專利名稱：一種高速粒子流動(dòng)量分布實(shí)時(shí)測(cè)量方法及測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速碰撞領(lǐng)域，具體地，涉及ー種高速粒子流動(dòng)量分布實(shí)時(shí)測(cè)量方法及測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
在超高速碰撞領(lǐng)域，彈丸/飛片與靶板高速撞擊產(chǎn)生的碎片云、微物質(zhì)噴射等，是材料動(dòng)高壓物理性質(zhì)、防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、武器內(nèi)爆過(guò)程的重要研究?jī)?nèi)容。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，例如燃燒過(guò)程中微顆粒對(duì)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高速侵徹，將顯著降低葉片的服役壽命。對(duì)高速粒子流(如碎片云、微噴物質(zhì))動(dòng)量分布的實(shí)時(shí)測(cè)量，在理論與實(shí)驗(yàn)研究等方面具有重要意義。其一，粒子流性態(tài)是研究高速撞擊等復(fù)雜過(guò)程中材料損傷破壞的基礎(chǔ)，如弾丸/靶 板高速撞擊產(chǎn)生的碎片云，蘊(yùn)涵著撞擊瞬間材料沖擊壓縮與破壞特性等信息；粒子流的動(dòng)量分布特性，也是研究高速粒子流對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)的基礎(chǔ)。其ニ，基于高速粒子流動(dòng)量分布的定量診斷技術(shù)，可以搭建高速粒子流實(shí)驗(yàn)發(fā)射平臺(tái)，例如實(shí)驗(yàn)?zāi)M碎片云/防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊破壞效應(yīng)，以及高速噴射顆粒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的侵徹破壞，等等。當(dāng)前對(duì)碎片云、微噴射物質(zhì)的診斷一般采用多幅閃光X光成像技術(shù)、激光全息技木，或軟回收試驗(yàn)。閃光X光成像技術(shù)與激光全息技術(shù)等是一種原位診斷技木，能夠?qū)崟r(shí)(多幅)描繪粒子流的分布輪廓與相對(duì)密度分布等，如美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用X_ray閃光照像獲得的碎片云瞬態(tài)形貌，中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所應(yīng)用激光明影照相技術(shù)獲得的碎片云瞬態(tài)形貌，以上技術(shù)給出碎片云分布的直觀圖像，但是一般難以給出粒子流動(dòng)量分布的定量信息，并且受X光光斑大小等局限，顆粒分辨能力一般局限在微米尺度以上。對(duì)高速粒子流(如碎片云)空間分布的實(shí)時(shí)定量診斷是ー項(xiàng)重要并具有挑戰(zhàn)性的工作。傳統(tǒng)測(cè)試方法應(yīng)用3-5毫米平板(驗(yàn)證靶)接收高速碎片云，通過(guò)獲取驗(yàn)證靶自由面的實(shí)時(shí)速度反演高速顆粒的動(dòng)量分布。嚴(yán)格地講，驗(yàn)證靶測(cè)試技術(shù)基于ー維平面應(yīng)變エ況設(shè)計(jì)，即僅適用于粒子流具有一維空間分布的特例；并且受驗(yàn)證靶(或窗ロ)厚度的局限，測(cè)試有效時(shí)間一般在幾個(gè)微秒以內(nèi)。對(duì)于具有ニ維以上空間分布的高速粒子流，該測(cè)試方法僅僅應(yīng)用于碎片云計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)校核，不能直接獲得高速粒子流的動(dòng)量空間分布信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供ー種高速粒子流動(dòng)量分布實(shí)時(shí)測(cè)量方法及測(cè)量裝置，該測(cè)量方法/測(cè)量裝置對(duì)碎片云、物質(zhì)噴射的動(dòng)量分布的定量測(cè)試，為高速粒子流的產(chǎn)生機(jī)理、材料力學(xué)模型研究等提供有效途徑。在工程應(yīng)用方面，對(duì)高速粒子流的量化表征，是開展粒子流/結(jié)構(gòu)材料高速撞擊效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，為結(jié)構(gòu)/材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)評(píng)估平臺(tái)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，包括測(cè)試裝置主體、接收器主體、速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備，測(cè)試裝置主體內(nèi)具有等直徑的運(yùn)動(dòng)腔道；接收器主體直徑與運(yùn)動(dòng)腔道相匹配并且置于運(yùn)動(dòng)腔道內(nèi)，在高速粒子流的作用下沿運(yùn)動(dòng)腔道軸向運(yùn)動(dòng)，接收器主體正對(duì)高速粒子流的端面設(shè)有鋁膜，另一端設(shè)有高阻抗薄膜；用于檢測(cè)和記錄接收器主體運(yùn)動(dòng)速度的速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備與測(cè)試裝置主體固定連接或分體連接。