坑道内冲击波压力测试与分析_陈家辉.pdf

北大中文核心期刊国外电子测量技术 ：坑道内冲击波压力测试与分析陈家辉孔德仁徐春冬赵传荣（南京理工大学机械工程学院 南京 ；安徽工业大学电气与信息工程学院 马鞍山 ）摘要：冲击波压力是战斗部在坑道内爆炸的主要毁伤元，是评估战斗部爆炸毁伤威力的主要指标。针对战斗部在坑道内爆炸产生强烈的振动冲击、热冲击等寄生效应对冲击波压力准确测试的影响，设计了合理的压力传感器隔振安装组件，采取有效的隔热措施。通过对试验测得的原始冲击波信号进行频谱分析及滤波处理，分析研究得到了坑道内冲击波压力超压峰值、比冲量、正压作用时间随爆心距的衰减规律。根据坑道炸药爆炸衰减规律相似律，结合实测数据拟合得到了表征坑道内爆炸冲击波压力传播规律的计算模型，并对其进行了有效性验证，在不同试验工况下实测值与模型计算值最大相对偏差为 ，具有良好的一致性，该模型可为长坑道内冲击波压力超压峰值预测提供依据。关键词：坑道；战斗部；冲击波压力；信号处理；传播规律中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：安徽省高等学校自然科学研究项目（）资助引言冲击波是战斗部在坑道内爆炸的主要毁伤元，是评估战斗部爆炸毁伤威力和可靠开展坑道结构防护设计的基础，对坑道内冲击波压力进行测试并分析其衰减规律显得尤为重要。坑道作为一种密闭空间，冲击波压力传播受到坑道空间的限制，其传播规律不同于自由空间中传播，战斗部爆炸产生的冲击波压力无法及时向外散出，冲击波经过壁面发生多次反射、叠加等，冲击波超压峰值明显增高，正压作用时间增长，对坑道内人员和设备造成严重的毁伤效果。坑道内冲击波压力的传播规律一直以来都是研究热点。耿振刚等、孔霖等、张玉磊等通过坑道内爆炸试验，通过实测数据研究了坑道内冲击波压力传播规律，国外电子测量技术北大中文核心期刊马荣华等、屈康康等、刘晶波等对坑道内爆炸进行了数值模拟，归纳得出在特定的坑道模型内冲击波压力、冲量的计算公式。战斗部爆炸通常伴随有冲击振动、热等寄生效应 ，坑道由于空间结构的特殊性，内爆炸引起的寄生效应会更加明显，对冲击波压力的测试产生极不利的影响 ，严重影响测试结果的准确性，且目前对坑道内爆炸冲击波压力的研究，坑道模型多以直墙圆拱形为主，对矩形截面坑道内冲击波压力传播规律研究较少。因为坑道内部空间结构的显著差异，冲击波压力在坑道内发生的反射、绕射、叠加等过程也截然不同，传播规律有明显区别。因此，研究矩形截面坑道内冲击波压力测试方法和传播规律具有重要意义。本文在矩形截面坑道内开展战斗部爆炸试验，通过坑道内冲击波压力载荷特性分析了在战斗部爆炸过程中对冲击波压力测试产生的不利影响因素，设计合理的压力传感器隔振安装组件，采取有效的隔热措施，构建了冲击波压力测试系统，对坑道内冲击波压力进行测试，并对夹杂着不同频率噪声的原始测试信号进行频谱分析和滤波处理，研究得到了冲击波超压峰值、比冲量、正压作用时间等参量在坑道内的传播规律；并根据爆炸相似律，利用实测冲击波超压峰值数据，拟合得到坑道内冲击波压力传播规律计算模型，并对其进行了有效性验证，证明了不同装药量炸药在不同坑道内爆炸，冲击波超压峰值实测数据与拟合值均具有良好的一致性，该数学模型可为战斗部在坑道内的毁伤威力评估和战斗部设计提供有效的技术和数据支持。坑道内冲击波压力测试 冲击波压力测试系统及测点布设试验所用坑道为矩形截面的钢筋混凝土结构“一”字形坑道，坑道内截面尺寸为 ，坑道两侧壁面与上壁面厚 ，坑道地表面厚 ，坑道长。战斗部装药量为 。试验时，战斗部放置在托弹架上，位于坑道内，距离坑道口 的坑道截面几何中心处，坑道两端封口。冲击波压力测点布设于坑道内两侧壁面及地面，在同一爆心距离处，两侧壁面及地面各安装一个压力传感器安装面板，每个安装面板上安装两个压力传感器。爆心距设置为、，坑道内测点布设示意图如图所示。