爆轟加載下柱殼斷裂時刻微小差異測量方法

金 山，劉 欣，袁 帥，華勁松，湯鐵鋼

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

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爆轟加載下柱殼斷裂時刻微小差異測量方法

金 山，劉 欣，袁 帥，華勁松，湯鐵鋼

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

對于斷裂時刻差異較小的對比實驗，提出一種判讀方法：同時采用高速攝影和干涉測速，利用高速攝影判讀殼體斷裂時刻應變，利用干涉測速獲取殼體位移及應變曲線，兩者結合得出較為精確的殼體斷裂時刻差異。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間相差0.45 μs，鎢合金柱殼在兩種炸藥加載下的斷裂時間相差0.39 μs。同時該方法可以推廣應用于單發(fā)殼體膨脹斷裂實驗中，更精確測定殼體的斷裂時刻。

爆炸力學；斷裂時刻；高速攝影；爆轟加載；干涉測速

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

JO-9159和JOB-9003是兩種驅動能力相近的炸藥，與JO-9159相比，JOB-9003的各項性能參數(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動下金屬柱殼膨脹的速度及位移曲線，預估柱殼在兩種炸藥加載下的斷裂時刻差異較小，僅利用高速攝影測試方法有可能分辨不出兩者差異，因此，考慮同時采用高速攝影及激光干涉測速兩種測試方法，用于判讀兩種炸藥加載下柱殼的微小斷裂時刻差異。

1 數(shù)值模擬結果

采用歐拉方法建立二維軸對稱模型，計算在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)物的力學行為，計算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)的起爆時間為0.0s時刻，計算主炸藥長度方向中心位置處柱殼外壁的速度及位移歷史，結果如圖1～2所示。

圖1 45鋼柱殼速度及位移計算結果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算結果Fig.2 Calculation results of velocity and displacement curves of the W alloy cylinder shells

從計算結果可以看出，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，直至計算后期，兩種炸藥加載下金屬柱殼經(jīng)歷相同位移所花費的時間仍小于1 μs，常用的光機式高速攝影的判讀精度為微秒量級，因此，可以初步推斷，僅利用高速攝影無法判讀出兩種炸藥加載下殼體斷裂時間差異。

2 實驗結果

根據(jù)數(shù)值計算結果，設計開展了相應的柱殼膨脹斷裂對比實驗，同時采用高速攝影和激光干涉測速兩種方法進行測試。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。

對高速攝影圖像進行測量計算，獲取主炸藥長度方向中心位置處柱殼外壁從開始膨脹到產(chǎn)物泄漏所經(jīng)歷的時間t及此時刻的柱殼應變ε，結果見表1。

圖3 實驗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，利用高速攝影獲取的從殼體開始膨脹到產(chǎn)物泄漏經(jīng)歷的時間t相同，產(chǎn)物泄漏時刻的殼體應變ε略有差異。這與數(shù)值模擬結果相對應，即所用的高速攝影技術無法分辨兩種炸藥加載下殼體的斷裂時間。

圖4～5分別為實驗中利用激光干涉測速方法測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)物泄漏時間及應變

圖4 45鋼柱殼速度及位移測試結果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試結果Fig.5 Experiment results of velocity and displacement curves of the W alloy cylinder shells

表2 起跳速度及應變率

3 微小斷裂時刻差異判讀方法

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

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變率均在104s-1以上，其中45鋼柱殼在兩種炸藥加載下應變率相差2.7%，鎢合金柱殼在兩種炸藥加載下應變率相差0.9%，相同材料、相同結構的柱殼在加載應變率差異很小的情況下，應變率效應對殼體斷裂應變的影響可以忽略[5]，即可近似認為兩種炸藥加載下同種殼體的斷裂應變相同。

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

3.2 判讀思路

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

針對同種材料柱殼實驗，首先利用高速攝影圖像判讀兩種炸藥加載下殼體產(chǎn)物泄漏時刻的應變，取兩個應變的平均值作為殼體的斷裂應變；根據(jù)激光干涉測速結果得出殼體的速度及位移隨時間變化曲線，進而得到殼體的應變隨時間變化曲線，在曲線上讀出兩種炸藥加載時殼體達到斷裂應變所經(jīng)歷的時間，最終得到兩種炸藥加載下殼體的斷裂時刻差異。