所述速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備由示波器和多普勒激光速度干涉儀組成，將多普勒激光速度干涉儀的光纖探頭固定于測(cè)試裝置主體的運(yùn)動(dòng)腔道內(nèi)，將高阻抗薄膜運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為激光干渉條紋并由示波器實(shí)時(shí)記錄。所述接收器主體為直徑1-4毫米、厚度1-2毫米的藍(lán)寶石單晶。所述高阻抗薄膜為聲阻抗接近于接收器主體材料的聲阻抗，厚度為亞微米的銅膜或銀膜。ー種高速粒子流動(dòng)量分布實(shí)時(shí)測(cè)量方法，包括下述步驟
1)在高速粒子流運(yùn)動(dòng)方向的前方設(shè)置至少上述的高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置的接收器主體具有鋁膜的一端正對(duì)高速粒子流，高速粒子流的動(dòng)量傳遞給接收器主體,使接收器主體產(chǎn)生連續(xù)的加速運(yùn)動(dòng)；
2)高阻抗薄膜的運(yùn)動(dòng)速度與接收器主體的運(yùn)動(dòng)速度一致，通過(guò)多普勒激光速度干涉儀將高阻抗薄膜運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為激光干涉條紋，由示波器實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到高阻抗薄膜的運(yùn)動(dòng)速度歷史，通過(guò)高阻抗薄膜的運(yùn)動(dòng)速度歷史反演高速粒子束流的瞬態(tài)動(dòng)量；通過(guò)空間多點(diǎn)分布的高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置進(jìn)行速度測(cè)量，確定高速粒子束流的空間動(dòng)量分布。上述的步驟2)中數(shù)據(jù)處理及反演高速粒子束流的瞬態(tài)動(dòng)量的方法為a、對(duì)處于一維應(yīng)カ彈性變形狀態(tài)的藍(lán)寶石接收器，應(yīng)用ー維差分流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，將三個(gè)流體動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)量守恒、材料線性本構(gòu)關(guān)系、質(zhì)量守恒進(jìn)行空間與時(shí)間的離散，
σ ( h - d h , t) = σ ( h , t) +P0 [ u ( h , t + dt) - u ( h , t - dt) ] d h/
(2dt)
ε ( h - d h , t) = σ ( h - d h , t) /E
u( h - d h , t) = u( h , t) + [ ε ( h , t + dt) - ε ( h , t - dt) ]d h/ (2dt)其中h為空間位置坐標(biāo)，t為時(shí)間坐標(biāo)，dh為空間離散質(zhì)點(diǎn)的長(zhǎng)度，dt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，u(h，t)、ε (h，t)、σ (h, t)分別對(duì)應(yīng)在空間位置h與時(shí)間t的速度、應(yīng)變，與應(yīng)力，E為藍(lán)寶石沿軸向的彈性模量，P ^為藍(lán)寶石密度；
b、藍(lán)寶石沿厚度方向離散為N個(gè)質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)間離散為M個(gè)時(shí)間步，將獲得完備的3*M*N個(gè)方程，將多普勒激光速度干涉儀測(cè)量得到的高阻抗薄膜(4)的速度歷史作為輸入數(shù)據(jù)，求解離散方程，獲得鋁膜(3)所在的測(cè)試面的應(yīng)カσ (h=0，t)，即測(cè)試點(diǎn)動(dòng)量流密度戶(O ;M、N為自然數(shù)；
當(dāng)粒子束流空間分布較寬，可以忽略藍(lán)寶石接收器內(nèi)應(yīng)カ波傳播帶來(lái)的脈沖效應(yīng)時(shí)，可以由動(dòng)量守恒關(guān)系
