用于柱形爆炸容器周向大變形歷程測(cè)量的應(yīng)變絲技術(shù)＊

李 進(jìn)，熊 琛，張德志，馬艷軍，李運(yùn)良，秦學(xué)軍

用于柱形爆炸容器周向大變形歷程測(cè)量的應(yīng)變絲技術(shù)＊

李 進(jìn)，熊 琛，張德志，馬艷軍，李運(yùn)良，秦學(xué)軍

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安710024）

為了測(cè)量柱形爆炸容器的動(dòng)態(tài)周向大變形歷程，開發(fā)了應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)。選用性能良好的合金絲沿爆炸容器周向固定，容器膨脹變形驅(qū)動(dòng)合金絲同步伸長(zhǎng)，配合適當(dāng)?shù)碾娐罚瑱z測(cè)合金絲的電阻變化，從而獲得容器的變形歷程。在鋼筒的中心進(jìn)行了120g TNT當(dāng)量球形裝藥下的爆炸加載實(shí)驗(yàn)，獲得了峰值超過(guò)20%的鋼筒周向變形歷程。測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)后鋼筒變形實(shí)測(cè)結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

柱形容器；動(dòng)態(tài)大變形；應(yīng)變；應(yīng)變絲

應(yīng)變測(cè)量是材料性能分析［1］、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全監(jiān)測(cè)［2－3］等工作的重要依據(jù)。目前，測(cè)量柱形爆炸容器變形的主要手段有：在容器表面粘貼應(yīng)變片對(duì)容器的動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行測(cè)量［4］；利用高速相機(jī)對(duì)容器的變形進(jìn)行連續(xù)拍照［5］，進(jìn)而得到容器的變形情況；利用激光多普勒效應(yīng)測(cè)量容器的徑向變形［6］；利用電探針測(cè)量容器的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程［7］。

應(yīng)變片只能測(cè)量容器局部位置的變形，且量程通常小于2%，由于徑向應(yīng)力波的剝離作用，應(yīng)變片也難以獲得理想的大應(yīng)變?nèi)珪r(shí)間歷程；高速相機(jī)拍照測(cè)量容器變形的方法對(duì)設(shè)備的要求較高，一般實(shí)驗(yàn)室不具備條件；激光多普勒效應(yīng)和電探針的測(cè)量方法只能獲得容器局部點(diǎn)的徑向變形。為此，根據(jù)應(yīng)變片技術(shù)的基本原理，開發(fā)了用于環(huán)向平均應(yīng)變測(cè)量的應(yīng)變絲技術(shù)，實(shí)踐證明，該技術(shù)可測(cè)量超過(guò)20%的大應(yīng)變。

應(yīng)變絲技術(shù)的基本原理為：選用電阻變化率與伸長(zhǎng)率性能穩(wěn)定、且塑性良好的合金絲沿容器周向固定，容器膨脹變形驅(qū)動(dòng)合金絲同步伸長(zhǎng)，配合適當(dāng)?shù)碾娐罚瑱z測(cè)合金絲的電阻變化，進(jìn)而獲得容器的變形歷程。

1 應(yīng)變絲電阻變化與伸長(zhǎng)量關(guān)系的標(biāo)定

選用商品級(jí)漆包康銅絲作為應(yīng)變絲材料，康銅是制作應(yīng)變片敏感柵的常用材料。若對(duì)精度有更高的要求，可選擇科學(xué)級(jí)的合金絲。研制了用于標(biāo)定合金絲電阻變化與伸長(zhǎng)關(guān)系的裝置，該裝置由絲杠、光柵尺和精密電阻測(cè)試儀組成，如圖1所示。將選定長(zhǎng)度的合金絲固定在絲杠上，絲杠可精確控制合金絲的伸長(zhǎng)，步進(jìn)最小伸長(zhǎng)量為0.125mm；合金絲的伸長(zhǎng)量由光柵尺測(cè)量，光柵尺的測(cè)量精度為10μm；合金絲的電阻由精密電阻測(cè)試儀測(cè)量，精度達(dá)0.01%。