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

表3 斷裂時刻差異

3.3 優(yōu)點

由于干涉測速的時間、位移分辨精度遠高于高速攝影，殼體膨脹斷裂時刻的判讀誤差主要來源于高速攝影，假如直接利用高速攝影判讀斷裂時刻，需要兩次判讀，一次判讀殼體開始膨脹時刻(或零時雷管起爆時刻)，一次判讀殼體破裂時刻，每次判讀均會引入誤差，其誤差大小與高速攝影的時間分辨精度有關，對于本次實驗，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變，與高速攝影的時間精度無關，判讀精度由高速攝影的空間分辨精度決定，對于本次實驗，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小于時間分辨精度引入的誤差。

3.4 推廣應用

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

4 總 結

高速攝影技術的時間測量精度為微秒量級，適于定性或半定量觀測殼體膨脹斷裂過程，確認殼體斷裂時刻的二維圖像；激光干涉測速技術能更精確獲取殼體自由面的速度及位移，但無法判讀殼體斷裂時刻。對于斷裂時刻差異較小的對比實驗，提出一種測量微小斷裂時刻的方法，即利用高速攝影及干涉測速聯(lián)合測試，進行互補判定。

上述方法汲取了兩種測試技術的優(yōu)點：高速攝影技術的二維分辨率及激光干涉測速技術對時間、位移測量的高分辨率，可以較精確的反映驅動能力相近的炸藥加載下殼體的斷裂時刻差異，同時可以推廣應用于柱殼斷裂時刻的精確測量。

[1] 張崇玉，谷巖，李慶忠，等.爆轟波對碰驅動下加環(huán)紫銅圓管對碰區(qū)變形特性研究[J].爆炸與沖擊，2007，27(2):97-102. Zhang Chong-yu, Gu Yan, Li Qing-zhong, et al. Study on deformation characteristics of collision region of copper tube with guard ring driven by two head-on colliding detonation waves[J]. Explosion and Shock Waves, 2007,27(2):97-102.

[2] 金山，湯鐵鋼，孫學林，等.不同熱處理條件下45鋼柱殼的動態(tài)性能[J].爆炸與沖擊，2006，26(5):423-428. Jin Shan, Tang Tie-gang, Sun Xue-lin, et al. Dynamic characteristics of 45 steel cylinder shell by different heat treatment conditions[J]. Explosion and Shock Waves, 2006,26(5):423-428.

[3] 華勁松，經(jīng)福謙，譚華.動載荷下材料的屈服強度變化[J].固體力學學報，2001，22(4):421-426. Hua Jin-song, Jing Fu-qian, Tan Hua. The variation of yield strength under dynamic loading[J]. Acta Mechanica Solida Sinica, 2001,22(4):421-426.

[4] 金山，陳永濤，湯鐵鋼，等.多點激光干涉測速系統(tǒng)和電探針技術在飛片速度測量中的應用對比[J].高壓物理學報，2012，26(5):571-576. Jin Shan, Chen Yong-tao, Tang Tie-gang, et al. Comparison of multi-channel VISAR and electric probe technology in measuring free-surface velocity of metal flyer[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012,26(5):571-576.

[5] 湯鐵鋼，李慶忠，孫學林，等.45鋼柱殼膨脹斷裂的應變率效應[J].爆炸與沖擊，2006，26(2):129-133. Tang Tie-gang, Li Qing-zhong, Sun Xue-lin, et al. Strain-rate effects of expanding fracture of 45 steel cylinder shells driven by detonation[J]. Explosion and Shock Waves, 2006,26(2):129-133.

(責任編輯 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

中國工程物理研究院流體物理研究所發(fā)展基金項目(SFZ20120101)

金 山(1981— )，男，助理研究員,jin9835@163.com。

O389 國標學科代碼： 13035

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