ρ( ) = fiiAv/Δ 近似地直接確定粒子束流的動(dòng)量密度；其中#CO是測(cè)試點(diǎn)t時(shí)刻單位時(shí)間與単位面積上的動(dòng)量，^與#分別是藍(lán)寶石接收器的密度與長(zhǎng)度；Δν/ 表示射時(shí)間內(nèi)接收器的速度增值，可以近似由自由面粒子速度測(cè)試數(shù)據(jù)V⑴的時(shí)間導(dǎo)數(shù)獲取。上述方法中，基于u (h，t)、ε (h，t)、σ (h，t)這3個(gè)函數(shù)式的方程組表述是清楚的。函數(shù)有兩種表述形式，ー種是具有確定的表達(dá)式的函數(shù)，如線性方程的函數(shù)式f (X)=kx+b (k、b為常數(shù))；另ー種函數(shù)它沒(méi)有確定的表達(dá)式，而是通過(guò)ー個(gè)已知的數(shù)值，然后依據(jù)一定的規(guī)律，反算出我們需要的數(shù)值。本發(fā)明的上述方案的函數(shù)表達(dá)式就是屬于后者，我們通過(guò)儀器測(cè)量知道某一時(shí)刻的h和t值，根據(jù)動(dòng)量守恒、材料線性本構(gòu)關(guān)系、質(zhì)量守恒進(jìn)行空間與時(shí)間的離散，通過(guò)上述3個(gè)定律建立的3個(gè)方程組，反算出該時(shí)刻的h、t值對(duì)應(yīng)處的高速粒子流的實(shí)時(shí)動(dòng)量，3個(gè)方程組即為
σ ( h - d h , t) = σ ( h , t) +P0 [ u ( h , t + dt) - u ( h , t - dt) ] d h/
(2dt)
ε ( h - d h , t) = σ ( h - d h , t) /E
u( h - d h , t) = u( h , t) + [ ε ( h , t + dt) - ε ( h , t - dt) ]d h/ (2dt)這3個(gè)方程組依據(jù)我們通過(guò)儀器測(cè)量知道某一時(shí)刻的h和t值和我們?cè)O(shè)計(jì)的求解程序，反算出該時(shí)刻我們需要計(jì)算出的待測(cè)位置的高速粒子流的實(shí)時(shí)動(dòng)量，而依據(jù)上述3個(gè)定律設(shè)計(jì)求解程序是高速粒子流動(dòng)量分布測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的技術(shù)手段，作為該領(lǐng)域的技術(shù)人員，可以設(shè)計(jì)出可以反算出我們需求結(jié)果的求解程序。區(qū)別于傳統(tǒng)的X光閃光成像等技術(shù)，該發(fā)明專利的創(chuàng)新之處在于，在高速粒子流的運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置多路組合式接收器與高頻響速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備，粒子束動(dòng)量通過(guò)撞擊過(guò)程傳遞至接收器，由測(cè)試的多路速度信號(hào)反演高速粒子流的動(dòng)量分布定量信息。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
I、在對(duì)高速粒子流的診斷領(lǐng)域，傳統(tǒng)測(cè)試方法如X光成像等技術(shù)，雖然可以獲取粒子分布的直觀信息，但是尚缺乏定量的表征能力。本發(fā)明的測(cè)量方法與測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)，符合精密物理實(shí)驗(yàn)的要求。在基礎(chǔ)理論研究方面，對(duì)碎片云、物質(zhì)噴射的動(dòng)量分布的定量測(cè)試，為高速粒子流的產(chǎn)生機(jī)理、材料模型研究等提供有效途徑。在工程應(yīng)用方面，對(duì)高速粒子流的量化表征，是開展粒子流/結(jié)構(gòu)材料高速撞擊效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，為結(jié)構(gòu)/材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)評(píng)估平臺(tái)。2、采用本發(fā)明的測(cè)量方法與測(cè)量裝置，在高速粒子流的前方設(shè)置若干個(gè)高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，通過(guò)該若干個(gè)高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置可以反演高速粒子束流的瞬態(tài)動(dòng)量，通過(guò)空間多點(diǎn)速度測(cè)量，確定高速粒子束流的空間動(dòng)量分布，可以測(cè)試具有ニ維或三維空間分布特征的高速粒子流(如碎片云)的空間動(dòng)量分布參數(shù)。


圖I是本發(fā)明高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2是實(shí)施例I中采用高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置測(cè)試高速粒子流動(dòng)量空間分布測(cè)量的示意 圖3是實(shí)施例2的金屬錫微層裂噴射場(chǎng)的動(dòng)量密度測(cè)試中，激光測(cè)試獲得的速度剖面
