最新基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置及系统的制作方法

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本发明属于高速水射流载荷实验技术领域,具体涉及基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置及系统。



背景技术:

水中兵器近场水下爆炸条件下舰船结构可能出现破口,舰艇内部的设备和结构在水下爆炸冲击波及爆轰产物驱动的水流高速冲击下会产生严重的破坏,因此开展高速水射流冲击载荷的研究很有必要。

高速水射流载荷前期的水锤载荷具有脉宽极短,峰值极高等特点,对压力传感器有着很高的技术指标要求:传感器必须具有极高的频率响应、极短的响应时间、极大的量程和极高的采样率,当前常用的压电式、压阻式壁压传感器难以满足高速水射流载荷的测量。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供可以生成高速冲击靶板壁面的水射流,并且实现高速水射流冲击壁面形成冲击载荷的精确测量的一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现:包括高速水射流发生装置和霍普金森杆载荷测量装置;所述的霍普金森杆载荷测量装置包括安装筒和靶板;所述的安装筒下端与靶板上端连接;所述的靶板上开设有通孔;所述的安装筒内部设有霍普金森杆测量元件,在安装筒上端设有尾封板,在尾封板上开设有凹槽;所述的霍普金森杆测量元件两侧对称安装有一对应变片,霍普金森杆测量元件的测量端穿过靶板上的通孔与靶板齐平,霍普金森杆测量元件的上端与尾封板开设的凹槽接触;所述的高速水射流发生装置包括射流发生管和安装平台;所述的安装平台与靶板之间通过平台定位柱连接,在安装平台上设有与靶板上的通孔位置对应的安装孔;所述的射流发生管上端穿过安装平台的安装孔,在射流发生管下端设有尾封盖,在尾封盖开有导线孔;所述的射流发生管内部下端设有装药,装药的起爆导线通过尾封盖的导线孔引出。

本发明还可以包括:

所述的安装筒与靶板之间通过连接底座连接;所述的连接底座上端与安装筒下端连接,连接底座下端与靶板上端连接,在连接底座上开设有通孔;所述的连接底座与靶板之间夹放有连接底座密封圈,在连接底座和靶板的通孔处设有霍普金森杆测量元件密封圈;所述的霍普金森杆测量元件的测量端依次穿过连接底座的通孔、霍普金森杆测量元件密封圈和靶板上的通孔。

本发明的目的还在于提供一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量系统。

本发明的目的通过如下技术方案实现:包括基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置、水箱、实验支架、高速摄像机、光源和数据采集设备;所述的水箱设置在实验支架内部,在实验支架顶部设有安装筒定位平板;所述的高速摄像机和光源放置在水箱两侧;所述的基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置包括高速水射流发生装置和霍普金森杆载荷测量装置;所述的霍普金森杆载荷测量装置包括安装筒和靶板;所述的安装筒下端与靶板上端连接;所述的靶板上开设有通孔;所述的安装筒内部设有霍普金森杆测量元件,在安装筒上端设有尾封板,在尾封板上开设有凹槽;所述的霍普金森杆测量元件两侧对称安装有一对应变片,霍普金森杆测量元件的测量端穿过靶板上的通孔与靶板齐平,霍普金森杆测量元件的上端与尾封板开设的凹槽接触;所述的高速水射流发生装置包括射流发生管和安装平台;所述的安装平台与靶板之间通过平台定位柱连接,在安装平台上设有与靶板上的通孔位置对应的安装孔;所述的射流发生管上端穿过安装平台的安装孔,在射流发生管下端设有尾封盖,在尾封盖开有导线孔;所述的射流发生管内部下端设有装药,装药的起爆导线通过尾封盖的导线孔引出;所述的安装筒通过夹具固定在安装筒定位平板上;所述的高速水射流发生装置设置在水箱中,水箱内部注水高度高于射流发生管上端。

本发明还可以包括:

所述的安装筒与靶板之间通过连接底座连接;所述的连接底座上端与安装筒下端连接,连接底座下端与靶板上端连接,在连接底座上开设有通孔;所述的连接底座与靶板之间夹放有连接底座密封圈,在连接底座和靶板的通孔处设有霍普金森杆测量元件密封圈;所述的霍普金森杆测量元件的测量端依次穿过连接底座的通孔、霍普金森杆测量元件密封圈和靶板上的通孔。

本发明的有益效果在于:

本发明设计了一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置及系统,主要用于生成高速冲击靶板壁面的水射流并测量射流高速冲击载荷。本发明的高速水射流发生装置可以稳定安全生成高速水射流;霍普金森杆测量元件的轴向、径向定位夹持装置,确保了霍普金森杆测量元件在安装、调试和测量阶段的精确稳定定位。本发明以霍普金森杆作为测量元件实现了高速水射流冲击壁面的冲击载荷的精确测量,霍普金森杆测量元件加工材料为合金钢或铝合金,加工方便、成本极低、强度高、量程大,满足高速冲击水射流载荷的精确测量。

