測(cè)量誤差的時(shí)間量時(shí)將引入極大誤差或根本無(wú)法分辨。實(shí)驗(yàn)中高速攝影測(cè)得的從殼體開(kāi)始膨脹到產(chǎn)物泄漏經(jīng)歷的時(shí)間相同，未能分辨兩種炸藥加載下殼體的斷裂時(shí)刻差異。從激光干涉測(cè)速結(jié)果可以看出，JO-9159和JOB-9003兩種炸藥加載下柱殼的速度及位移存在差異，但無(wú)法判讀殼體斷裂時(shí)刻。因此，考慮將高速攝影和干涉測(cè)速的測(cè)試結(jié)果綜合計(jì)算，用于得出較為精確的斷裂時(shí)刻差異。

3.1 判讀前提及假定

從表2中可以看出，兩種炸藥加載下殼體加載應(yīng)變率均在104s-1以上，其中45鋼柱殼在兩種炸藥加載下應(yīng)變率相差2.7%，鎢合金柱殼在兩種炸藥加載下應(yīng)變率相差0.9%，相同材料、相同結(jié)構(gòu)的柱殼在加載應(yīng)變率差異很小的情況下，應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)殼體斷裂應(yīng)變的影響可以忽略[5]，即可近似認(rèn)為兩種炸藥加載下同種殼體的斷裂應(yīng)變相同。

利用高速攝影獲取的殼體斷裂應(yīng)變與真實(shí)斷裂應(yīng)變之間存在差異，在斷裂應(yīng)變相同的前提下，從高速攝影獲取的兩發(fā)實(shí)驗(yàn)的殼體斷裂應(yīng)變的平均值理論上更接近真實(shí)斷裂應(yīng)變。

3.2 判讀思路

圖6 斷裂時(shí)刻差異判讀示意圖Fig.6 Sketch of judging difference of fracture time

針對(duì)同種材料柱殼實(shí)驗(yàn)，首先利用高速攝影圖像判讀兩種炸藥加載下殼體產(chǎn)物泄漏時(shí)刻的應(yīng)變，取兩個(gè)應(yīng)變的平均值作為殼體的斷裂應(yīng)變；根據(jù)激光干涉測(cè)速結(jié)果得出殼體的速度及位移隨時(shí)間變化曲線，進(jìn)而得到殼體的應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線，在曲線上讀出兩種炸藥加載時(shí)殼體達(dá)到斷裂應(yīng)變所經(jīng)歷的時(shí)間，最終得到兩種炸藥加載下殼體的斷裂時(shí)刻差異。

從表3可以看出，在JO-9159和JOB-9003兩種炸藥加載下，45號(hào)鋼柱殼的斷裂時(shí)間相差0.45 μs，鎢合金柱殼的斷裂時(shí)間相差0.39 μs。

表3 斷裂時(shí)刻差異

3.3 優(yōu)點(diǎn)

由于干涉測(cè)速的時(shí)間、位移分辨精度遠(yuǎn)高于高速攝影，殼體膨脹斷裂時(shí)刻的判讀誤差主要來(lái)源于高速攝影，假如直接利用高速攝影判讀斷裂時(shí)刻，需要兩次判讀，一次判讀殼體開(kāi)始膨脹時(shí)刻(或零時(shí)雷管起爆時(shí)刻)，一次判讀殼體破裂時(shí)刻，每次判讀均會(huì)引入誤差，其誤差大小與高速攝影的時(shí)間分辨精度有關(guān)，對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，每次判讀引入的誤差約5%(0.67 μs/13.3 μs=5%)。

本方法僅利用高速攝影判讀殼體斷裂應(yīng)變，與高速攝影的時(shí)間精度無(wú)關(guān)，判讀精度由高速攝影的空間分辨精度決定，對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，由高速攝影空間分辨率引入的判讀誤差約0.09%(0.06 mm/68 mm=0.09%)，可以看出，高速攝影的空間分辨精度引入的誤差遠(yuǎn)小于時(shí)間分辨精度引入的誤差。

3.4 推廣應(yīng)用

本方法可以推廣應(yīng)用于單發(fā)柱殼實(shí)驗(yàn)中殼體斷裂時(shí)刻的精確測(cè)量。理想情況下柱殼定常爆轟段內(nèi)不同位置處的斷裂應(yīng)變?yōu)橐欢ㄖ?，同樣采取干涉測(cè)速和高速攝影的聯(lián)合測(cè)試，利用高速攝影讀取柱殼定常爆轟段內(nèi)多個(gè)位置處的斷裂應(yīng)變，取其平均值作為柱殼的斷裂應(yīng)變，即可在干涉測(cè)速獲得的柱殼應(yīng)變-時(shí)間曲線上讀出相對(duì)應(yīng)的斷裂時(shí)刻，這樣可以降低判讀誤差，提高分辨精度，同時(shí)減小柱殼缺陷對(duì)判讀的影響。

4 總 結(jié)

高速攝影技術(shù)的時(shí)間測(cè)量精度為微秒量級(jí)，適于定性或半定量觀測(cè)殼體膨脹斷裂過(guò)程，確認(rèn)殼體斷裂時(shí)刻的二維圖像；激光干涉測(cè)速技術(shù)能更精確獲取殼體自由面的速度及位移，但無(wú)法判讀殼體斷裂時(shí)刻。對(duì)于斷裂時(shí)刻差異較小的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，提出一種測(cè)量微小斷裂時(shí)刻的方法，即利用高速攝影及干涉測(cè)速聯(lián)合測(cè)試，進(jìn)行互補(bǔ)判定。

上述方法汲取了兩種測(cè)試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：高速攝影技術(shù)的二維分辨率及激光干涉測(cè)速技術(shù)對(duì)時(shí)間、位移測(cè)量的高分辨率，可以較精確的反映驅(qū)動(dòng)能力相近的炸藥加載下殼體的斷裂時(shí)刻差異，同時(shí)可以推廣應(yīng)用于柱殼斷裂時(shí)刻的精確測(cè)量。

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(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Method for calculating small difference of fracture time of cylinder shell unloaded by detonation

Jin Shan, Liu Xin, Yuan Shuai, Hua Jin-song, Tang Tie-gang

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

One method is offered for calculating small difference of fracture time of cylinder shell in contrast experiments. The fracture strain of cylinder shell was measured by high-speed photography, and simultaneously the velocity-time curve and displacement-time curve were measured by Velocity Interferometer System. The difference of fracture time is calculated by two kinds of measurement results. The difference of fracture time of 45 steel cylinder shell unloaded by JO-9159 and JOB-9003 explosive is 0.45 μs, and the difference of fracture time of W alloy is 0.39 μs. The method can be used to measure more accurately the fracture time of cylinder shell unloaded by detonation.

mechanics of explosion; fracture time; high-speed photography; detonation loading; velocity interferometer system

10.11883/1001-1455(2015)01-0130-05

2013-05-21；

2013-11-25

中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所發(fā)展基金項(xiàng)目(SFZ20120101)

金 山(1981— )，男，助理研究員,jin9835@163.com。

O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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