李 進，熊 琛，張德志，馬艷軍，李運良，秦學軍

用于柱形爆炸容器周向大變形歷程測量的應變絲技術＊

李 進，熊 琛，張德志，馬艷軍，李運良，秦學軍

（西北核技術研究所，陜西 西安710024）

為了測量柱形爆炸容器的動態(tài)周向大變形歷程，開發(fā)了應變絲測量技術。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)動合金絲同步伸長，配合適當?shù)碾娐?，檢測合金絲的電阻變化，從而獲得容器的變形歷程。在鋼筒的中心進行了120g TNT當量球形裝藥下的爆炸加載實驗，獲得了峰值超過20%的鋼筒周向變形歷程。測量結(jié)果與實驗后鋼筒變形實測結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

柱形容器；動態(tài)大變形；應變；應變絲

應變測量是材料性能分析［1］、結(jié)構設計和安全監(jiān)測［2－3］等工作的重要依據(jù)。目前，測量柱形爆炸容器變形的主要手段有：在容器表面粘貼應變片對容器的動態(tài)變形進行測量［4］；利用高速相機對容器的變形進行連續(xù)拍照［5］，進而得到容器的變形情況；利用激光多普勒效應測量容器的徑向變形［6］；利用電探針測量容器的動態(tài)變形過程［7］。

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

應變絲技術的基本原理為：選用電阻變化率與伸長率性能穩(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)動合金絲同步伸長，配合適當?shù)碾娐?，檢測合金絲的電阻變化，進而獲得容器的變形歷程。

1 應變絲電阻變化與伸長量關系的標定

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

測試獲得了規(guī)格為?0.2mm、?0.3mm和?0.4mm的漆包康銅絲的電阻變化與伸長量的關系，每種規(guī)格測試了2～3個樣品，如圖2所示。由圖2可見，三種規(guī)格7個試樣的電阻變化與伸長量關系非常一致，對7組數(shù)據(jù)按過原點的二次函數(shù)擬合，結(jié)果如表1所示。其中，a為擬合式中一次項系數(shù)，b為二次項系數(shù)?？紤]安裝固定時對強度的要求，爆炸實驗選定使用?0.4mm漆包康銅絲，電阻變化與伸長量的關系為：

式中：RL為合金絲電阻值，ΔRL為合金絲電阻變化量，L0為合金絲長度，ΔL為合金絲長度變化量。

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

2 應變絲測量技術的實現(xiàn)

2.1 測試電路

用于檢測動態(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，圖3為其電路示意圖。

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

應變絲電阻變化時，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 應變絲的固定

設計了如圖4（a）所示的雙槽型應變絲固定工裝，該工裝由硬塑料加工。將應變絲固定工裝粘貼在容器表面，然后在容器表面待測位置環(huán)面敷設一層塑料絕緣膜，單根應變絲對折成雙股，一端固定在雙槽中間的凸起處，應變絲繞容器壁一周，施加一定的預緊力，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，在應變絲、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)

應變絲固定工裝尺寸為15mm×10mm×3mm，質(zhì)量僅0.42g，其作用在于將應變絲自身粘接成環(huán)狀，靠預緊力固定于容器表面，測量過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力波的剝離作用給測量帶來困難。

3 測量性能分析

應變絲測量技術主要針對柱形爆炸容器的環(huán)向平均應變測量，無法實現(xiàn)容器局部變形的測量。同時，對于容器的非對稱環(huán)向變形，應變絲測量技術無法反映其真實變形歷程。這是應變絲測量技術的局限性所在。

下面，假定容器發(fā)生周向?qū)ΨQ變形，對應變絲測量技術的動態(tài)響應能力進行分析。本文中選用康銅應變絲的直徑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]應力波在應變絲和聚氯乙烯膜中來回反射3～4次后才達到動力學平衡，可得測量系統(tǒng)的上升時間約為：

可見，應變絲的直徑越大，聚氯乙烯膜的厚度越大，應變絲測量系統(tǒng)的上升時間越長，動態(tài)響應能力越差。而常見爆炸容器的上升時間在100μs量級以上，所以應變絲測量技術可以很好地滿足該動態(tài)響應需求。

