一種測量材料抗爆炸沖擊性能的系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種測量材料抗爆炸沖擊性能的系統及方法，屬于測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 爆炸領域比較特殊，爆炸條件復雜、惡劣，而且在爆炸和沖擊過程中，結構變形劇 烈而復雜，其變形在時間上是一個強烈的非線性過程，在空間上是一個嚴重的非均勻分布 場，研究爆炸條件下材料的變形破壞行為存在一定的困難，而爆炸條件下材料與結構的變 形破壞一直是爆炸力學領域的重點和難點。目前，傳統的測量方法有很大的局限性，如基于 應變片的電測法和反射面速度干涉儀（VISAR)方法等都只能得到一點或多點的變形信息， 無法獲得被測表面的全場變形，難以深入、全面了解材料和結構的動態變形過程。
[0003] 爆炸沖擊實驗作為一種基本的動態加載實驗手段，是研究結構爆炸沖擊響應的重 要方法，被廣泛應用于爆炸防護實驗研究。傳統的爆炸加載方法（例如水下爆炸，外場空氣 爆炸）等因為爆炸過程所產生的沖擊波、高溫和有害的爆炸產物會對環境造成一定的污染 和破壞，需要復雜的環境防護裝置且實驗費用昂貴。而模擬爆炸加載條件的激波管等裝置 雖然可以一定程度上模擬爆炸沖擊波對樣品的加載作用，但是卻無法完全的再現爆炸過程 的所有反應過程（如爆炸升溫，爆轟產物等）。用于爆炸合成的爆炸罐等封閉爆炸裝置雖然 能很好的解決以上問題，但是其主要用于工業生產，對條件和炸藥位置的控制不夠精確，不 利于科研研究和實驗室實驗。
[0004] 數字圖像相關方法（簡稱DIC)是一種新興的光力學測量技術，該方法主要用于測 量加載作用下觀測對象表面的變形場，它具有非接觸性、全場測量、光路簡單、可用白光光 源、不易受外界影響、對隔振條件要求較低、測量范圍和精度可根據需要調整、數據處理自 動化程度高等優點。DIC方法的主體思想是在上個世紀80年代由日本I Yamaguchi和美 國南卡羅萊納州（South Carolina)大學的Peter和Ranson等人同時獨立提出的。Sutton 等根據這種思想發展出了相應的數值算法，發展成了現在熟知的二維數字圖像相關方法 (2D DIC)方法，很多學者也利用這種方法在多領域展開了大量的研究工作。但是，傳統的 2D DIC方法只能測量物體表面的面內位移，一些學者對DIC方法進行了改進能夠得到離面 位移數據，但是這些改進方法都或多或少有一些缺陷，不能算是真正的三維測量。90年代， Luo和Sutton等人利用一對相機從不同角度對被測物體表面成像，首次把雙目立體視覺原 理和DIC方法相結合測得了物體表面的三維形貌及變形場。Chao等將計算機視覺理論與 2D DIC相結合，實現了對曲面的三維位移測量，推動了 DIC在3D變形場測量中的發展。隨 后Sutton等又提出了新的相機標定方法，簡化了標定過程，使三位數字圖像相關（3D DIC) 方法日趨成熟。近年來，基于3D DIC方法的研究大都是靜態或準靜態加載下材料和結構的 變形場測量。而在動態加載條件尤其是爆炸加載條件下的高速變形與破壞過程仍存在環境 惡劣、存在危險性、速度較快難以捕捉、運動物體存在殘影等技術和實驗難題，但是隨著高 速相機的發展，捕捉爆炸或沖擊等動態加載條件下的高速變形場圖像數據成為可能。
【發明內容】
[0005] 針對傳統測量材料抗爆炸沖擊性能的方法只能對爆炸過程中動態變形樣品表面 一點或多點進行測量記錄，無法得到全場變形信息；以及傳統測量方法適用范圍狹隘、操作 環境要求過高，同時改變爆炸加載強度控制困難、加載條件復雜多變的問題，本發明的目的 之一是提供一種測量材料抗爆炸沖擊性能的系統，所述系統適用于研究不同強度載荷加載 條件下的梯度實驗；本發明的目的之二是提供一種測量材料抗爆炸沖擊性能的系統的實 現方法，所述方法測量條件要求簡單，非接觸能保證安全，并且對于動態過程的測量精度較 高，可以捕捉整個爆炸過程中的被測物表面全場變形信息。
