炸藥裝藥在落錘撞擊下的應(yīng)力測試方法研究

王世英

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

0 引言

炸藥裝藥在成型加工、儲存運(yùn)輸、戰(zhàn)場使用等環(huán)境下，經(jīng)常性地要經(jīng)受撞擊、振動等沖擊載荷，對于炸藥裝藥而言，這些沖擊載荷的宏觀表現(xiàn)為加載應(yīng)力和響應(yīng)應(yīng)力。而落錘加載裝置是模擬炸藥裝藥在沖擊載荷作用下應(yīng)力響應(yīng)的常用試驗手段，該試驗可以模擬裝藥件在低速撞擊應(yīng)力加載下的響應(yīng)，但如何實現(xiàn)對響應(yīng)應(yīng)力的可靠表征，以此分析判斷炸藥裝藥的安全性，需要針對落錘加載試驗系統(tǒng)，建立穩(wěn)定、可靠的應(yīng)力測試方法。

1 落錘撞擊加載實驗系統(tǒng)特性分析

落錘實驗裝置包括錘頭、炸藥裝藥實驗彈、應(yīng)力測試系統(tǒng)等組件，其功能是模擬炸藥裝藥受到的外界應(yīng)力加載刺激，通過錘頭的質(zhì)量和落高來控制刺激量，實現(xiàn)對炸藥裝藥的模擬應(yīng)力加載，利用測試系統(tǒng)對其響應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行測試。實驗裝置如圖1 所示。為使該系統(tǒng)測得的應(yīng)力波形穩(wěn)定、重復(fù)性好，通過分析落錘實驗系統(tǒng)的應(yīng)力刺激及響應(yīng)過程，得到了系統(tǒng)的加載特性［1］。

圖1 落錘加載實驗系統(tǒng)

表1 大落錘撞擊加載裝置的主要特性參數(shù)

大落錘的工作原理可簡化為圖2 的一個彈性體的模型來描述。由于重錘質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實驗彈的質(zhì)量，因此所有的質(zhì)量都概括為重錘的質(zhì)量M，并視為剛體。在研究炸藥的撞擊起爆實驗中，落錘的體積要比藥柱的大得多，落錘對炸藥藥柱的加載是通過柱塞(活塞)實現(xiàn)的，只有通過活塞才能將落錘的加載應(yīng)力集中作用于炸藥裝藥上。

對實驗彈各種材料組件的彈性概括為一個剛度為k的彈簧，簡化成一個彈簧振子來處理，設(shè)位移軸OX軸豎直向下為正，平衡位置為原點(diǎn)，平衡點(diǎn)距初始位置的距離可由下式?jīng)Q定:Mg = kδ，其中δ 為彈簧振子初始位置到平衡位置的距離。該振子的運(yùn)動方程為

如果用長度為l，截面積為A，彈性模量為E 的

圖2 大落錘加載的簡化模型

彈性體來代替彈簧，則

彈性體的最大應(yīng)力為

所以，當(dāng)裝藥條件確定時，落錘加載應(yīng)力和應(yīng)力率可簡化為

當(dāng)K1，K2為常數(shù)時，炸藥裝藥的響應(yīng)應(yīng)力σ 與成正比，但是，考慮到炸藥裝藥約束體中的密封或緩沖材料，一般σ 與的關(guān)系為

其中a，b 為與系統(tǒng)材料有關(guān)的常數(shù)。

2 炸藥裝藥測試件約束狀態(tài)分析

炸藥在實際應(yīng)用過程中，藥柱一般處于一維或三維這兩種約束狀態(tài)。一維約束，即只對炸藥柱的軸向施加約束，落錘試驗中的藥柱的裝配類似圖3 (a);三維約束，即對炸藥柱的軸向和施加約束，落錘試驗中的藥柱的裝配類似圖3 (b)。

圖3 中藥柱兩端均加入聚乙烯墊。在戰(zhàn)斗部實際裝藥狀態(tài)下，炸藥與殼體或其他金屬部件之間都要有緩沖層，用于提高炸藥裝藥的抗沖擊振動以及安全性等，所以，為了模擬這種狀態(tài)，便在活塞與炸藥之間加入一個彈性模量和屈服強(qiáng)度與炸藥接近的聚乙烯墊。