附图说明

图1为一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置的示意图。

图2为另一种角度的一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置的示意图。

图3为一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置的主视图。

图4为本发明的高速水射流发生装置的示意图。

图5为安装筒与连接底座和靶板之间连接方式的示意图。

图6为安装筒与连接底座和靶板之间连接方式的剖面图。

图7为本发明的霍普金森杆载荷测量装置的示意图。

图8为一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供了一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置及系统,主要用于生成高速冲击靶板壁面的水射流并测量射流高速冲击载荷。本发明包括用于生成高速冲击靶板804的水射流的高速水射流发生装置7;用于测量高速水射流冲击靶板804形成的冲击载荷的霍普金森杆载荷测量装置8;在霍普金森杆测量元件801安装、调试、实验中实现霍普金森杆测量元件801轴向和周向的精确稳定定位的霍普金森杆安装定位装置9。

如图1至图6所示,一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置,包括高速水射流发生装置7和霍普金森杆载荷测量装置8;所述的霍普金森杆载荷测量装置包括安装筒802和靶板804;所述的安装筒下端与靶板上端连接;所述的靶板上开设有通孔;所述的安装筒内部设有霍普金森杆测量元件801,在安装筒上端设有尾封板905,在尾封板上开设有凹槽;所述的霍普金森杆测量元件两侧对称安装有一对应变片807,霍普金森杆测量元件的测量端穿过靶板上的通孔与靶板齐平,霍普金森杆测量元件的上端与尾封板开设的凹槽接触;所述的高速水射流发生装置包括射流发生管701和安装平台704;所述的安装平台与靶板之间通过平台定位柱703连接,在安装平台上设有与靶板上的通孔位置对应的安装孔;所述的射流发生管上端穿过安装平台的安装孔,在射流发生管下端设有尾封盖702,在尾封盖开有导线孔;所述的射流发生管内部下端设有装药,装药的起爆导线通过尾封盖的导线孔引出。

所述的安装筒与靶板之间通过连接底座803连接;所述的连接底座上端与安装筒下端连接,连接底座下端与靶板上端连接,在连接底座上开设有通孔;所述的连接底座与靶板之间夹放有连接底座密封圈805,在连接底座和靶板的通孔处设有霍普金森杆测量元件密封圈806;所述的霍普金森杆测量元件的测量端依次穿过连接底座的通孔、霍普金森杆测量元件密封圈和靶板上的通孔。

如图8所示,一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量系统,包括基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置1、水箱2、实验支架3、高速摄像机4、光源5和数据采集设备6;所述的水箱设置在实验支架内部,在实验支架顶部设有安装筒定位平板901;所述的高速摄像机和光源放置在水箱两侧;所述的基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置包括高速水射流发生装置和霍普金森杆载荷测量装置;所述的霍普金森杆载荷测量装置包括安装筒和靶板;所述的安装筒下端与靶板上端连接;所述的靶板上开设有通孔;所述的安装筒内部设有霍普金森杆测量元件,在安装筒上端设有尾封板,在尾封板上开设有凹槽;所述的霍普金森杆测量元件两侧对称安装有一对应变片,霍普金森杆测量元件的测量端穿过靶板上的通孔与靶板齐平,霍普金森杆测量元件的上端与尾封板开设的凹槽接触;所述的高速水射流发生装置包括射流发生管和安装平台;所述的安装平台与靶板之间通过平台定位柱连接,在安装平台上设有与靶板上的通孔位置对应的安装孔;所述的射流发生管上端穿过安装平台的安装孔,在射流发生管下端设有尾封盖,在尾封盖开有导线孔;所述的射流发生管内部下端设有装药,装药的起爆导线通过尾封盖的导线孔引出;所述的安装筒通过夹具固定在安装筒定位平板上;所述的高速水射流发生装置设置在水箱中,水箱内部注水高度高于射流发生管上端;所述的安装筒与靶板之间通过连接底座连接;所述的连接底座上端与安装筒下端连接,连接底座下端与靶板上端连接,在连接底座上开设有通孔;所述的连接底座与靶板之间夹放有连接底座密封圈,在连接底座和靶板的通孔处设有霍普金森杆测量元件密封圈;所述的霍普金森杆测量元件的测量端依次穿过连接底座的通孔、霍普金森杆测量元件密封圈和靶板上的通孔。

实施例1:

高速水射流发生装置7主要由射流发生管701、射流发生管尾封盖702、射流发生管安装平台704、平台定位柱703和平台安装螺栓螺母705组成。射流发生管701上端以螺纹连接的形式安装至射流发生管安装平台704对应的螺纹孔中,射流发生管尾封盖702以螺纹连接的形式安装至射流发射管701下端。微量装药置于射流发射管下端,装药起爆导线由射流发生管尾封盖702开设的小孔引出,由于射流发射管尾封盖702开孔的存在,射流管内部与水箱中的水相连通。射流发生管安装平台704、平台定位柱703和靶板804开设通孔,螺栓705通过三者的通孔,实现射流发生管701的定位安装。实验中,射流发生管701顶端略低于水箱水面,微量装药引爆后,爆轰产物驱动射流发射管701内储存的水高速喷出射流发射管701上端,形成速度极高、形态稳定的水射流。

霍普金森杆载荷测量装置8由霍普金森杆测量元件801、霍普金森杆测量元件安装筒802、连接底座803、靶板804、连接底座密封圈805、霍普金森杆测量元件密封圈806和应变片807组成。霍普金森杆测量元件801穿过连接底座803中心的通孔和霍普金森杆测量元件密封圈806同轴安装于霍普金森杆测量元件安装筒802中,一对应变片807对称粘贴在霍普金森杆测量元件801两侧。连接底座803以螺栓连接的方式安装在霍普金森杆测量元件安装筒802下端,靶板804以螺栓连接的形式连接至连接底座803上,连接底座803与靶板804之间夹放连接底座密封圈805,霍普金森杆测量元件801测量端与靶板804齐平。

高速水射流冲击靶板804平面会生成峰值极高,脉宽极短的水锤载荷和后续的峰值较低、持续时间很长的水动力载荷。水锤载荷加载到霍普金森杆测量元件801端面,霍普金森杆测量元件801内部形成一维纵波,对称粘贴于霍普金森杆测量元件801靠近靶板804处的应变片807记录下应变片粘贴处的时间-应变曲线,进而可以得到加载到靶板804处的高速水射流冲击靶板804的水锤载荷和水动力载荷的时间-载荷曲线。

霍普金森杆安装定位装置9由霍普金森杆测量元件安装筒802、安装筒定位平板901、安装筒夹具a903、安装筒夹具b902、霍普金森杆定轴螺栓904、安装筒尾封板905组成。安装筒夹具a903以螺栓连接的方式固定在安装筒定位平板901上,霍普金森杆测量元件安装筒802穿过定位平板901中心的圆形开口,安装筒夹具b902以螺栓连接的方式固定在安装筒夹具a903上,实现霍普金森杆测量元件安装筒802与定位平板901圆形开口的同轴定位,霍普金森杆定轴螺栓904穿过霍普金森杆测量元件安装筒802圆周开设的4个通孔,螺栓顶端与霍普金森杆测量元件801相切,实现霍普金森杆测量元件801的周向定位,安装筒尾封板905以螺栓连接的形式安装至霍普金森杆测量元件安装筒802上部,霍普金森杆测量元件801上端与安装筒尾封板905开设的凹槽接触,实现霍普金森杆测量元件801的轴向定位安装。

如图8所示,安装筒定位平板901以螺栓连接的形式固定在框架式实验支架3顶层平台,高透光率玻璃制作的水箱2放置在框架式实验支架3第二层平台,高速摄像机4和直流电光源5放置在玻璃水箱2两侧,直流电光源5为高速摄像机4采集光学影像提供稳定的背景光照。数据采集系统6包括应变仪、数据采集接口、示波器、计算机等设备,控制冲击载荷和光学影像的采集。

本发明的特点和优势在于:

本发明设计的高速水射流发生装置可以稳定安全生成高速水射流;以霍普金森杆作为测量元件实现了高速水射流冲击壁面的冲击载荷的精确测量;本发明设计了霍普金森杆测量元件的轴向、径向定位夹持装置,确保了霍普金森杆测量元件在安装、调试和测量阶段的精确稳定定位;霍普金森杆测量元件加工材料为合金钢或铝合金,加工方便、成本极低、强度高、量程大,满足高速冲击水射流载荷的精确测量。

本发明设计的基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量系统的实验操作流程如下:

(1)在图5所述的实验环境下根据图1至图4对高速水射流发生和载荷测量装置1进行装配,将实验装置上的安装筒定位平板901以螺栓连接的形式固定在框架式实验支架3顶层平台,水箱2放置在框架式实验支架3第二层平台,水箱注水高度稍稍高于射流发生管701出水口。

(2)调节直流电光源5的位置;调整高速摄像机4的拍摄参数,镜头轴心高度,使得镜头轴心高度、光源高度稍高于在水面和靶板804之间,确保高速摄像机4可以捕获高速水射流喷出、冲击靶板804的完整光学影像。

