爆炸力學實驗技術

爆炸力學實驗技術 (experimental techniques in mechanics of explosion) 研究爆炸現象的發生、發展規律和爆炸的力學效應的實驗技術，主要包括高釋能率源的產生方法和爆炸過程中參量的測量方法。

基本介紹

• 中文名：爆炸力學實驗技術
• 外文名：experimental techniques in mechanics of explosion
• 介紹：研究爆炸現象的發生、發展規律等
• 方法：採用機械蓄能系統
• 測試技術：光測技術，電測技術
• 類型：技術

簡介

爆炸力學實驗技術是爆炸力學的研究手段。爆炸具有短時、單次和強脈衝的特點，常伴隨著煙霧、塵粒和光電輻射等干擾並且引起電網波動，加上爆炸現場與測試地點相距數十米至數千米，要如實地採集到如此複雜環境下的瞬變信號是有很大困難的。因此，爆炸過程的監測技術與一般常規測量方法有很大的不同。

高釋能率源的產生方法

通常最簡單的方法是採用機械蓄能系統,例如擺錘、落錘和旋轉飛輪式或凸輪式的衝擊實驗裝置，使預先蓄存的勢能或動能在與試件碰撞的瞬間釋放出來，這種方式所產生的壓力為1GPa（10Pa）以下，衝擊速度一般不超過10m/s，主要用於研究應變率在10～10s範圍內材料的變形行為。 碰撞速度更高時，必須考慮設備和試件本身的慣性效應。一種典型的實驗裝置是分離式霍普金森壓桿。這種裝置把試件置於兩根彈性長桿中間，利用另外一根衝擊桿或炸藥直接作用於彈性桿使之產生應力波。在分離式霍普金森壓桿的基礎上，發展出一系列測定壓縮、拉伸、剪下、扭轉、高低溫和側向預加靜水壓力等霍普金森桿實驗裝置。這些裝置產生的衝擊速度一般小於100 m/s, 應變率在10～10 s之間,主要用於研究材料中的應變率效應和應力波在介質中的傳播規律。但是，對於桿的碰撞實驗方法，由於試件處於無約束狀態，不可能達到很高的壓力,通常均在1GPa以下。要獲得動態超高壓須直接套用平面波發生器或用平面波發生器、輕氣炮、高壓放電等技術驅動飛片進行碰撞（見動態超高壓技術）。此外，利用雷射或其他脈衝輻射的能量沉積可在試件中產生更高的壓力。目前利用炸藥或輕氣炮可以產生微秒量級1太帕（10帕）以下的動態高壓；利用高壓放電和輻射能量沉積的方法則可得到納秒（10秒）量級、10太帕和100太帕以下的超高壓。

參量測量方法

爆炸或高速碰撞現象中各種力學參量可用電子技術、光學技術或其他物理方法進行測量。

參量測量 　爆炸力學參量的測量可以分為時間和速度的測量，壓力和應力的測量，變形和應變的測量和溫度的測量四個方面：

①時間和速度測量　測量內容包括各種彈丸和飛片的飛行速度，不同介質中的衝擊波（即激波）速度、粒子速度或自由表面運動速度,炸藥的爆轟和燃燒速度,物體的位移速度，固體裂紋的傳播速度，以及金屬射流的侵徹速度（見終點彈道學）等。測量方法絕大多數採用電探針法和光探針法。電探針法是一種成熟而實用的方法，電探針的構造多種多樣，其回響時間都在納秒量級。採集裝置多用電子計數式測時儀，時間解析度可達10納秒。光探針法是用高速攝影機拍攝物體的表面運動或激波到達時產生的光強變化，有閃光隙法、平面鏡反射法、傾斜鏡反射法、刀刃反射法和光學槓桿反射法等。這些光學方法多是通過對底片的分析獲得數據的，時間解析度通常受高速攝影機的限制。除上述電探針法和光探針法外，還有變電阻法、電容法、電磁法、變磁阻法、光柵法和光導纖維法等多種測速方法。這些方法所獲得的輸出信號是連續變化的模擬信號，因而可測出連續的速度變化過程。此外，還有一種脈衝X射線陰影照相法,可拍攝物體內部的變化過程，例如金屬中射流的侵徹過程等。

②壓力和應力測量　測量內容包括不同承載物上的壓力歷程，流體中的激波，固體中的應力波以及炸藥中的爆轟波。目前多數採用各種壓力感測器作為檢測元件。以應變片受載後電阻值發生變化為原理的應變式壓力感測器雖頻響較低（約在40千赫以下），但性能穩定可靠。以壓電電荷效應為原理的晶體壓力感測器頻響可達數百千赫以上，量程也可達 100MPa以上，但使用不太方便。短路電流法晶體應力計的反應快，可用來檢測材料中變化時間為納秒量級的應力波。以壓阻效應為原理的矽半導體壓力感測器,體積小,頻響可高達1兆赫以上,近年來發展很快。薄片狀的錳銅壓阻感測器和碳膜壓阻感測器回響非常快，前者可用於對30GPa以下應力的檢測。此外用紋影照相法、全息干涉法和動態光彈性法拍攝透明流體中的激波和固體中的應力波可獲得波的圖像。