圖4是實(shí)施例2的金屬錫微層裂噴射場(chǎng)的動(dòng)量密度測(cè)試中，反積分計(jì)算獲得的測(cè)試面動(dòng)量密度示意圖；圖5是實(shí)施例3中電炮裝置發(fā)射高速碎片云的軸心測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)量密度測(cè)試示意 圖6是實(shí)施例3中電炮裝置發(fā)射高速碎片云的偏心6 mm的測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)量密度測(cè)試示意 圖7是實(shí)施例4中在間距L=13mm處，軸心處的速度一時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)示意 圖8是實(shí)施例4中在間距L=13mm處,距離軸心r = 6mm處的速度一時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)示意 附圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的零部件名稱為1_測(cè)試裝置主體；2_接收器主體；3-鋁膜；4_高阻抗薄膜；5_光纖探頭；6_激光；7_光纖；8_碎片云；9_樣品祀；10-高速?gòu)椡杌蝻w片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅 限于下述實(shí)施例。實(shí)施例I :
參見圖I至圖4所示，本實(shí)施例的高速粒子流動(dòng)量空間分布測(cè)量方法包含三部分內(nèi)容高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置、測(cè)試方法與動(dòng)量反演的方法。I、高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置
高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置由高速粒子動(dòng)量接收器和速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備(如多普勒激光速度干涉儀)組成。( I)高速粒子動(dòng)量接收器
如圖I所示，高速粒子動(dòng)量接收器為高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置中的一部分，高速粒子動(dòng)量接收器基于ー維應(yīng)カエ況設(shè)計(jì)，以圓柱狀藍(lán)寶石單晶為主體，藍(lán)寶石前表面(藍(lán)寶石前表面即正對(duì)高速粒子流的表面)通過(guò)1-5微米厚度的環(huán)氧膠緊密貼合一層約O. I毫米厚的鋁膜，藍(lán)寶石后表面鍍ー層阻抗較高的亞微米薄膜(例如銅膜、銀膜，或者具有同等性能的其他高阻抗薄膜)，將藍(lán)寶石置于可滑動(dòng)的等直徑腔道之中。高速粒子動(dòng)量接收器各部分技術(shù)要求及功能
藍(lán)寶石單晶作為主體，作為高速粒子流動(dòng)量接收器最重要的部位，在選材時(shí)要求其強(qiáng)度高(目的是避免高速粒子流撞擊時(shí)材料的瞬間破壞，以獲得較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)；同時(shí)確保接收器在彈性變形條件下工作，提高動(dòng)量反演的置信度)，聲速大(提高接收器內(nèi)部應(yīng)カ分布的ー維性)。藍(lán)寶石單晶具有5GPa以上的屈服強(qiáng)度，10km/s極高聲速，易于精密加工，作為接收器主體，對(duì)測(cè)試信號(hào)線性反演能夠獲得高置信度的粒子流動(dòng)量分布。根據(jù)粒子流動(dòng)量空間分布的測(cè)試精度要求，藍(lán)寶石直徑在1-4毫米之間；根據(jù)測(cè)試時(shí)間與測(cè)試靈敏度，選擇藍(lán)寶石厚度在1-2毫米之間，厚度減小時(shí)由于材料破壞效應(yīng)測(cè)試時(shí)間趨于縮短，但是對(duì)高速粒子流離散碰撞的分辨能力提高。當(dāng)高速粒子流動(dòng)量密度較低(沖擊峰值壓カ小于I. OGPa)，需要較長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，可以采用高強(qiáng)度鋼作為接收器主體。鋁膜，具有較高的塑性變形能力，其功能是直接面對(duì)高速粒子束的撞擊，并且緩沖高速撞擊對(duì)藍(lán)寶石材料的破壞。鋁膜厚度約O. Imm,以防厚度過(guò)高會(huì)帶來(lái)ニ維效應(yīng)、降低動(dòng)量反演的置信度。高阻抗薄膜，聲阻抗高于接收器主體材料(藍(lán)寶石)，以防止在接收過(guò)程中脫離主體；薄膜具有優(yōu)異的反光效果，便于多普勒激光速度干涉儀產(chǎn)生干渉條紋。其功能是為激光干涉測(cè)速系統(tǒng)提供一反光效果較好的反射面，其運(yùn)動(dòng)速度歷史反映接收器主體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。運(yùn)動(dòng)腔道，運(yùn)動(dòng)腔道尺寸較小(便于空間分布、更能準(zhǔn)確反映測(cè)試位置的高速粒子流動(dòng)量信息)、腔道長(zhǎng)度適中(滿足激光干涉測(cè)速設(shè)備的工作距離要求)；其功能是為接收器主體定位，并為激光干涉測(cè)速設(shè)備提供適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x。(2)速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備
