混凝土靶內(nèi)爆炸應(yīng)力波測(cè)量方法研究

黃家蓉，王　幸，吳　飚，徐翔云，余尚江

（61489部隊(duì)，河南 洛陽 471023）

混凝土靶內(nèi)爆炸應(yīng)力波測(cè)量方法研究

黃家蓉，王幸，吳飚，徐翔云，余尚江

（61489部隊(duì)，河南 洛陽 471023）

為研究爆炸試驗(yàn)中靶內(nèi)應(yīng)力波傳播規(guī)律的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器進(jìn)行試驗(yàn)研究。用環(huán)氧樹脂對(duì)壓力傳感器接口及導(dǎo)線進(jìn)行防水防潮密封處理，傳感器安裝用角鐵做支架。為避免傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響，將不同長度的角鐵周向焊接在鐵筒上，傳感器用A、B膠粘接在角鐵上。在混凝土圓筒靶中，距爆心不同距離周向布置6組應(yīng)力波測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器，進(jìn)行2炮靜爆試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種傳感器均測(cè)到應(yīng)力波波形，PVDF壓力傳感器測(cè)試效果比碳阻式壓力傳感器測(cè)試效果好，在距爆點(diǎn)最近的測(cè)點(diǎn)，2種傳感器的測(cè)試波形非常接近。

混凝土；靶內(nèi)測(cè)試；PVDF壓力傳感器；碳阻式壓力傳感器

0　引　言

混凝土材料廣泛應(yīng)用于抗爆防護(hù)結(jié)構(gòu)、機(jī)場(chǎng)跑道、武器庫、高速公路等重要軍事和民用設(shè)施中，開展針對(duì)混凝土目標(biāo)的侵徹爆炸效應(yīng)研究具有重要價(jià)值。由于混凝土本構(gòu)關(guān)系比較復(fù)雜，它既不是勻質(zhì)材料，也不是線彈性材料，使研究沖擊載荷作用下的混凝土特性響應(yīng)存在著很多的困難［1-3］。

侵徹爆炸對(duì)混凝土和鋼筋混凝土的破壞效果，國內(nèi)外研究人員從理論模型、數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)研究幾個(gè)方面已進(jìn)行了大量的工作，并取得一定成果。Corbett［4］指出現(xiàn)有撞擊問題的研究方法有理論方法、經(jīng)驗(yàn)方法、數(shù)值方法和試驗(yàn)方法。其中，理論、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值方法為近似預(yù)估方法，其預(yù)估的準(zhǔn)確性還需要試驗(yàn)方法提供數(shù)據(jù)。但在混凝土澆筑和凝固過程中，對(duì)傳感器的埋設(shè)、防水、防潮工藝要求極高，易使傳感器方向發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器失效或測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，有效動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)測(cè)試成功率很低。國內(nèi)外學(xué)者也采用不同的方法對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，J.K.Gran和D.J.Frew［5］研制了壓阻式傳感器，并將其預(yù)埋在混凝土靶體中，測(cè)試了侵徹過程中混凝土靶體中徑向應(yīng)力的響應(yīng)特性。羅建華［6］在混凝土靶中埋設(shè)錳銅傳感器測(cè)量彈丸侵徹時(shí)應(yīng)力波，但文中未給出實(shí)測(cè)結(jié)果。

長期以來，由于混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試?yán)щy，人們掌握的有關(guān)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)匱乏［7］，導(dǎo)致對(duì)混凝土的破壞過程及機(jī)理研究較少。隨著混凝土工程結(jié)構(gòu)研究的深入，逐漸提高了對(duì)侵徹過程中靶體力學(xué)響應(yīng)過程的需求。因此，對(duì)混凝土靶中力學(xué)參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究和提高數(shù)據(jù)測(cè)試成功率顯得尤為重要［8］。本文設(shè)計(jì)了聚偏二氟乙烯（PVDF）壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器，測(cè)試了炸藥在混凝土靶中爆炸的徑向應(yīng)力波傳播，獲得了有效數(shù)據(jù)和傳感器埋設(shè)方法，可為后續(xù)研究提供參考。

1　試驗(yàn)方法及測(cè)試系統(tǒng)