③變形和應變測量　多數採用電阻應變片為敏感元件，可得的最大應變值約在百分之一以內。但是如果檢測快速瞬變現象，對所用的應變片及其測試線路的頻響要求高，一般的動態電阻應變儀有時不能滿足，必須採用超動態電阻應變測量系統,後者的頻響可達1兆赫。由於貼片技術的限制，動態應變測量的精度很難高於5%。動態光彈性法、雲紋法、散斑干涉法和全息干涉法都可以記錄應變或變形場的變化。

④溫度測量　主要是測量在衝擊載荷作用下的物體表面或內部溫度。在衝擊載荷的作用下，物體溫度可達數百或上千攝氏度,溫度上升時間可小於1微秒。溫度測量大多採用快速回響的溫差電偶作檢測元件，也有用光學方法測量表面溫度的。由於在測點上同時還會產生很大的高應變率的應變和壓力梯度，會影響感測器，產生假信號，並與溫度信號混在一起，必須用實驗或分析的方法排除這些影響。

爆炸力學領域很廣，涉及的測量內容也是多方面的。工程爆破是在野外進行的，測量距離遠，環境複雜，所測參量如藥室的壓力、地表的運動、地震波強度和空氣衝擊波壓力對感測器和測試儀器頻響要求較低。化學炸藥爆炸和核爆炸實驗也是野外實驗，爆炸時會產生很強的電磁輻射，給測量帶來困難。這類實驗中經常要測量的是空氣衝擊波壓力隨時間的變化。爆炸加工測量多在廠房內或野外進行，距離在數十米內。不同的加工工藝要測試不同的參量。如爆炸成型要測量爆炸載荷的壓力、模具的應變、靶板的位移和零件的變形速度等。野外水下爆炸測量多在船上進行，風浪、潮濕和顛簸給測量工作帶來很大不便。船用電源的波動、電纜的顫動效應以及對引線和感測器的高絕緣要求都值得注意。水下爆炸經常測試水中激波和壓力波隨時間的變化。材料在高速碰撞條件下的各種性能的測量是在不同的實驗設備上進行的，主要測量碰撞速度，碰撞的傾斜度（兩平板試件碰撞時碰撞面之間的傾斜角），材料中的應力和應變隨時間的變化，激波速度，粒子速度或自由表面運動速度等。

測試技術

爆炸力學的測試技術主要分光測技術和電測技術兩類。

在光測技術中，由於套用了雷射，出現了許多測試方法。如測量物體運動速度的遮斷法、反射法和干涉法等。其中干涉法類型很多，有邁克耳孫法、延遲臂法、微分法和法布里－珀羅法等。利用雷射為光源的紋影法、散斑干涉法和全息干涉法，用於測量固體的應力、應變場和流體的流場。在光測時，記錄快速過程的設備主要是快速光電器件和高速攝影機。光電倍增管和雪崩式光電倍增管頻響可分別達到1000兆赫和 100兆赫。常用的轉鏡式高速攝影機拍攝速度可達每秒數百萬張，變象管高速攝影機甚至可達1000萬張。分幅攝影、條紋攝影和立體攝影等在測量中有不同的用途。雷射技術的進一步套用將給光測技術帶來新的突破。

電測系統的原理如圖所示。電子示波器是採集快速單次現象的通用設備。電子示波器要有一定的頻響和放大倍數，特別是要有足夠的記錄速度，目前最快的已達10米/秒。 記憶示波器可以把單次現象凍結在螢光屏上，便於記錄和分析。示波器顯示的波形用照相的方法記錄在底片上，然後進行分析，所以所得結果的精度不會很高。波形存貯器是一種更適於採集單次現象的數位化儀器。它把模擬輸入量數位化後存入存貯器中，而後再以各種方式回放出來。如果與電子計算機聯接直接進行數據處理，就組成了一套完整的數據採集和處理系統。目前取樣時間最短可達 10納秒/碼(1碼等於0.9144米)。

電測系統原理方框圖

參考資料

· 1．第八屆全國爆炸力學學術會議會議紀要．

· 2. R．A．Graham and J．R．Asay．Measurement of Wave Profiles in Shockloaded Solids，High Temperature-High Pressure，Vol．10，pp．355～390，1978．