其中，地面的安装面板位于坑道地面中轴线上，同一面板上的两个传感器靠近侧面的标记为，靠近侧面的标记为；两侧面的面板安装在距离坑道底面 的位置，同一安装面板的两个传感器按上下方向布置，上方的标记为，下方的标记为，地面测点标记与侧面测点标记雷同。图测点布设位置示意图由于压电式传感器具有重复性好、固有频率高、灵敏度高、体积小等优点被广泛应用于冲击波超压测试 。试验选用 公司 型 系列的压电式压力传感器，型压电式压力传感器是把电荷放大器内置于传感器中，将压电传感器的高阻抗电荷输出转换为低阻抗的电压信号输出，可为信号的调理与采集提供便利；数据采集仪选用 公司生产的 系列，该系列数据采集器内部集成 信号调理模块可直接与传感器连接，无需额外配置信号调理器。数据采集采用通断式外部触发，触发线一端缠绕在战斗部上，另一端接在外触发器的输入端；触发器输出端与数据采集仪连接，使用数据采集仪专用的数据采集软件进行信号采集。测试系统示意图如图所示。由于冲击波压力超压峰值随着距离的增大逐渐减小，为实现对坑道内冲击波压力的有效、准确测量，试验选用 系列多种型号压力传感器，距离爆心较近的前个爆心距的测点选用 （量程 ）型号传感器，其余测点选用 （量程 ）型号传感器，数据采集仪采样频率设置为。图测试系统示意图 冲击波压力传感器安装组件设计在对坑道内冲击波压力测试时，通常会遇到如下个问题：）当战斗部在坑道内爆炸产生的冲击波压力作用于坑道壁面时，会产生应力波在壁面内传播，当应力波传入传感器，会对冲击波压力测试产生极不利的影响；）在密闭空间内爆炸，爆炸产生的振动强度更大，使得传感器组北大中文核心期刊国外电子测量技术件、传感器、传感器连接线等发生剧烈振动；）爆炸过程中产生的瞬时高温，在热作用下，压电式压力传感器内部的石英晶体预应力下降，开始出现负压，在坑道内爆炸时，爆炸产生的高温无法及时散出，温度越高，持续时间越长，压电式压力传感器的热寄生输出越明显，严重影响传感器的灵敏度，对测试结果产生较大影响。因此，在对冲击波压力测试时，需要对振动冲击、热冲击等寄生效应进行抑制，保证测试结果的准确性。由于尼龙材料具有良好的弹性和绝缘性，能够有效阻隔应力波，对振动冲击等寄生效应能起到较好的抑制作用。因此，在传感器安装时，传感器与安装面板之间采用尼龙材料安装组件进行转接，安装图如图所示，安装面板、减振转接头、传感器转接头、压力传感器之间均采用过盈配合，安装之后各安装组件与传感器敏感表面保持齐平。因为硅脂隔热比钢质材料大，减缓了热量向压力传感器内部传导速度，在一定时间段内使压力传感器受到的热影响小，减小压力传感器热效应信号对测量的压力信号的影响，提高了压力信号测量精度，因此在试验时，在传感器敏感表面涂抹硅脂，可以达到一定的隔热效果，对热寄生效应具有良好的抑制作用。图传感器安装试验结果与分析 测试曲线分析由于在坑道内爆炸产生的振动很剧烈，会带动传感器连接线等产生振动，且冲击波压力经过壁面多次反射、叠加等，压力传感器输出信号中夹杂着不同频率的噪声信号，图所示为某测点的原始冲击波压力信号。虽然在爆炸前针对振动冲击、热冲击等寄生效应做了一定的抑制措施，但是无法彻底消除，压力传感器在输出时仍伴随有一定的寄生输出，为准确分析冲击波压力在坑道内的衰减规律，需对原始测试信号进行信号处理，对其进行频谱分析，计算谐波分量占原信号能量的百分比，认定百分比大于等于 的频带为信号有效频带。选取原始测试数据典型的压力曲线图，如图所示，对该数据进行频谱分析，进而求得信号能量谱，如图（）所示，从图（）可知，在 信号能量占原始信号能量 的 以 上，因 此 截 止 频 率 选 择 ，采 用 对原始波形进行低通滤波处理，滤波后波形如图图某测点冲击波压力原始曲线图能量谱及滤波后波形（）所示。图爆心距离 处波形 冲击波超压峰值分析由于战斗部装药量较大，爆炸效果强烈，爆心距 处侧面的安装面板和爆心距 处侧面的安装面板均被自然破片严重破坏，面板上的两个传感器均没有测到有效信号。选择截至频率为 对原始冲击波压力有效信号进行低通滤波处理，得到距离爆心较近的、处坑道内侧面与地面测点的冲击波压力波形如图、所示。