速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備由示波器和多通道多普勒激光速度干涉儀器(如激光速度干渉儀VISAR或者Doppler位移干涉儀DPS)組成，利用多普勒激光速度干涉儀將高阻抗薄膜運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為激光干涉條紋，由示波器實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到高阻抗、薄膜的運(yùn)動(dòng)速度歷史。在此，要求示波器具有足夠高的帶寬，示波器應(yīng)依據(jù)測(cè)試面的大致速度設(shè)置具有足夠高的頻響。當(dāng)粒子流空間分布展寬(測(cè)試點(diǎn)測(cè)試時(shí)間在毫秒以上量級(jí))，并且單位時(shí)間內(nèi)粒子束流的動(dòng)量密度不高時(shí)，可以應(yīng)用高頻響加速度計(jì)等傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備，以替換多普勒激光速度干涉儀，記錄接收器的速度歷史。2、裝置制作流程及多點(diǎn)測(cè)量方法
首先將高阻抗薄膜鍍于藍(lán)寶石主體上，將藍(lán)寶石主體置于運(yùn)動(dòng)腔道之中，在腔道一端使藍(lán)寶石主體(未鍍薄膜的一面)通過(guò)環(huán)氧膠與鋁膜緊密貼合。然后將多普勒激光速度干渉儀的光纖探頭通過(guò)探針支架固定于運(yùn)動(dòng)腔道之上，在這里需確保光纖探頭與薄膜之間的距離在探頭的工作范圍之內(nèi)。最后形成如圖I所示的一個(gè)單點(diǎn)高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置。最后利用多通道多普勒激光速度干涉儀對(duì)高速粒子流進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)類似圖2的布局即可對(duì)高速粒子流動(dòng)量的空間分布進(jìn)行測(cè)試與反演。例如飛片或弾丸與樣品靶高速撞擊產(chǎn)生粒子束流，多個(gè)高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置根據(jù)高速粒子束流(如碎片云)的情況來(lái)分布，可以是ニ維狀態(tài)分布，如弧形分布，也可以是三維狀態(tài)分布，如球面分布，可以用來(lái)測(cè)量呈ニ維或三維狀態(tài)分布的碎片云的空間動(dòng)量分布。3、高速粒子流的動(dòng)量反演
多普勒激光干涉測(cè)速技術(shù)是原位測(cè)試沖擊壓カ與粒子速度的最有效途徑。高速粒子流沖擊藍(lán)寶石接收器，動(dòng)量的傳遞將使藍(lán)寶石沿厚度產(chǎn)生應(yīng)力波的傳播以及自由面加速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)測(cè)量藍(lán)寶石自由面的速度歷史，可以反演測(cè)試點(diǎn)高速粒子束流的瞬態(tài)動(dòng)量密度；通過(guò)空間多點(diǎn)速度測(cè)量，可以確定高速粒子束流的空間動(dòng)量分布；當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取高速粒子流產(chǎn)生時(shí)刻，結(jié)合一定的高速粒子流分布模型，可以進(jìn)ー步確定粒子流的速度與密度空間分布。在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)理論預(yù)估設(shè)置動(dòng)量接收器的空間布局，使粒子束/藍(lán)寶石的沖擊壓力低于藍(lán)寶石的屈服強(qiáng)度，以確保測(cè)試數(shù)據(jù)反演運(yùn)算的置信度。當(dāng)粒子束流空間分布較寬，粒子束對(duì)藍(lán)寶石接收器的推進(jìn)平緩，可以忽略應(yīng)カ波傳播的脈沖效應(yīng)，由動(dòng)量守恒關(guān)系
ρ( ) — pi&vf &￡
近似確定粒子束流在測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)量密度。其中·MO是測(cè)試點(diǎn)t時(shí)刻單位時(shí)間與単位面積上的動(dòng)量，/ 與f分別是藍(lán)寶石接收器的密度與長(zhǎng)度；Αν/Δ 表示泣時(shí)間內(nèi)接收器的速度增值Δν。相對(duì)于總測(cè)試時(shí)間，該條件下應(yīng)カ波沿藍(lán)寶石厚度方向的傳播時(shí)間較短(對(duì)I毫米厚藍(lán)寶石，應(yīng)カ波往返時(shí)間僅僅O. 2μ S左右)，Av/Ar可以近似由自由面粒子速度測(cè)試數(shù)據(jù)v(t)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)獲取。當(dāng)藍(lán)寶石接收器內(nèi)應(yīng)カ波的傳播效應(yīng)不可忽略時(shí)，可以運(yùn)用反積分方法計(jì)算粒子束流的動(dòng)量密度。藍(lán)寶石接收器處于ー維應(yīng)カエ況，反積分計(jì)算首先將有關(guān)藍(lán)寶石的動(dòng)カ學(xué)方程組進(jìn)行時(shí)間與空間離散，
