爆炸力学实验技术

研究爆炸现象的发生、发展规律和爆炸的力学效应的实验技术

爆炸力学实验技术 (experimental techniques in mechanics of explosion) 研究爆炸现象的发生、发展规律和爆炸的力学效应的实验技术，主要包括高释能率源的产生方法和爆炸过程中参量的测量方法。

简介

爆炸力学实验技术是爆炸力学的研究手段。爆炸具有短时、单次和强脉冲的特点，常伴随着烟雾、尘粒和光电辐射等干扰并且引起电网波动，加上爆炸现场与测试地点相距数十米至数千米，要如实地采集到如此复杂环境下的瞬变信号是有很大困难的。因此，爆炸过程的监测技术与一般常规测量方法有很大的不同。

高释能率源的产生方法

通常最简单的方法是采用机械蓄能系统,例如摆锤、落锤和旋转飞轮式或凸轮式的冲击实验装置，使预先蓄存的势能或动能在与试件碰撞的瞬间释放出来，这种方式所产生的压力为1GPa（10Pa）以下，冲击速度一般不超过10m/s，主要用于研究应变率在10～10s范围内材料的变形行为。碰撞速度更高时，必须考虑设备和试件本身的惯性效应。一种典型的实验装置是分离式霍普金森压杆。这种装置把试件置于两根弹性长杆中间，利用另外一根冲击杆或炸药直接作用于弹性杆使之产生应力波。在分离式霍普金森压杆的基础上，发展出一系列测定压缩、拉伸、剪切、扭转、高低温和侧向预加静水压力等霍普金森杆实验装置。这些装置产生的冲击速度一般小于100 m/s, 应变率在10～10 s之间,主要用于研究材料中的应变率效应和应力波在介质中的传播规律。但是，对于杆的碰撞实验方法，由于试件处于无约束状态，不可能达到很高的压力,通常均在1GPa以下。要获得动态超高压须直接应用平面波发生器或用平面波发生器、轻气炮、高压放电等技术驱动飞片进行碰撞（见动态超高压技术）。此外，利用激光或其他脉冲辐射的能量沉积可在试件中产生更高的压力。目前利用炸药或轻气炮可以产生微秒量级1太帕（10帕）以下的动态高压；利用高压放电和辐射能量沉积的方法则可得到纳秒（10秒）量级、10太帕和100太帕以下的超高压。

参量测量方法

爆炸或高速碰撞现象中各种力学参量可用电子技术、光学技术或其他物理方法进行测量。

参量测量　爆炸力学参量的测量可以分为时间和速度的测量，压力和应力的测量，变形和应变的测量和温度的测量四个方面：

①时间和速度测量　测量内容包括各种弹丸和飞片的飞行速度，不同介质中的冲击波（即激波）速度、粒子速度或自由表面运动速度,炸药的爆轰和燃烧速度,物体的位移速度，固体裂纹的传播速度，以及金属射流的侵彻速度（见终点弹道学）等。测量方法绝大多数采用电探针法和光探针法。电探针法是一种成熟而实用的方法，电探针的构造多种多样，其响应时间都在纳秒量级。采集装置多用电子计数式测时仪，时间分辨率可达10纳秒。光探针法是用高速摄影机拍摄物体的表面运动或激波到达时产生的光强变化，有闪光隙法、平面镜反射法、倾斜镜反射法、刀刃反射法和光学杠杆反射法等。这些光学方法多是通过对底片的分析获得数据的，时间分辨率通常受高速摄影机的限制。除上述电探针法和光探针法外，还有变电阻法、电容法、电磁法、变磁阻法、光栅法和光导纤维法等多种测速方法。这些方法所获得的输出信号是连续变化的模拟信号，因而可测出连续的速度变化过程。此外，还有一种脉冲X射线阴影照相法,可拍摄物体内部的变化过程，例如金属中射流的侵彻过程等。

