[0001] 本发明涉及力学冲击性能测试技术，尤其涉及一种加载装置及加载方法。

[0002] 在航空航天、交通、船舶乃至兵器等领域，常常需要测试某种系统的结构体及其装载部件在高过载环境作用下性能参数的变化，尤其是高过载环境下的安全性和可靠性。这需要进行相关实验，但若是根据真实情况及条件来进行结构级实验，通常会耗费极大的人力、物力和财力，而且效率极低，因此实际情况中多采用模拟试验的方式来进行。目前常用的高过载模拟试验方法主要有跌落冲击试验方法、马歇特锤击试验方法、Hopkinson(霍普金森)杆试验以及空气炮模拟试验方法等。

[0003] 传统的Hopkinson杆实验方法的脉冲幅值的量级较大，通常能达到1×105g以上，持续时间较短，为几十个微秒量级；空气炮模拟试验方法的脉冲幅值与传统Hopkinson杆试5
验方法相比相对较低，通常为1×10g以下，但其持续时间与传统Hopkinson杆实验方法相比较长，为几百个微秒量级。传统Hopkinson杆实验方法主要用于小体积物体的冲击考核，而空气炮模拟试验方法可用于体积相对较大物体的考核。

[0004] 由于空气炮的口径尺寸限制，难以对尺寸大于空气炮口径的结构试样进行高G值加载，所以现有技术中通常只能够针对微小试样进行高G值加载实验，因此有必要提出改进的技术手段解决上述问题。

[0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

[0044] 根据本发明实施例提供了一种加载装置，能够用于大型结构试样在高过载下响应的实验装置。

[0045] 图1是根据本申请实施例的加载装置的示意图，即轴向的剖面的示意图。如图1所示，所述加载装置10从近端至远端依次包括：空气炮11、子弹12、弹托13、整形片14、垫块15、入射杆16、法兰盘17、加载放大器18、结构试样19，下面详细描述格部件的结构和连接关系。

[0046] 空气炮11呈圆管状，具有一定的长度。空气炮11内设置有子弹12和弹托13，空气炮11用于产生高压气体并将其中的子弹12从出口处发射出去，以撞击入射杆16。空气炮11包括近端和远端，即，子弹入口处为近端、子弹出口处为远端。

[0047] 需要说明，在图1中仅示出了空气炮11的一部分，即炮管的一部分，在本文的部分描述中所述空气炮即指空气炮的炮管。此外，在空气炮11的子弹入口处还依次设置有发射装置以及高压气室等装置(图中未示出)。高压气室用于储存高压空气，例如使用氦气、氮气等气体作为动力源，可以利用空气压缩机向高压气室内充入高压气体；发射装置用于释放高压气室储存的高压气体，从而产生发射弹托13和子弹12的动力。

[0048] 所述子弹12的形状为管状，其制造材料可为钛合金，其(轴向)长度例如可为2.5m，与所述入射杆16的材质相同，并使该子弹12与入射杆16的内外径尺寸相同，也就是说，子弹12与入射杆16在径向的截面积相同，以满足二者的波阻抗相同。由于材料的波阻抗等于该材料的密度、波速以及截面积三者的乘积，密度和波速是材料的固有属性，所以使所述子弹
12与入射杆16的材质及截面积相同，即可保证二者波阻抗相一致。

[0049] 在子弹13的外圆周表面设置有多个呈圆环状的弹托12，如图1所示，在子弹13的外圆周表面设置有2个弹托12。弹托12的内径与所述子弹12的外径相同，使弹托12能够紧密套设在子弹13的外表面，在子弹13被发射时，弹托12能够与子弹13共同运动。在本实施例中，弹托12的外径略小于空气炮11的内径，使弹托12与空气炮11之间紧密接触。当该弹托12随着子弹13装入空气炮11的内腔后，弹托12的外表面与空气炮11的内表面之间有0.5mm的间隙。在实际应用中，所述弹托13可采用聚四氟乙烯制成。

[0050] 图2为入射杆的示意图，即轴向的剖面的示意图。参考图2，所述入射杆16呈管状，其制造材料可为钛合金，即与子弹12和入射杆16的质相同。在一个实施例中，所述入射杆16的外径为150mm，内径为130mm，(轴向)长度为7m。当子弹12被空气炮11发射后，子弹12冲出炮管并撞击入射杆16，通过撞击传播应变脉冲信号。由于子弹12与所述入射杆16均呈管状(非实心)，由于管状物的截面积相比同外径的柱状物的截面积小，当两个管状的结构(子弹12和入射杆16)轴向撞击，在实际过程中可能会因不同轴，而导致两个环形截面之间的接触效果不是很好，在二者撞击过程中会使得撞击面不完全贴合。因此在本申请在入射杆16的近端(即朝向空气炮11的一端)连接一垫块15，以增加两个面接触的概率。具体地，在入射杆
16的近端的内圆周表面加工螺纹，用于与垫块15螺纹连接。