[0006] 本發明的目的由以下技術方案實現：
[0007] -種測量材料抗爆炸沖擊性能的系統，所述系統主要包括爆炸加載裝置、同步觸 發器、照明裝置、高速相機和計算機采集終端；
[0008] 其中，所述爆炸加載裝置包括爆炸容器、可拆卸底座、和炸藥固定結構；所述爆炸 容器為兩端開口的圓柱形結構，在爆炸容器的筒壁上加工有兩個以上的通孔；爆炸容器頂 端的圓周面上加工有與法蘭蓋相互配合的環形凸臺；底端加工有與可拆卸底座相互配合的 環形底盤；所述炸藥固定結構由一根支撐桿和一個圓環形的裝藥托盤組成；所述裝藥托盤 用于裝載炸藥和電雷管；
[0009] 所述高速相機的個數為兩臺；所述照明裝置為兩套以上；
[0010] 所述同步觸發器具有上升沿的脈沖電信號，其輸出信號為5伏TTL ;
[0011] 整體連接關系：
[0012] 所述可拆卸底座與爆炸容器上的環形底盤固連，將爆炸容器的底端封閉；所述法 蘭蓋與爆炸容器上的環形凸臺固連，并將待測樣品固定在爆炸容器的頂端；所述炸藥固定 結構的支撐桿通過爆炸容器筒壁上的通孔與爆炸容器固連，所述裝藥托盤與法蘭蓋同軸； 所述同步發射器通過同軸電纜分別與所述裝藥托盤上的電雷管和兩臺串聯的高速相機連 接；所述高速相機通過千兆網線與計算機采集終端連接；兩臺高速相機拍攝方向之間夾角 α為15°~30°，且視場與待測樣品表面重合；兩套以上的照明裝置均勻分布在待測樣品 兩側。
[0013] 進一步的，所述測量材料抗爆炸沖擊性能的系統無可拆卸底座。
[0014] 工作原理：利用兩臺同步觸發的高速相機記錄待測樣品在爆炸加載下完整的動態 變形過程，結合三維數字圖像相關方法對變形過程數據進行處理得到待測樣品表面的三維 位移、速度和二維應變場分布信息，裝藥托盤到待測樣品距離固定，使用空氣中炸藥爆炸壓 力峰值的經驗公式對使用炸藥所產生的壓力峰值和沖量進行估算，以此測量在爆炸加載條 件下待測樣品不發生破壞的臨界當量、臨界峰值和沖量；通過比較分析相同加載條件下變 形過程中待測樣品表面特征點和特征線的瞬態最大離面位移、瞬態最大離面速度，瞬態最 大主應變以及變形結束以后的終態撓度和主應變，判斷預估待測樣品在給定爆炸加載條件 下的變形能力好壞和抗爆吸能效果。
[0015]
[0016] 經驗公式： LiN 丄UtatiSLiyLi λ rVJ ?/α }j\
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[0019] 其中，P1JP P \分別為入射超壓和反射超壓，單位為MPa ;I 1為入射沖量，單位為 Pa *s ;Z為比例距離，單位為m/kg1/3;W為裝藥質量，單位為kg ;R為爆距，單位為m。本公式 是針對于TNT炸藥來進行估算的，如果使用其他炸藥需要把炸藥換算成等效TNT當量來進 行計算。例如，RDX炸藥在計算封頭超壓時，裝藥質量應以1.22XW進行換算，而在計算封 頭沖量時，裝藥質量應以1.22XW進行換算。
[0020] -種如本發明所述的一種測量材料抗爆炸沖擊性能的系統的實現方法，所述方法 具體步驟如下：
[0021] (1)對待測樣品進行去除油污并打磨處理后，在待測樣品的表面噴涂一層厚度 < 0.1 mm的底漆，干燥，在底漆表面制作隨機分布的散斑點，得到散斑場；
[0022] 其中，所述待測樣品為圓形薄板結構，直徑應為200_，厚度為0. 5~IOmm ;所述底 漆和散斑點的顏色不同；所述散斑點直徑在高速相機視場內的大小為5個像素；
[0023] 所述干燥優選自然晾干；
[0024] (2)