σ ( h - d h , t) = σ ( h , t) +PO [ u ( h , t + dt) - u ( h , t - dt) ] d h/(2dt)；
ε ( h - d h , t) = σ ( h - d h , t) /E ；
u( h - d h , t) = u( h , t) + [ ε ( h , t + dt) - ε ( h , t - dt) ]d h/ (2dt)
對(duì)于彈性變形狀態(tài)，以上動(dòng)量守恒、材料線性本構(gòu)關(guān)系、質(zhì)量守恒三個(gè)方程給出完備的求解體系。上述方程組中，h為ー維空間位置坐標(biāo)，u(h，t)、ε (h，t)、σ (h，t)分別對(duì)應(yīng)在空間位置h與時(shí)間t的速度、應(yīng)變，與應(yīng)カ；E為藍(lán)寶石沿軸向的彈性模量；dh為空間離散質(zhì)點(diǎn)的長(zhǎng)度；dt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。應(yīng)用ー維有限差分流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，將藍(lán)寶石沿厚度方向離散為N個(gè)質(zhì)點(diǎn)，將計(jì)算時(shí)間離散為M個(gè)時(shí)間步，對(duì)所有質(zhì)點(diǎn)與時(shí)間步應(yīng)用上述方程組，將獲得完備的3*M*N個(gè)方程。將多普勒激光速度干涉儀測(cè)量得到的接收器(藍(lán)寶石)后自表面速度歷史作為輸入數(shù)據(jù)，再進(jìn)行離散動(dòng)力學(xué)方程組的空間反演計(jì)算，求解離散方程，獲得測(cè)試面(高速粒子碰撞面)的應(yīng)カσ (h=0，t)，即動(dòng)量流密度iKO。實(shí)施例2
本實(shí)施例為本發(fā)明在材料動(dòng)高壓物理研究領(lǐng)域的應(yīng)用。我們開展了金屬錫微層裂過(guò)程中噴射顆粒徑向分散性的實(shí)驗(yàn)研究。采用電炮驅(qū)動(dòng)厚度200 μ m,直徑20mm，速度為9km/s的飛片，高速平面撞擊厚度為700 μ m的金屬錫樣品，金屬錫樣品發(fā)生沖擊熔化，產(chǎn)生分層與碎化。若采用傳統(tǒng)的Assay窗測(cè)試方法，無(wú)法獲取微層裂顆粒沿徑向的分布特征，而且受窗ロ厚度與ニ維效應(yīng)制約，有效測(cè)試時(shí)間僅1-2微秒，僅提供前沿顆粒的動(dòng)量特征。采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)方案，圖3給出距離軸線r=6mm測(cè)試點(diǎn)的多普勒激光速度干涉儀測(cè)速信號(hào)，受微層裂顆粒的高速離散碰撞，由動(dòng)量守恒關(guān)系藍(lán)寶石自由面的速度產(chǎn)生持續(xù)增加，有效測(cè)試時(shí)間超過(guò)二十微秒。根據(jù)檢測(cè)到的這二十多微秒中藍(lán)寶石自由面在各個(gè)時(shí)刻的速度情況，采用實(shí)施例I所記載的方法，運(yùn)用反積分算法獲得的測(cè)試面高速顆粒攜帶的動(dòng)量密度-時(shí)間關(guān)系，如圖4所示，在本實(shí)施例中，我選擇了軸線與偏心兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，檢測(cè)這2個(gè)測(cè)試點(diǎn)在受微層裂顆粒的高速離散碰撞后其高速粒子流的動(dòng)量密度實(shí)時(shí)分布情況，其中軸線處在受微層裂顆粒的高速離散碰撞后其高速粒子流的動(dòng)量密度在檢測(cè)設(shè)備開始記錄23. 3微秒后，動(dòng)量密度由O開始增加，到24. 51微秒后，動(dòng)量密度増加到最大值(O. 275GPa)，然后動(dòng)量密度開始減小，到27. 9微秒后，動(dòng)量密度減小到O ;偏心6mm處在受微層裂顆粒的高速離散碰撞后其高速粒子流的動(dòng)量密度在檢測(cè)設(shè)備開始記錄后的23. 6微秒后，動(dòng)量密度由O開始?jí)埣?，?6. 2微秒后，動(dòng)量密度増加到最大值(O. 24GPa)，然后動(dòng)量密度開始減小，到42. 3 微秒后，動(dòng)量密度減小到O ;如果我們需要了解到高速粒子流更多的空間位置的動(dòng)量密度實(shí)時(shí)情況，我們只需要在需要的位置放置高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，采用同樣的方法即可獲得該處碰撞后高速粒子流的動(dòng)量密度實(shí)時(shí)變化情況。圖中軸線與偏心兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)動(dòng)量密度曲線的差異，體現(xiàn)微層裂顆粒的徑向分布特征；而動(dòng)量密度的脈沖信號(hào)體現(xiàn)了顆粒的離散性，物理上蘊(yùn)含著金屬錫沖擊熔化與稀疏波卸載區(qū)材料破碎的關(guān)鍵特征。由此可見，二十微秒以上的有效測(cè)試信號(hào)，為系統(tǒng)再現(xiàn)金屬錫微層裂過(guò)程提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。實(shí)施例3