測(cè)試獲得了規(guī)格為?0.2mm、?0.3mm和?0.4mm的漆包康銅絲的電阻變化與伸長(zhǎng)量的關(guān)系，每種規(guī)格測(cè)試了2～3個(gè)樣品，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，三種規(guī)格7個(gè)試樣的電阻變化與伸長(zhǎng)量關(guān)系非常一致，對(duì)7組數(shù)據(jù)按過(guò)原點(diǎn)的二次函數(shù)擬合，結(jié)果如表1所示。其中，a為擬合式中一次項(xiàng)系數(shù)，b為二次項(xiàng)系數(shù)?？紤]安裝固定時(shí)對(duì)強(qiáng)度的要求，爆炸實(shí)驗(yàn)選定使用?0.4mm漆包康銅絲，電阻變化與伸長(zhǎng)量的關(guān)系為：

式中：RL為合金絲電阻值，ΔRL為合金絲電阻變化量，L0為合金絲長(zhǎng)度，ΔL為合金絲長(zhǎng)度變化量。

表1 康銅絲電阻變化與伸長(zhǎng)量關(guān)系擬合參數(shù)Table 1Fitting parameters of resistance and length of constantan wires

2 應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)試電路

用于檢測(cè)動(dòng)態(tài)電阻變化的常用方法包括直流電橋［8］和脈沖恒流源［9－10］。直流電橋常用于檢測(cè)微小電阻變化量，一般要與放大器配合使用。此處選用脈沖恒流源技術(shù)，圖3為其電路示意圖。

脈沖恒流源在工作時(shí)間范圍內(nèi)輸出恒定電流I0，RL為應(yīng)變絲初始電阻，△RL為應(yīng)變絲電阻變化量，當(dāng)應(yīng)變絲電阻未發(fā)生變化時(shí)，電路輸出電壓Ux為：

應(yīng)變絲電阻變化時(shí)，電路輸出電壓的變化量為△Ux：

由此可得：

即電阻變化量正比于電路輸出電壓的變化量。

2.2 應(yīng)變絲的固定

設(shè)計(jì)了如圖4（a）所示的雙槽型應(yīng)變絲固定工裝，該工裝由硬塑料加工。將應(yīng)變絲固定工裝粘貼在容器表面，然后在容器表面待測(cè)位置環(huán)面敷設(shè)一層塑料絕緣膜，單根應(yīng)變絲對(duì)折成雙股，一端固定在雙槽中間的凸起處，應(yīng)變絲繞容器壁一周，施加一定的預(yù)緊力，然后用302型改性丙烯酸酯膠黏劑固定在工裝的槽內(nèi)，如圖4（b）所示。同時(shí)，在應(yīng)變絲、塑料絕緣膜和容器之間均勻涂抹302型膠黏劑，確保三者牢固粘接。圖4（c）為安裝完成后的整體狀態(tài)

應(yīng)變絲固定工裝尺寸為15mm×10mm×3mm，質(zhì)量?jī)H0.42g，其作用在于將應(yīng)變絲自身粘接成環(huán)狀，靠預(yù)緊力固定于容器表面，測(cè)量過(guò)程中不需要保證固定工裝與容器緊密粘接，這樣也避免了徑向應(yīng)力波的剝離作用給測(cè)量帶來(lái)困難。

3 測(cè)量性能分析

應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)主要針對(duì)柱形爆炸容器的環(huán)向平均應(yīng)變測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)容器局部變形的測(cè)量。同時(shí)，對(duì)于容器的非對(duì)稱環(huán)向變形，應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)無(wú)法反映其真實(shí)變形歷程。這是應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)的局限性所在。

下面，假定容器發(fā)生周向?qū)ΨQ變形，對(duì)應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力進(jìn)行分析。本文中選用康銅應(yīng)變絲的直徑d＝0.4mm，取其中的彈性波速c1＝3 500m／s，塑料絕緣膜為厚度δ＝0.1mm的聚氯乙烯膜，取其中的彈性波速c2＝2 300m／s?？紤]應(yīng)力波在應(yīng)變絲和聚氯乙烯膜中來(lái)回反射3～4次后才達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡，可得測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間約為：