4 典型實驗及數(shù)據(jù)處理

在內(nèi)直徑100mm、長600mm、壁厚6mm的鋼筒內(nèi)進行120g TNT當量的爆炸實驗，炸藥球由有機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的三個環(huán)面對應布設1、2、3三路應變絲，利用固定工裝和302型改性丙烯酸酯膠黏劑固定。測試系統(tǒng)時序關系為：在雷管上安裝等離子體電探針，雷管爆炸時，電探針輸出信號觸發(fā)脈沖恒流源給應變絲供電，電路輸出負極性脈沖自觸發(fā)示波器采集信號。

在正式爆炸實驗前，利用剪刀剪斷電探針頭部，可以模擬雷管爆炸對電探針的導通作用，測試系統(tǒng)輸出沒有應變變化的基準波形，多次模擬實驗的輸出波形在時間特性和幅值特性上均完全一致，測試系統(tǒng)重復工作的穩(wěn)定性很高，為數(shù)據(jù)處理奠定了基礎，圖5為典型波形。由圖5可見，在應變絲電阻沒有發(fā)生變化的情況下，輸出電壓仍存在輕微下降，可見恒流源輸出電流并不是絕對恒定。圖6為爆炸實驗輸出信號原始波形，在圖5負向平臺的基礎上疊加了由電阻變化引起的電壓變化。圖6和圖5對應時刻的電壓差與圖5的電壓對應相除即可得到電壓變化量，電壓變化量即電阻變化量，由標定擬合的函數(shù)關系可以解算出應變絲的長度變化，由此得到鋼筒的變形歷程，如圖7所示。這種數(shù)據(jù)處理方法無需精確測定應變絲的初始電阻，也無需要求恒流源電流的絕對恒定，但對恒流源和觸發(fā)系統(tǒng)重復工作的穩(wěn)定性要求較高。

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

圖8 為鋼筒爆心環(huán)面處應變絲測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比，兩者的上升時間較為接近，但應變絲的測量結(jié)果偏小。該誤差主要來源于以下幾個方面：（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)，導致應變絲測量結(jié)果偏??；（2）應變絲電阻變化與伸長量關系的標定誤差，包括光柵尺的測量誤差、電阻測試儀的測量誤差以及應變絲在拉伸工裝上的安裝誤差等；（3）應變絲固定工裝的影響誤差，即固定工裝的體積效應和變形效應帶來的誤差；（4）應變絲的人為安裝誤差，包括應變絲纏繞角度、預緊力施加的不同所帶來的誤差等。

目前，在爆炸容器設計及其動力學研究中，獲取容器動態(tài)周向大變形歷程較為困難，而變形歷程對于數(shù)值模擬的校準以及容器的設計都有重要的參考價值。因此，上述測量結(jié)果的最大價值不在于給出了變形的最大值，而在于變形的全時間歷程。

5 結(jié) 論

（1）設計了應變絲標定裝置，精確標定了應變絲電阻變化與伸長量的對應關系，并按過原點的二次函數(shù)完成了擬合，為應變絲測量技術的實現(xiàn)奠定了基礎；

（2）設計了應變絲安裝工藝及配套的恒流源測量電路，實現(xiàn)了用于柱形爆炸容器周向大變形歷程測量的應變絲技術，并對應變絲測量技術的測量性能進行了分析，可得測量系統(tǒng)的上升時間約為1.1μs；

（3）為了驗證應變絲技術的可行性，利用鋼筒模擬爆炸容器開展了爆炸實驗，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%，測量效果良好。

（4）本文開發(fā)的應變絲技術，用于測量柱形爆炸容器周向大變形，可以測量最大平均值超過20%的大變形，并且可以獲得容器的整個變形歷程，對爆炸容器動力學研究有重要的實用意義。

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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 國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－0976－06

2016－04－12；

2017－01－12

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

（責任編輯 曾月蓉）