在強(qiáng)爆轟實(shí)驗(yàn)、空間碎片撞擊，以及武器對(duì)抗等極端條件下，構(gòu)件經(jīng)常遭受碎片高速連續(xù)的撞擊?？v然碎片顆粒較小，如幾十微米以內(nèi)，仍然可以造成極大的破壞效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上建立碎片云高速發(fā)射裝置，可以評(píng)估防護(hù)結(jié)構(gòu)性能。但是作為ー種實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，需要確定發(fā)射碎片顆粒的性態(tài)，如動(dòng)量密度分布。傳統(tǒng)測(cè)試方法，如軟回收方法、高速攝影等，僅僅適用于極低密度碎片云的定量表征。因此本實(shí)施例中，我們?cè)陔娕谘b置上發(fā)射碎片云團(tuán)，運(yùn)用該發(fā)明所述的測(cè)試裝置定量測(cè)試碎片云的動(dòng)量分布。圖5、圖6給出軸心與徑向r=6mm處的自由面速度測(cè)試數(shù)據(jù)，其中速度曲線上升表示藍(lán)寶石接收器受碎片顆粒連續(xù)碰撞而加速運(yùn)動(dòng)?？梢钥吹捷S線處的動(dòng)量接收器在檢測(cè)設(shè)備開始記錄16. 4微秒后，自由面速度由O開始?jí)埣樱?7. 6微秒后，自由面速度増加到最大值(700m/s)，然后自由面速度開始平穩(wěn)；偏心6_處動(dòng)量接收器在檢測(cè)設(shè)備開始記錄后的16. 5微秒后，自由面速度由O開始增加，到18微秒后，自由面速度増加到最大值(300m/s)，然后自由面速度開始平穩(wěn)；測(cè)試點(diǎn)處碎片顆 粒的時(shí)間展寬約2微秒，軸心處碎片云攜帯的動(dòng)量密度顯著高于偏心測(cè)試點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)上定量測(cè)試所發(fā)射碎片云的動(dòng)量密度分布，為開展結(jié)構(gòu)防護(hù)性能實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。實(shí)施例4
本實(shí)施例為本發(fā)明在超高速撞擊領(lǐng)域(如空間碎片防護(hù)問(wèn)題)的應(yīng)用。如圖2所示，利用本發(fā)明的裝置及測(cè)量方法測(cè)量極高速?gòu)幫?飛片與防護(hù)屏相撞產(chǎn)生高速碎片粒子的動(dòng)量分布。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用電炮平臺(tái)發(fā)射Φ 10*0. 15mm的Mylar飛片以10. 5 km/s速度撞擊約
O.8mm厚度的鋁基碳纖維復(fù)合板，在間距L=13_處布置兩個(gè)藍(lán)寶石接收器以測(cè)試當(dāng)?shù)厮槠w粒的動(dòng)量-時(shí)間分布。圖7、圖8給出藍(lán)寶石后自由面的粒子速度-時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看到軸線處的動(dòng)量接收器在檢測(cè)設(shè)備開始記錄14微秒后，自由面速度由O開始增加，到19微秒后，自由面速度増加到最大值(300m/s);偏心6mm處動(dòng)量接收器在檢測(cè)設(shè)備開始記錄后的14微秒后，自由面速度由O開始增加，到20微秒后，自由面速度增加到最大值(160m/s);由此可以得到偏離軸心的測(cè)試點(diǎn)速度起跳略延遲，加速度與幅值低于軸心測(cè)試點(diǎn)，符合理論預(yù)期，測(cè)試數(shù)據(jù)正確體現(xiàn)了碎片云的擴(kuò)展特征。傳統(tǒng)的弾道實(shí)驗(yàn)側(cè)重于工程需求，對(duì)結(jié)構(gòu)高速碰撞破壞機(jī)理研究，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等不能給出直接的量化信息。運(yùn)用圖2所示的測(cè)試方法，通過(guò)對(duì)碎片云動(dòng)量分布測(cè)試，為結(jié)構(gòu)性能的分解實(shí)驗(yàn)研究、性能評(píng)估，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。