战斗部在坑道内爆炸，冲击波压力未到达坑道壁面时，冲击波首先以近似球面波的形式进行传播，当首次到达坑道壁面时，压力传感器产生输出第个入射冲击波超国外电子测量技术北大中文核心期刊压峰值。由图、可以看出，在距离爆心较近的 和 处，地面冲击波超压入射峰值均明显高于侧面。由于坑道空间的限制，冲击波首次到达坑道壁面后，无法继续向外传播，在坑道内发生多次不规则反射，会出现入射冲击波与反射冲击波或反射冲击波与反射冲击波叠加的情况，使得在后面波形中有多个峰值出现，甚至测得的超压峰值会高于第次入射超压峰值，且冲击波衰减缓慢，正压作用较长。图爆心距离 处波形爆心距 处坑道内侧面与地面测点的波形如图所示。从图看出，此时坑道内侧面与地面的冲击波超压峰值接近相等，波形仍然处于持续震荡过程中，整体呈缓慢衰减趋势，虽然也会出现多个峰值，但是峰值上升没有近场处明显。表明在距离爆心较远时，坑道内冲击波压力流场逐渐趋于稳定，坑道内冲击波压力逐渐以一维平面波向前传播。图爆心距离 处波形根据不同爆心距离处测点的冲击波压力波形特征，统计分析各爆心距离处测点的冲击波超压峰值时，对爆心距、处坑道内地面和侧壁面测点的冲击波超压峰值分别取平均，对爆心距、处的测点冲击波超压峰值全部取平均。各爆心距离处的冲击波超压峰值如表所示。表各爆心距冲击波超压峰值爆心距冲击波超压峰值 侧面地面 由表实测数据可知，在爆心距 ，坑道内冲击波 压 力 处 于 复 杂 流 场 中，地 面 冲 击 波 超 压 峰 值 从 降低至 ，降低了；侧面冲击波超压峰值从 降低至 ，降低了。在距离爆心较近时，坑道内地面冲击波压力超压峰值衰减速率小于侧面。在爆心距 段，坑道内冲击波压力已经由复杂流场转换为稳定的一维平面波向前传播，坑道内侧面冲击波超压峰值由 降低到 ，降低了 ；地面冲击波超压峰值由 降低到 ，降低了 ，在此阶段内，地面冲击波超压峰值衰减率是侧壁面冲击波超压峰值衰减率的倍。在爆心距 ，冲击波超压峰值由 降低到 ，降低了。在爆心距 处，超压峰值基本相等，仅衰减了 ，冲击波压力以一维平面波向前传播过程中，冲击波超压峰值的衰减速率明显降低，随着爆心距离的逐渐增大，冲击波压力几乎不衰减。所以，在距离爆心较近时，坑道内冲击波压力的衰减较快，随着爆心距的增大，坑道内冲击波压力衰减速率明显降低，坑道内冲击波压力随着爆心距的继续增大逐渐趋于稳定，冲击波压力的衰减速率逐渐趋于。冲击波比冲量与正压作用时间分析由图、可知，在距离爆心较近的 处，冲击波压力衰减加快，正压作用时间较短，在作用 后冲击波超压峰值基本趋于，在爆心距 处，冲击波压力衰减较缓慢，由于线缆被破坏，未测得完整的冲击波压力信号，但是正压作用时间较爆心距 处长。由于战斗部装药量太大，爆炸之后有较多低噪声同轴电缆线被炸断，导致较多测点无法采集到完整的正压区超压信号，因此选择完整的冲击波压力正压曲线，并将冲击波压力正超压曲线对时间进行积分，得到正压区比冲量值，如表所示。表正压区比冲量值爆心距 比冲量（）在 ，坑道内冲击波比冲量基本保持不变，爆心距 处的冲击波比冲量较 处下降了 ，在北大中文核心期刊国外电子测量技术爆心距 ，冲击波比冲量值下降了 ，在爆心距 之后，坑道内冲击波比冲量趋于稳定，基本不衰减。由此可推断，在距离爆心距较近时，坑道内冲击波比冲量基本保持不变，坑道内冲击波压力由复杂流场逐渐过渡到以一维平面波传播阶段，冲击波比冲量衰减快，随着爆心距的继续增大，坑道内冲击波压力稳定传播，冲击波比冲量继续保持不变，不再随着爆心距的增大而衰减。由表、可知，在距离爆心距较近时，坑道内冲击波压力值衰减较快，但冲击波比冲量值却基本保持不变，由此可知，冲击波正压作用时间逐渐增加，随着爆心距的继续增大，坑道内冲击波压力流场逐渐稳定，冲击波压力值逐渐趋于平稳，衰减缓慢，冲击波比冲量值也逐渐趋于稳定，基本不在随爆心距的增大而衰减，因此，在坑道内冲击波压力流场稳定后，冲击波正压作用时间也逐渐保持不变。坑道内冲击波压力衰减规律分析根据能量相似律及爆