圖3 實驗彈裝配示意圖

3 測試系統(tǒng)

落錘撞擊加載時落錘的運(yùn)動方式為自由落體，其加載前的下落速度可直接計算得到，又考慮到落錘的撞擊屬于低速加載且過載加速度為恒定值，故重點(diǎn)對落錘撞擊的加載應(yīng)力(刺激量)和作用后炸藥裝藥(藥柱)的響應(yīng)應(yīng)力(響應(yīng)量)進(jìn)行測試［2］。應(yīng)力的測量采用應(yīng)變式壓阻傳感器，數(shù)字采集系統(tǒng)采用瞬態(tài)存儲示波器，最大采樣速率為1 GS/s，4 通道，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)換。

為了使測試系統(tǒng)更好地滿足炸藥裝藥落錘撞擊起爆加載與相應(yīng)信號采集的要求，需對傳感器的制作和安裝進(jìn)行特殊或?qū)ｉT設(shè)計。

3.1 應(yīng)力測量方法

炸藥裝藥撞擊實驗中，在撞擊作用下炸藥內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力［3］，由于裝藥密度的不均勻性，使得各點(diǎn)應(yīng)力大小也不盡相同，即使同一橫截面上的應(yīng)力也不可能完全一致。尤其在炸藥內(nèi)部存在目測可見缺陷時，應(yīng)力分布與缺陷尺寸、位置等因素有密切關(guān)系。所以僅對炸藥端面附近的平均應(yīng)力進(jìn)行測量。應(yīng)力傳感器平均應(yīng)力計算為

式中:σcp為炸藥端面附近平均應(yīng)力;F 為力傳感器測得的沖擊力;S 為炸藥裝藥截面面積。

3.2 測力傳感器的設(shè)計與制作

根據(jù)炸藥裝藥落錘撞擊加載的特性指標(biāo)并考慮實驗彈的結(jié)構(gòu)特征［4］，首先對測力傳感器的量程進(jìn)行估算設(shè)計:當(dāng)落錘的重量和加載落高一定后，在軸向加載作用下，藥柱軸向端面的應(yīng)力與藥柱的直徑直接相關(guān)，選落錘重量400 kg、落高2.5 m，按圖3 形式加載時，利用式(6)計算炸藥端面的最大加載應(yīng)力，計算結(jié)果見表2。

表2 傳感器量程

由表2 可知，傳感器的量程3 GPa 應(yīng)該能滿足落錘撞擊加載實驗測試的要求，據(jù)此設(shè)計的傳感器如圖4所示，其結(jié)構(gòu)是將量程3 GPa 的應(yīng)變片貼于高強(qiáng)度鋼質(zhì)彈性體表面上，鋼質(zhì)彈性體的外形為棱柱形，傳感器的標(biāo)定利用力標(biāo)定機(jī)標(biāo)定，其標(biāo)定精度可達(dá)千分之一。

圖4 棱柱形應(yīng)變式力傳感器

3.3 測試傳感器的安裝及測試系統(tǒng)構(gòu)成

實驗彈與傳感器裝配過程中，單發(fā)實驗安裝兩個傳感器，其中一個與上活塞相連，見圖3，目的是測定落錘對炸藥裝藥的加載應(yīng)力;另一個與下活塞相連，目的是測定炸藥裝藥的響應(yīng)應(yīng)力。嚴(yán)格來說，上傳感器測得的應(yīng)力仍然為炸藥的響應(yīng)應(yīng)力，但在本實驗彈的炸藥裝藥結(jié)構(gòu)及應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，可將其近似為加載應(yīng)力來處理，這樣得到的結(jié)果對于炸藥的應(yīng)用來說應(yīng)該是有安全裕度的;另一方面，雖然傳感器未與炸藥端面直接接觸，但因活塞選用高強(qiáng)度的彈性體，其彈性模量要比聚乙烯墊和炸藥的彈性模量高2 ～3 量級，所以傳感器測得的加載應(yīng)力和響應(yīng)應(yīng)力可近似作為炸藥裝藥的撞擊加載和響應(yīng)應(yīng)力來處理。