可見(jiàn)，應(yīng)變絲的直徑越大，聚氯乙烯膜的厚度越大，應(yīng)變絲測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間越長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力越差。而常見(jiàn)爆炸容器的上升時(shí)間在100μs量級(jí)以上，所以應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)可以很好地滿足該動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求。

4 典型實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

在內(nèi)直徑100mm、長(zhǎng)600mm、壁厚6mm的鋼筒內(nèi)進(jìn)行120g TNT當(dāng)量的爆炸實(shí)驗(yàn)，炸藥球由有機(jī)玻璃架固定于鋼筒中心，經(jīng)300mm柔爆索與起爆雷管連接。在鋼筒爆心環(huán)面及左、右距爆心環(huán)面約10mm的三個(gè)環(huán)面對(duì)應(yīng)布設(shè)1、2、3三路應(yīng)變絲，利用固定工裝和302型改性丙烯酸酯膠黏劑固定。測(cè)試系統(tǒng)時(shí)序關(guān)系為：在雷管上安裝等離子體電探針，雷管爆炸時(shí)，電探針輸出信號(hào)觸發(fā)脈沖恒流源給應(yīng)變絲供電，電路輸出負(fù)極性脈沖自觸發(fā)示波器采集信號(hào)。

在正式爆炸實(shí)驗(yàn)前，利用剪刀剪斷電探針頭部，可以模擬雷管爆炸對(duì)電探針的導(dǎo)通作用，測(cè)試系統(tǒng)輸出沒(méi)有應(yīng)變變化的基準(zhǔn)波形，多次模擬實(shí)驗(yàn)的輸出波形在時(shí)間特性和幅值特性上均完全一致，測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)工作的穩(wěn)定性很高，為數(shù)據(jù)處理奠定了基礎(chǔ)，圖5為典型波形。由圖5可見(jiàn)，在應(yīng)變絲電阻沒(méi)有發(fā)生變化的情況下，輸出電壓仍存在輕微下降，可見(jiàn)恒流源輸出電流并不是絕對(duì)恒定。圖6為爆炸實(shí)驗(yàn)輸出信號(hào)原始波形，在圖5負(fù)向平臺(tái)的基礎(chǔ)上疊加了由電阻變化引起的電壓變化。圖6和圖5對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電壓差與圖5的電壓對(duì)應(yīng)相除即可得到電壓變化量，電壓變化量即電阻變化量，由標(biāo)定擬合的函數(shù)關(guān)系可以解算出應(yīng)變絲的長(zhǎng)度變化，由此得到鋼筒的變形歷程，如圖7所示。這種數(shù)據(jù)處理方法無(wú)需精確測(cè)定應(yīng)變絲的初始電阻，也無(wú)需要求恒流源電流的絕對(duì)恒定，但對(duì)恒流源和觸發(fā)系統(tǒng)重復(fù)工作的穩(wěn)定性要求較高。

由圖7可見(jiàn)，應(yīng)變已達(dá)到最大變形的平臺(tái)期，1、2、3三路應(yīng)變絲所測(cè)得的最大形變量分別為21.1%、20.6%和18.1%，爆后實(shí)測(cè)筒壁變形分別為21.5%、21.4%和20.3%，兩者的相對(duì)誤差分別為1.86%、3.74%和10.84%。應(yīng)變絲測(cè)量結(jié)果和爆后實(shí)測(cè)結(jié)果均出現(xiàn)了1、2兩路變形相對(duì)第3路較大的現(xiàn)象，這表明炸藥球的安裝位置與三路應(yīng)變絲并未呈對(duì)稱關(guān)系，而是偏向了第2路，即偏向爆心環(huán)面左側(cè)。另外，第3路應(yīng)變絲所測(cè)結(jié)果幅度較小，卻最先失效。這可能是由于應(yīng)變絲自身缺陷所導(dǎo)致的，應(yīng)變絲粗細(xì)不均會(huì)導(dǎo)致徑縮過(guò)早出現(xiàn)，斷裂失效也會(huì)提前出現(xiàn)。同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變絲電阻與伸長(zhǎng)量關(guān)系發(fā)生變化，這也解釋了第3路測(cè)量結(jié)果偏差較大的現(xiàn)象。