1.1試驗(yàn)方法

制作2個(gè)直徑2m，高2m的C35混凝土靶體，靶體外用厚3mm的鋼筒約束，靶體內(nèi)沿徑向埋設(shè)6組新研制的大量程PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器，如圖1所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器各一個(gè)。靶體中間預(yù)留1 m深的φ65mm裝藥孔。7#靶裝藥300g TNT，6#靶相當(dāng)于600 g TNT當(dāng)量的新研制炸藥。炸藥置于靶體中心并填埋后引爆。

圖1　靶體結(jié)構(gòu)及傳感器布置（單位：mm）

1.2測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、恒流源電壓信號(hào)調(diào)理器、電荷信號(hào)調(diào)理器和瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集儀組成（如圖2所示）。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

采集儀型號(hào)：DH5960，通道數(shù)：32 ch，最高采樣率：10MHz/ch，帶寬：0～1MHz。

1.3傳感器設(shè)計(jì)

碳阻式壓力傳感器的測(cè)壓原理是基于復(fù)合導(dǎo)電材料的壓阻效應(yīng)［9］。制作碳阻式傳感器的敏感材料是一種電阻型復(fù)合導(dǎo)電材料，碳電阻材料受外力作用后阻值發(fā)生變化，其變化值與壓力值成正比，經(jīng)恒流源信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為與壓力成正比的電壓值。

PVDF壓力傳感器工作原理：聚偏二氟乙烯薄膜具有極強(qiáng)的壓電效應(yīng)［10-11］，當(dāng)其受壓力作用時(shí)會(huì)輸出與壓力成正比的電荷量，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后輸出與壓力成正比的電壓值。

根據(jù)巖土介質(zhì)中壓力測(cè)量的匹配理論，巖土介質(zhì)壓力傳感器必須設(shè)計(jì)為扁平狀結(jié)構(gòu)，傳感器的高徑比（即傳感器的厚度與直徑之比）不宜大于1/3，依據(jù)此原則設(shè)計(jì)的碳阻式和PVDF壓力傳感器如圖3所示。

碳阻式傳感器主要由殼體、膜片、填料、碳阻式敏感元件和引線組成。碳阻式敏感元件通過填料和膜片密封埋置于殼體的腔體中，測(cè)量時(shí)壓力通過膜片和填料傳遞到碳阻式敏感元件，引起其阻值變化。

圖3　傳感器結(jié)構(gòu)

PVDF壓力傳感器由殼體、PVDF薄膜、膠粘劑等組成，PVDF薄膜位于上下殼體中間，并用密封膠密封。測(cè)壓時(shí)壓力通過殼體傳遞到PVDF薄膜并產(chǎn)生電荷輸出。

兩種傳感器殼體采用不銹鋼材料，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　傳感器主要參數(shù)

2　傳感器埋設(shè)

先用環(huán)氧樹脂對(duì)壓力傳感器接口及導(dǎo)線進(jìn)行防水防潮密封處理，傳感器安裝用角鐵做支架，為了避免傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響，按圖1中測(cè)點(diǎn)位置，將不同長度的角鐵周向焊接在鐵皮圓筒上，傳感器用A、B膠粘接在角鐵上，傳感器敏感面正對(duì)爆心。牢固后，澆筑混凝土。

3　測(cè)試結(jié)果

第1炮試驗(yàn)，7#靶，裝藥300 g TNT；第2炮，6#靶，裝藥600g TNT當(dāng)量新研制炸藥。由于爆炸試驗(yàn)中混凝土靶內(nèi)壓力測(cè)量無數(shù)據(jù)可參考，第1炮試驗(yàn)對(duì)壓力量程估計(jì)不足，大部分波形超量程削波。據(jù)第1炮測(cè)試結(jié)果對(duì)量程進(jìn)行調(diào)整，第2炮試驗(yàn)測(cè)到了比較完整波形。表2、表3是測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2　第1炮7#靶試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1）

表3　第2炮6#靶試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

圖4　7#靶測(cè)量結(jié)果

圖4、圖5是測(cè)試波形，可以看出，總體上PVDF壓力傳感器的測(cè)試波形優(yōu)于碳阻式壓力傳感器的測(cè)試波形。6#靶試驗(yàn)中，僅有距爆心415mm處PVDF傳感器異常，其他5個(gè)測(cè)點(diǎn)全部獲得有效數(shù)據(jù)，碳阻式傳感器獲得了2個(gè)較好波形。圖6、圖7是兩個(gè)靶距爆心最近測(cè)點(diǎn)的波形，距爆心220 mm處兩種傳感器測(cè)試波形的上升沿和峰值非常接近，PVDF傳感器回零比碳阻傳感器好。