3.4 落錘加載和響應(yīng)應(yīng)力—時間曲線的測試

采用圖3 (b)的實驗彈結(jié)構(gòu)，對φ40 mm×40 mm的鑄裝B 炸藥裝藥進(jìn)行了落錘加載和響應(yīng)應(yīng)力－時間曲線的初步測試，實驗所采用的殼體、聚乙烯墊及活塞的尺寸如下:殼體壁厚17.5 mm、外徑φ75 mm、內(nèi)徑φ40 mm、高150 mm;上下聚乙烯墊為φ40 mm ×5 mm(與裝藥接觸沒有間隙);上活塞φ40 mm ×115 mm，下活塞φ40 mm×40 mm。實驗時落錘的質(zhì)量選400 kg，落高為1800 mm。圖5 為示波器記錄的典型炸藥未點(diǎn)火起爆的加載和響應(yīng)的應(yīng)力—時間曲線，其中圖5(a)為應(yīng)力加載曲線、圖5 (b)為應(yīng)力響應(yīng)的曲線;圖6 為示波器記錄的典型炸藥點(diǎn)火起爆響應(yīng)應(yīng)力—時間曲線。

從圖5 (a)炸藥裝藥未起爆時示波器記錄的落錘加載應(yīng)力—時間曲線可知，加載曲線平滑，當(dāng)落錘加載到最大值后，按與上升沿基本對稱的曲線卸載，圖5(b)炸藥裝藥未點(diǎn)火起爆時示波器記錄的響應(yīng)應(yīng)力—時間曲線在形狀和平滑程度上與加載曲線基本一致，加載上升沿和卸載下降沿也是對稱的，這說明實驗彈各組件可當(dāng)作彈塑性體來處理;加載和響應(yīng)時間在毫秒量級，接近于炸藥裝藥在加工、使用過程中受到的撞擊、振動的外界刺激的時間，加載過程與理想狀態(tài)比較接近，完全能夠滿足于落錘撞擊模擬加載實驗的要求［5－6］。

圖5 未爆應(yīng)力－時間曲線

由圖6 炸藥裝藥起爆時示波器記錄的炸藥裝藥響應(yīng)應(yīng)力—時間曲線可知，響應(yīng)的初始階段應(yīng)力上升平緩，2 ms 時應(yīng)力形成跳躍，炸藥裝藥產(chǎn)生起爆，隨后傳感器損壞，形成無規(guī)則跳躍，測試結(jié)果與實驗現(xiàn)象相符。

圖6 爆炸響應(yīng)應(yīng)力—時間曲線

圖7 B 炸藥重復(fù)的加載應(yīng)力—時間曲線

圖7 為落錘質(zhì)量選400 kg，落錘落高1800 mm 時三發(fā)φ0 mm×40 mm 鑄裝B 炸藥裝藥的未爆時傳感器測得的加載應(yīng)力—時間曲線，從圖中可以看出其加載應(yīng)力和加載時間重復(fù)性很好，所以用大落錘撞擊加載實驗系統(tǒng)測試的實驗結(jié)果可以用于對比和分析。

為了檢驗測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對81 發(fā)未爆B 炸藥的落錘試驗結(jié)果進(jìn)行了最大加載應(yīng)力與落高擬合，擬合結(jié)果符合公式(8)的關(guān)系，擬合點(diǎn)應(yīng)力－落高關(guān)系見圖8，從圖中可以看出，81 發(fā)試驗所測的應(yīng)力與落錘落高的擬合系數(shù)可達(dá)0.99，重復(fù)性較好。

圖8 鑄裝B 炸藥未爆應(yīng)力與落高關(guān)系

3.5 測試系統(tǒng)誤差分析及計算

應(yīng)力測試系統(tǒng)的誤差主要來自:波形記錄儀，12 Bit，精度誤差＜1%，選用的YE3817 應(yīng)變放大器的誤差為±0.3%;自制應(yīng)力傳感器的綜合誤差＜2%。因此應(yīng)力測試系統(tǒng)誤差為

4 結(jié)論

落錘加載應(yīng)力及響應(yīng)應(yīng)力測試系統(tǒng)可以滿足炸藥裝藥撞擊、振動等沖擊響應(yīng)的測試要求，系統(tǒng)滿足重復(fù)性高、穩(wěn)定性好以及測試系統(tǒng)誤差小等特點(diǎn)。

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