圖8 為鋼筒爆心環(huán)面處應(yīng)變絲測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，兩者的上升時(shí)間較為接近，但應(yīng)變絲的測(cè)量結(jié)果偏小。該誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1）炸藥球的安裝誤差，即炸藥球的安裝位置偏向了爆心環(huán)面左側(cè)，導(dǎo)致應(yīng)變絲測(cè)量結(jié)果偏?。唬?）應(yīng)變絲電阻變化與伸長(zhǎng)量關(guān)系的標(biāo)定誤差，包括光柵尺的測(cè)量誤差、電阻測(cè)試儀的測(cè)量誤差以及應(yīng)變絲在拉伸工裝上的安裝誤差等；（3）應(yīng)變絲固定工裝的影響誤差，即固定工裝的體積效應(yīng)和變形效應(yīng)帶來(lái)的誤差；（4）應(yīng)變絲的人為安裝誤差，包括應(yīng)變絲纏繞角度、預(yù)緊力施加的不同所帶來(lái)的誤差等。

目前，在爆炸容器設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)研究中，獲取容器動(dòng)態(tài)周向大變形歷程較為困難，而變形歷程對(duì)于數(shù)值模擬的校準(zhǔn)以及容器的設(shè)計(jì)都有重要的參考價(jià)值。因此，上述測(cè)量結(jié)果的最大價(jià)值不在于給出了變形的最大值，而在于變形的全時(shí)間歷程。

5 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了應(yīng)變絲標(biāo)定裝置，精確標(biāo)定了應(yīng)變絲電阻變化與伸長(zhǎng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并按過(guò)原點(diǎn)的二次函數(shù)完成了擬合，為應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)；

（2）設(shè)計(jì)了應(yīng)變絲安裝工藝及配套的恒流源測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)了用于柱形爆炸容器周向大變形歷程測(cè)量的應(yīng)變絲技術(shù)，并對(duì)應(yīng)變絲測(cè)量技術(shù)的測(cè)量性能進(jìn)行了分析，可得測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間約為1.1μs；

（3）為了驗(yàn)證應(yīng)變絲技術(shù)的可行性，利用鋼筒模擬爆炸容器開展了爆炸實(shí)驗(yàn)，獲得了鋼筒不同位置的周向變形歷程，變形峰值分別為21.1%、20.6%和18.1%，測(cè)量效果良好。

（4）本文開發(fā)的應(yīng)變絲技術(shù)，用于測(cè)量柱形爆炸容器周向大變形，可以測(cè)量最大平均值超過(guò)20%的大變形，并且可以獲得容器的整個(gè)變形歷程，對(duì)爆炸容器動(dòng)力學(xué)研究有重要的實(shí)用意義。

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Strain wire measurement technique used in calibrating circumferential large deformation of cylindrical explosion vessels

Li Jin，Xiong Chen，Zhang Dezhi，Ma Yanjun，Li Yunliang，Qin Xuejun

（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，Shaanxi，China）

In the present work we developed a strain wire measurement technique that can be used to measure the dynamic deformation process of cylindrical explosion vessels.The strain wires，compactly fixed along the circumference of the explosion vessels，extended synchronously when the vessels deformed due to the wires’good ductility.Coupled to appropriate circuitry，the resistance profiles of the alloy wires were measured to determine the dynamic deformation process of the explosion vessels.A 120g TNT spherical high explosive experiment was performed in a cylindrical steel shell.The circumferential deformation curve of the shell was obtained，the peak value of which exceeded by 20%.The result of the strain wires measurement accorded with both the simulation result and the deformation data from the cylindrical steel shell experiment.

cylindrical explosion vessel；dynamic large deformation；strain；strain wire

O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－0976－06

2016－04－12；

2017－01－12

李 進(jìn)（1985— ），男，博士研究生，工程師，lijin＠nint.ac.cn。

（責(zé)任編輯 曾月蓉）