②压力和应力测量　测量内容包括不同承载物上的压力历程，流体中的激波，固体中的应力波以及炸药中的爆轰波。目前多数采用各种压力传感器作为检测元件。以应变片受载后电阻值发生变化为原理的应变式压力传感器虽频响较低（约在40千赫以下），但性能稳定可靠。以压电电荷效应为原理的晶体压力传感器频响可达数百千赫以上，量程也可达 100MPa以上，但使用不太方便。短路电流法晶体应力计的反应快，可用来检测材料中变化时间为纳秒量级的应力波。以压阻效应为原理的硅半导体压力传感器,体积小,频响可高达1兆赫以上,近年来发展很快。薄片状的锰铜压阻传感器和碳膜压阻传感器响应非常快，前者可用于对30GPa以下应力的检测。此外用纹影照相法、全息干涉法和动态光弹性法拍摄透明流体中的激波和固体中的应力波可获得波的图像。

③变形和应变测量　多数采用电阻应变片为敏感元件，可得的最大应变值约在百分之一以内。但是如果检测快速瞬变现象，对所用的应变片及其测试线路的频响要求高，一般的动态电阻应变仪有时不能满足，必须采用超动态电阻应变测量系统,后者的频响可达1兆赫。由于贴片技术的限制，动态应变测量的精度很难高于5%。动态光弹性法、云纹法、散斑干涉法和全息干涉法都可以记录应变或变形场的变化。

④温度测量　主要是测量在冲击载荷作用下的物体表面或内部温度。在冲击载荷的作用下，物体温度可达数百或上千摄氏度,温度上升时间可小于1微秒。温度测量大多采用快速响应的温差电偶作检测元件，也有用光学方法测量表面温度的。由于在测点上同时还会产生很大的高应变率的应变和压力梯度，会影响传感器，产生假信号，并与温度信号混在一起，必须用实验或分析的方法排除这些影响。

爆炸力学领域很广，涉及的测量内容也是多方面的。工程爆破是在野外进行的，测量距离远，环境复杂，所测参量如药室的压力、地表的运动、地震波强度和空气冲击波压力对传感器和测试仪器频响要求较低。化学炸药爆炸和核爆炸实验也是野外实验，爆炸时会产生很强的电磁辐射，给测量带来困难。这类实验中经常要测量的是空气冲击波压力随时间的变化。爆炸加工测量多在厂房内或野外进行，距离在数十米内。不同的加工工艺要测试不同的参量。如爆炸成型要测量爆炸载荷的压力、模具的应变、靶板的位移和零件的变形速度等。野外水下爆炸测量多在船上进行，风浪、潮湿和颠簸给测量工作带来很大不便。船用电源的波动、电缆的颤动效应以及对引线和传感器的高绝缘要求都值得注意。水下爆炸经常测试水中激波和压力波随时间的变化。材料在高速碰撞条件下的各种性能的测量是在不同的实验设备上进行的，主要测量碰撞速度，碰撞的倾斜度（两平板试件碰撞时碰撞面之间的倾斜角），材料中的应力和应变随时间的变化，激波速度，粒子速度或自由表面运动速度等。

测试技术

爆炸力学的测试技术主要分光测技术和电测技术两类。

在光测技术中，由于应用了激光，出现了许多测试方法。如测量物体运动速度的遮断法、反射法和干涉法等。其中干涉法类型很多，有迈克耳孙法、延迟臂法、微分法和法布里－珀罗法等。利用激光为光源的纹影法、散斑干涉法和全息干涉法，用于测量固体的应力、应变场和流体的流场。在光测时，记录快速过程的设备主要是快速光电器件和高速摄影机。光电倍增管和雪崩式光电倍增管频响可分别达到1000兆赫和 100兆赫。常用的转镜式高速摄影机拍摄速度可达每秒数百万张，变象管高速摄影机甚至可达1000万张。分幅摄影、条纹摄影和立体摄影等在测量中有不同的用途。激光技术的进一步应用将给光测技术带来新的突破。

电测系统的原理如图所示。电子示波器是采集快速单次现象的通用设备。电子示波器要有一定的频响和放大倍数，特别是要有足够的记录速度，目前最快的已达10米/秒。记忆示波器可以把单次现象冻结在荧光屏上，便于记录和分析。示波器显示的波形用照相的方法记录在底片上，然后进行分析，所以所得结果的精度不会很高。波形存贮器是一种更适于采集单次现象的数字化仪器。它把模拟输入量数字化后存入存贮器中，而后再以各种方式回放出来。如果与电子计算机联接直接进行数据处理，就组成了一套完整的数据采集和处理系统。目前取样时间最短可达 10纳秒/码(1码等于0.9144米)。

参考资料

· 1．第八届全国爆炸力学学术会议会议纪要．

· 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．

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