使用霍普金森压杆进行爆炸载荷量化

本实验的总体目标是精确测量靠近炸药装药所产生的极端恶劣环境中压力的空间和时间分布。该方法有助于回答爆炸防护工程领域中的关键问题，例如施加载荷的确切形式，以及炸药类型和形状等因素如何影响施加载荷。该技术的主要优势在于，能够记录超出传统测量方法极限的压力值。

尽管该方法可为自由空气爆炸提供研究依据，也可应用于其他事件，例如埋地或水下炸药爆炸。我们最初使用单个霍普金森压杆对该方法进行了试验，随后意识到需要一个大型阵列才能准确捕获数据。首先，利用软件分析（例如 ConWep）计算测试框架布置将产生的近似最大冲量。

对于埋置炸药的情况，该过程较为复杂，因为需要采用更先进的数值技术来模拟土壤、炸药与靶板之间的相互作用。试验框架和载荷传感器的制作细节分别在文本方案中提供。选择应变片在霍普金森压杆上的粘贴位置，应尽可能靠近受载面，以最小化波的弥散效应。

在此装置中，由于靶板的厚度以及安装杆件所需的灵活性，导致传感器安装位置距离受载面 250 毫米。为捕捉该事件所需计算的杆件半径在此情况下为 5 毫米。应采用尽可能高的空间分辨率布置杆件，同时确保不损害结构完整性。

在此情况下，距离为 25 毫米。更多细节详见文本方案。首先，使用氰基丙烯酸盐将半导体应变片粘附到霍普金森压杆上，然后连接到载荷传感器上。

根据需要使用载荷传感器将目标板安装到刚性反应架上。确保所有电缆均良好接地，以提高信号质量。电缆长度还必须足以连接到爆炸区域外的示波器。

任何屏蔽线都应能传输足够的信号。现在，将霍普金森压杆悬挂在杆组件接收器上。将加载端穿过靶板上的正确孔位，并将霍普金森压杆通过拧在其远端的螺母自由悬挂。

使用水平仪调节螺母，使杆件垂直，并使其端面与目标板齐平。然后通过反复试验调节调理电路中可变电阻器的微调，使电压保持在示波器的量程范围内。根据放大器箱报告的结果，将每个通道的不平衡读数调零。

接下来，将放大后的测量仪输出信号连接至合适的数字示波器。将示波器设置为 1.56 兆赫的采样频率，记录时长为 28.7 毫秒，并将触发前时长设为 3.3 毫秒。总共应连接 22 个测量仪，其中 17 个来自霍普金森压杆，4 个来自测力传感器，另 1 个为断丝信号。

记录每个传感器的电压和时间。当断路丝中的电压超过设定的窗口值（例如正负100毫伏）时，启动记录。在进行自由空气炸药测试时，使用一根细木条将炸药悬挂在靶板下方，保持正确的 standoff 距离，本例中为200毫米。

将炸药电荷与测量阵列同轴放置，以确保获得有效的读数。埋地炸药试验的关键环节在于土壤床的准备和埋设过程。必须做到精确操作，以确保获得可重复的实验结果。

接下来，关闭射程区域。部署哨兵，确保射击过程中射程区域安全。在起爆自由空气装药前，将断路导线连接至雷管，并从装药底部将电雷管插入装药一半深度。

现在，前往发射点并确认仪器设备正常运行。然后，为断路导线供电。此时，务必与哨兵确认发射操作环境安全，方可进行发射。

然后，启动炸药。爆炸后，确保测试区域安全，并下载和备份数据。目前，一方面正在编写描述该阶段所需步骤的实验方案，另一方面也正在提供一个成熟的 Matlab 脚本，以便使用精确的方法快速完成数据处理。

通过双击文件名，然后在导入向导中点击“完成”，将原始数据文件中的数据导入 Matlab。接着，打开插值 Matlab 脚本。在代码的网格化部分，通过修改网格来定义插值运算所使用的规则网格。

在未来的任何数值模拟中使用相同的分辨率。这一关键步骤将离散数据转换为二维图谱。该脚本将对所有霍普金森压杆压力时程曲线进行时间平移。

需要进行时间偏移，以便插值程序能够在任意给定时间成功定位激波前沿。接下来，对每个径向阵列的数据进行对齐，使所有最大压力值同步。然后，计算网格上某关注点的半径 r 和角度 beta。

对当前半径感兴趣点最近的两个霍普金森压杆阵列应用一维插值。例如，在45度时，插值将使用X、X和Y、Y阵列。然后，根据角度对两个压力之间的线性关系进行插值。

例如，在 45 度时，使用 50%X、X 和 50%Y、Y。然后，基于冲击到达时间的三次插值，对每个位置的压力-时间历程进行时间偏移。最终得到一个完全插值后的压力-时间历程。设计了一个能够承受数百牛顿·秒冲击且变形极小的有效刚性反力架，该反力架采用一块 100 毫米厚的低碳钢靶板。

该框架经受住了高达500牛顿·秒的测试。单次测试使用了17根霍普金森压杆，以二维阵列方式布置，压杆长度为3.25米，半径为5毫米，间距设置为25毫米。

进行此测试时，应变计安装在距加载面0.25米处。埋设于饱和土壤中的炸药被引爆。来自四个径向阵列的数据均以一个位于中心的霍普金森压杆为共同参考，图中清晰显示了冲击波前，且压力随径向距离增加而缓慢衰减。

随后将记录的压力时间历程输入二维插值程序进行处理。插值结果显示，作用在靶板上的压力冲击波波前到达时间延迟了20毫秒。冲击波波前是指冲击波从炸药至靶板之间传播所需的时间。

在 0.22 毫秒时，加载的非对称性尤为明显。爆炸后 0.3 毫秒时，激波前沿在所有轴向上几乎已呈对称分布。装置调试完成后，每天最多可进行六次自由空气试验。

由于制备土壤的复杂性增加，使用埋藏炸药进行测试时，该数量大大减少。这是首次实现如此高分辨率的测量。因此，我们现在能够测量因测试几何形状变化而导致的加载形式差异。

所开发的数值方法为可视化载荷提供了一种非常强大的手段，随后可将该载荷直接应用于数值模型中，作为模拟结构对爆炸 detonation 响应的第一步。当前试验产生的数据为下一代数值模型提供了独特的验证依据，有助于加深我们对该问题的理解，并提升抵御爆炸冲击的能力。