如上所述，便可較好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，其特征在于包括測(cè)試裝置主體(I)、接收器主體(2)、速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備，測(cè)試裝置主體(I)內(nèi)具有等直徑的運(yùn)動(dòng)腔道；接收器主體(2)直徑與運(yùn)動(dòng)腔道相匹配并且置于運(yùn)動(dòng)腔道內(nèi)，在高速粒子流的作用下沿運(yùn)動(dòng)腔道軸向運(yùn)動(dòng)，接收器主體(2)正對(duì)高速粒子流的端面設(shè)有鋁膜(3)，另一端設(shè)有高阻抗薄膜(4);用于檢測(cè)和記錄接收器主體(2)運(yùn)動(dòng)速度的速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備與測(cè)試裝置主體(I)固定連接或分體連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，其特征在于所述速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備由示波器和多普勒激光速度干涉儀組成，將多普勒激光速度干涉儀的光纖探頭(5)固定于測(cè)試裝置主體(I)的運(yùn)動(dòng)腔道內(nèi)，將高阻抗薄膜(4)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為激光干涉條紋并由示波器實(shí)時(shí)記錄。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，其特征在于所述接收器主體(2)為直徑1-4毫米、厚度1-2毫米的藍(lán)寶石單晶。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)所述的高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，其特征在于所述高阻抗薄膜(4)為聲阻抗接近于接收器主體材料的聲阻抗，厚度為亞微米的銅膜或銀膜。
5.一種高速粒子流動(dòng)量分布實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于包括下述步驟 I)在高速粒子流運(yùn)動(dòng)方向的前方設(shè)置至少一個(gè)權(quán)利要求I至4任一項(xiàng)所述的高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置，高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置的接收器主體(2)具有鋁膜(3)的一端正對(duì)高速粒子流,高速粒子流的動(dòng)量傳遞給接收器主體(2)，使接收器主體(2)產(chǎn)生連續(xù)的加速運(yùn)動(dòng)； 2)高阻抗薄膜(4)的運(yùn)動(dòng)速度與接收器主體(2)的運(yùn)動(dòng)速度一致，通過(guò)多普勒激光速度干涉儀將高阻抗薄膜(4)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為激光干涉條紋，由示波器實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到高阻抗薄膜(4)的運(yùn)動(dòng)速度歷史，通過(guò)高阻抗薄膜(4)的運(yùn)動(dòng)速度歷史反演高速粒子束流的瞬態(tài)動(dòng)量；通過(guò)空間多點(diǎn)分布的高速粒子流動(dòng)量測(cè)試裝置進(jìn)行速度測(cè)量，確定高速粒子束流的空間動(dòng)量分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速粒子流動(dòng)量分布實(shí)時(shí)測(cè)量方法及測(cè)量裝置。該裝置包括測(cè)試裝置主體、接收器主體、速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備，測(cè)試裝置主體內(nèi)具有等直徑的運(yùn)動(dòng)腔道；接收器主體直徑與運(yùn)動(dòng)腔道相匹配并且置于運(yùn)動(dòng)腔道內(nèi)，在高速粒子流的作用下沿運(yùn)動(dòng)腔道軸向運(yùn)動(dòng)，接收器主體正對(duì)高速粒子流的端面設(shè)有鋁膜，另一端設(shè)有高阻抗薄膜；速度信號(hào)檢測(cè)記錄設(shè)備與測(cè)試裝置主體固定連接或分體連接，用于檢測(cè)和記錄接收器主體的運(yùn)動(dòng)速度。本發(fā)明的測(cè)試方法和裝置可以對(duì)碎片云、物質(zhì)噴射等高速粒子流的動(dòng)量分布進(jìn)行定量測(cè)試，為高速粒子流的產(chǎn)生機(jī)理、材料模型研究等提供有效途徑。在工程應(yīng)用方面，對(duì)高速粒子流的量化表征，是開展粒子流/結(jié)構(gòu)材料高速撞擊效應(yīng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)，為結(jié)構(gòu)/材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)評(píng)估平臺(tái)。
文檔編號(hào)G01S17/58GK102707291SQ20121016384
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者宋振飛, 王桂吉, 莫建軍, 譚福利, 趙士操, 陶彥輝 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所