(3)将微当量爆源装入射流发生管701底部,起爆导线由射流发生管尾封盖开设的小孔引出,连接至起爆设备。

(4)对数据采集设备6和高速摄像机4进行联调,确保同步触发系统正常工作。

(5)同步触发微量装药爆源、高速摄像机4和数据采集设备5,爆源爆炸后爆轰产物驱动射流发射管701中的水,生成高速水射流冲击靶板804,数据采集设备6记录下高速水射流冲击靶板804的水锤载荷和后期稳定的水动力载荷,高速摄像机4记录下高速水射流冲击靶板的光学影像。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征:

1.一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置,其特征在于:包括高速水射流发生装置和霍普金森杆载荷测量装置;所述的霍普金森杆载荷测量装置包括安装筒和靶板;所述的安装筒下端与靶板上端连接;所述的靶板上开设有通孔;所述的安装筒内部设有霍普金森杆测量元件,在安装筒上端设有尾封板,在尾封板上开设有凹槽;所述的霍普金森杆测量元件两侧对称安装有一对应变片,霍普金森杆测量元件的测量端穿过靶板上的通孔与靶板齐平,霍普金森杆测量元件的上端与尾封板开设的凹槽接触;所述的高速水射流发生装置包括射流发生管和安装平台;所述的安装平台与靶板之间通过平台定位柱连接,在安装平台上设有与靶板上的通孔位置对应的安装孔;所述的射流发生管上端穿过安装平台的安装孔,在射流发生管下端设有尾封盖,在尾封盖开有导线孔;所述的射流发生管内部下端设有装药,装药的起爆导线通过尾封盖的导线孔引出。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置,其特征在于:所述的安装筒与靶板之间通过连接底座连接;所述的连接底座上端与安装筒下端连接,连接底座下端与靶板上端连接,在连接底座上开设有通孔;所述的连接底座与靶板之间夹放有连接底座密封圈,在连接底座和靶板的通孔处设有霍普金森杆测量元件密封圈;所述的霍普金森杆测量元件的测量端依次穿过连接底座的通孔、霍普金森杆测量元件密封圈和靶板上的通孔。

3.一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量系统,其特征在于:包括基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置、水箱、实验支架、高速摄像机、光源和数据采集设备;所述的水箱设置在实验支架内部,在实验支架顶部设有安装筒定位平板;所述的高速摄像机和光源放置在水箱两侧;所述的基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置包括高速水射流发生装置和霍普金森杆载荷测量装置;所述的霍普金森杆载荷测量装置包括安装筒和靶板;所述的安装筒下端与靶板上端连接;所述的靶板上开设有通孔;所述的安装筒内部设有霍普金森杆测量元件,在安装筒上端设有尾封板,在尾封板上开设有凹槽;所述的霍普金森杆测量元件两侧对称安装有一对应变片,霍普金森杆测量元件的测量端穿过靶板上的通孔与靶板齐平,霍普金森杆测量元件的上端与尾封板开设的凹槽接触;所述的高速水射流发生装置包括射流发生管和安装平台;所述的安装平台与靶板之间通过平台定位柱连接,在安装平台上设有与靶板上的通孔位置对应的安装孔;所述的射流发生管上端穿过安装平台的安装孔,在射流发生管下端设有尾封盖,在尾封盖开有导线孔;所述的射流发生管内部下端设有装药,装药的起爆导线通过尾封盖的导线孔引出;所述的安装筒通过夹具固定在安装筒定位平板上;所述的高速水射流发生装置设置在水箱中,水箱内部注水高度高于射流发生管上端。

4.根据权利要求3所述的一种基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量系统,其特征在于:所述的安装筒与靶板之间通过连接底座连接;所述的连接底座上端与安装筒下端连接,连接底座下端与靶板上端连接,在连接底座上开设有通孔;所述的连接底座与靶板之间夹放有连接底座密封圈,在连接底座和靶板的通孔处设有霍普金森杆测量元件密封圈;所述的霍普金森杆测量元件的测量端依次穿过连接底座的通孔、霍普金森杆测量元件密封圈和靶板上的通孔。

技术总结
本发明属于高速水射流载荷实验技术领域,具体涉及基于霍普金森杆的高速水射流发生和载荷测量装置及系统。本发明的高速水射流发生装置可以稳定安全生成高速水射流,霍普金森杆测量元件的轴向、径向定位夹持装置确保了霍普金森杆测量元件在安装、调试和测量阶段的精确稳定定位。本发明以霍普金森杆作为测量元件实现了高速水射流冲击壁面的冲击载荷的精确测量,霍普金森杆测量元件加工材料为合金钢或铝合金,加工方便、成本极低、强度高、量程大,满足高速冲击水射流载荷的精确测量。本发明主要用于生成高速冲击靶板壁面的水射流并测量射流高速冲击载荷。

技术研发人员:姚熊亮;苏标;陈莹玉;崔雄伟;李光亮;甘宁;马春龙
受保护的技术使用者:哈尔滨工程大学
技术研发日:2020.03.21
技术公布日:2020.06.26

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