圖5　6#靶測(cè)量結(jié)果

圖6　7#靶0.20m處兩種傳感器測(cè)量波形

圖7　6#靶0.22m處兩種傳感器測(cè)量波形

4　結(jié)束語

在混凝土靶靜爆試驗(yàn)中，通過在混凝土靶中埋設(shè)PVDF壓力傳感器和碳阻式壓力傳感器的方法，得到部分混凝土應(yīng)力波響應(yīng)曲線，對(duì)爆炸試驗(yàn)中靶內(nèi)應(yīng)力波測(cè)試進(jìn)行了嘗試。試驗(yàn)結(jié)果表明：PVDF壓力傳感器測(cè)試效果比碳阻式壓力傳感器測(cè)試效果好，600g裝藥試驗(yàn)中，距爆心220mm處兩傳感器測(cè)試波形較一致，但應(yīng)力波歸零效果不好，需后續(xù)試驗(yàn)對(duì)該問題做進(jìn)一步研究。

［1］徐偉芳，張方舉，毛勇建，等.侵徹過程中混凝土靶體力學(xué)參量測(cè)試技術(shù)研究［C］∥第十一屆全國沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2013（08）：66-69.

［2］王定賢，胡永樂，金飛華，等.行波桿在混凝土應(yīng)力波參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010（4）：238-241.

［3］宋浦，梁安定，董怡君.混凝土中的爆炸應(yīng)力波［C］∥第三屆全國爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2004（9）：385-389.

［4］CORBETTGG，REIDS R，JOHNSON W.Impact loading of plates and shells by free-flying projectiles：A review［J］.Int J Impact Engineering，1996（18）：141-230.

［5］GRAN J K，F(xiàn)REW D J.射彈侵徹混凝土過程中動(dòng)應(yīng)力的量測(cè)與計(jì)算［J］.李清獻(xiàn)，譯.防護(hù)工程，1998，20（4）：91-99.

［6］羅建華.動(dòng)能彈侵徹混凝土靶體的測(cè)試技術(shù)與數(shù)值模擬研究［D］.太原：中北大學(xué)，2009.

［7］鄭應(yīng)民，顧曉輝，王樹有.混凝土靶中炸測(cè)試方法研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2003，25（4）：51-54.

［8］段樂珍，徐國元.爆炸應(yīng)力波測(cè)試技術(shù)的研究［J］.湖南有色金屬，1999（3）：7-9.

［9］余尚江，陳晉央，楊吉祥，等.碳阻式混凝土壓力傳感器研制［J］.防護(hù)工程，2015，37（3）：36-39.

［10］蔡軍鋒，易建政，檀朝彬，等.PVDF壓電傳感器在爆炸沖擊波測(cè)量中的應(yīng)用［J］.傳感器世界，2005（3）：12-16.

［11］余尚江，李科杰.混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)沖擊波應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)及其行為［J］.爆炸與沖擊，2005，25（4）：350-354.

（編輯：莫婕）

Research on stress wave measurement method in concrete target in explosion

HUANG Jiarong，WANG Xing，WU Biao，XU Xiangyun，YU Shangjiang
（Unit 61489，PLA，Luoyang 471023，China）

PVDF pressure sensor and carbon resistive pressure sensor are designed for test and research on test method of stress wave transmission law in target in explosion tests.Epoxy resin is used for the waterproof，damp-proof and sealing treatment of interface and wire of sensor and angle iron are used as a support for the installation of sensor.To prevent sensor structure affecting the transmission of stress wave，angle irons of different lengths are welded on the metal cylinder circumferentially and a sensor is bound on angle iron with A/B glue.In the concrete cylinder target，6 groups of stress wave measurement points are circumferentially arranged at different distances from the explosion core and PVDF pressure sensor and carbon resistive pressure sensor are buried to have 2 shot blasting tests.Test results show that both sensors detect stress wave and the PVDF pressure sensor has better testing effects than the carbon resistive pressure sensor and they have very similar waveform at the nearest point to the explosion core.

concrete；in-target test；PVDF pressure sensor；carbon resistive pressure sensor

A

1674-5124（2016）10-0025-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.005

2016-04-14；

2016-05-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11302261，U1404107）

黃家蓉（1965-），女，四川成都市人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事量測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用。