[0051] 图3为垫块的示意图，即轴向的剖面的示意图。参考图3，所述垫块15的外圆周表面为阶梯状，在垫块15小直径段的圆柱表面加工有与所述入射杆16连接的螺纹。形象的说，可将垫块15视为一个塞子，其将入射杆16近端的开口封闭。

[0052] 当子弹12被空气炮11发射后，子弹12撞击入射杆16，所述入射杆16内产生应变脉冲。为了产生半正弦应变脉冲或近似半正弦应变脉冲，需要对应变脉冲信号进行整形。在本实施例中，在垫块15的外端面上连接一整形片，所述整形片14的形状为偏平圆柱状，可采用无氧铜制成，将所述整形片14用粘贴在垫块15的外端面上，以便得到加速度信号以半正弦波的形式对结构试样进行加载。

[0053] 空气炮11的远端与入射杆16的近端相对，具体来说，空气炮11的远端与所述整形片14外端面之间有30mm至50mm的间距。当入射杆16被子弹撞击后，所述入射杆16内产生应变脉冲，且所述应变脉冲由入射杆16的近端至远端传播。

[0054] 继续参考图1，在入射杆16的远端连接有一加载放大器18，加载放大器18的另一端连接一结构试样19。也就是说，通过加载放大器18连接入射杆16和结构试样19，加载放大器18将入射杆16的应变脉冲传入结构试样19中，以对结构试样19进行加载。具体地，在入射杆
16的远端的外圆周表面加工螺纹，用于与法兰盘17螺纹连接，法兰盘17与加载放大器18连接。

[0055] 在本申请中，所述结构试样19为大型的结构试验件，结构试验件19的形状呈管状，其口径尺寸大于空气炮(以及入射杆)的口径尺寸。

[0056] 图4为加载放大器的示意图，即轴向的剖面的示意图。参考图4，加载放大器18呈圆台管状，也可形象的称为喇叭状。具体地，加载放大器18是一个内部为空心的管状物，其截面为圆环形状，其制造材料可为钛合金，其(轴向)长度例如可为3m。所述加载放大器18包括近端的第一端和远端的第二端，即第一端为窄口端、第二端为宽口端。参考图5A和图5B，在实施例中，加载放大器18的宽口端的截面积与窄口端的截面积相同，由于宽口端和窄口端的截面都呈圆环，即圆环的面积相同。如图4所示，加载放大器18的壁厚自窄口端至宽口端减薄或呈线性减薄，以使宽口端的截面积与窄口端的截面积相同。在本申请的另一实施例中，加载放大器18满足其每一个截面的面积都相同，也就是说，在加载放大器18窄口端至宽口端之间随便截取一个截面，该截面的面积与宽口端的截面积和窄口端的截面积都相同，在这种情况下，加载放大器18的壁厚自窄口端至宽口端可不为线性减薄。

[0057] 加载放大器18的窄口端与入射杆16的内外径相同，其宽口端与结构试样19的内外径相同。加载放大器18窄口端的端口处的外表面加工有螺纹，用于与法兰盘17螺纹连接。通过本申请的加载放大器，作为入射杆与大型结构试样之间的波传导媒介，能够将应变脉冲从尺寸较小的入射杆传入尺寸较大的结构试验件中。

[0058] 将空气炮11、入射杆16、放大器18和结构试验件19按顺序同轴布置，其中，入射杆16、放大器18和结构试验件19仅在其轴线方向具有自由度，即仅在轴线能够自由移动。

[0059] 在入射杆16内产生的近似于半正弦的压应变脉冲，沿入射杆轴向传播，进而通过所述放大器18传入结构试验件19。由于子弹、入射杆16和加载放大器三者的波阻抗一致，可实现在试验件中产生高幅值、长脉宽的半正弦加速度脉冲，从而对所述结构试验件19进行高G值加载。

[0060] 其中，所述入射杆被从所述空气炮中发射的所述子弹撞击，所述入射杆内产生应变脉冲，所述应变脉冲沿所述入射杆和所述加载放大器传入所述结构试样中，从而对所述结构试样进行加载。

[0061] 图6是根据本发明实施例的加载方法的流程图，如图6所示，该方法包括以下步骤：

[0062] 步骤S602，从近端至远端依次设置：空气炮、入射杆、法兰盘、加载放大器以及结构试样；其中，所述空气炮内设置有子弹；

[0063] 步骤S604，所述子弹从所述空气炮中被发射且撞击所述入射杆的近端，在所述入射杆内产生应变脉冲；

[0064] 步骤S606，所述应变脉冲通过所述入射杆内和所述加载放大器传入所述结构试样中，从而对所述结构试样进行加载。

[0065] 下面详细描述上述各处理的细节。

[0066] 步骤1：搭建加载装置。

[0067] 将空气炮、入射杆、放大器以及结构试验件按同轴顺序安装在实验台上，使得后三者仅在轴线方向能够自由移动，其中，所述入射杆和所述放大器通过法兰盘连接，垫块与所述入射杆螺纹连接，整形片同轴粘贴于所述垫块上；所述子弹装载于所述空气炮的炮筒内，将一个结构试样安装在所述放大器的宽口端，结构试样的一端与宽口端面接触。

[0068] 步骤2：安装加速度传感器以及粘贴应变片。

[0069] 将应变片分为两组，分别对称粘贴于所述入射杆和所述结构试样的外圆周表面上，每组应变片均包含有两片应变片，两组应变片的参数完全相同，应变片测量方向应与所贴入射杆和结构试验件的轴线方向相同。将所述应变片引线接入惠斯通电桥中。同时，所述的惠斯通电桥输出信号采用BNC数据线接入应力波信号采集系统中的超动态应变仪。将加速度传感器安装在结构试样的末端，并将加速度传感器引线接入加速度信号采集系统中的电荷放大器；所述超动态应变仪和所述电荷放大器的引线均接入检测示波器以及波形存贮器，再通过BNC数据线连接波形存贮器和计算机。

[0070] 步骤3：加载实验及数据采集。

[0071] 将所述子弹通过弹托装载入空气炮的炮筒内，通过压缩空气将子弹快速发射出炮筒，同轴撞击与所述入射杆一端相连接的垫块，通过粘贴于所述垫块上的整形片的整形，将会在入射杆内产生近似于半正弦的压应变脉冲，并沿入射杆轴向传播，进而通过所述放大器传入结构试验件，并对所述结构试验件进行高G值加载。

[0072] 应力波信号采集系统将惠斯通的桥臂电压变化记录并储存；加速度传感器将所测得的加速度信号通过所述电荷放大器放大后传入所述检测示波器和波形存贮器以及计算机中记录并储存。

[0073] 在上述加载过程中，由所述空气炮将所述子弹发射出，同轴撞击与所述入射杆一端相连接的所述垫块，将会在所述入射杆内产生压应变脉冲ε(t)，并沿入射杆纵向传播，进而通过所述放大器传入结构试验件中对其加载。通过所述整形片的整形，可以将加载脉冲整形近似于半正弦型的加速度脉冲。在所述入射杆和结构试验件表面粘贴应变片，用于测量其上的应力波信号。所述应变片与惠斯通电桥相连接，应变片中的应变信号转换为惠斯通电桥的桥臂电压变化，数据采集器通过信号线与惠斯通电桥连接，应力波信号采集系统将惠斯通电桥的桥臂电压变化记录并存储。所述放大器的设计需保证其波阻抗与所述入射杆的一致，以减小应力波信号的衰减。材料的波阻抗等于该材料的密度、波速以及截面积三者的乘积，密度和波速是材料的固有属性，所以使所述放大器与入射杆的材质及连接处的截面积相同，即可保持二者波阻抗一致。将加速度传感器安装在结构试验件的末端，当应变脉冲传至结构试验件与加速度传感器的界面时，如果加速度传感器的质量可忽略，由一维应力波理论可以得出界面质点的速度为：

[0074] v1(t)＝2cε(t)

[0075] 其中：c表示结构试验件的波速。

[0076] 界面质点的加速度为：

[0077] 如果被测传感器的灵敏度系数为S，电荷放大器的增益为K，输出的电压幅值为U，则加速度传感器所测到的加速度值为：

[0078] a2(t)＝U(t)/(SK)

[0079] 速度值为：

[0080]

[0081] 本发明的方法的操作步骤与装置的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。

[0082] 本申请将Hopkinson杆试验方式与空气炮模拟试验方式相结合，可实现在试验件中产生高幅值、长脉宽的半正弦加速度脉冲。本申请可实现对大型结构试验件的高G值、长脉冲加载试验模拟，例如对火箭壳体的高过载模拟。另外，相比于传统的火炮或爆炸近场模拟等方式，本申请具有重复性好、成本低、安全可靠、发射能源清洁等优点。

[0083] 本发明具有较强的通用性，通过更换不同尺寸的放大器，可以对多种尺寸的大型结构件进行试验，且其发射测试子弹的初始速度范围广，可调性好，能够发射多种形状，多种材质的子弹。

[0084] 本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0085] 以上所述仅为本发明的实施例而已，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权利要求范围之内。