一种聚能爆破不规则孔等效直径测量的方法
阅读说明：本技术 一种聚能爆破不规则孔等效直径测量的方法 (Method for measuring equivalent diameter of irregular hole in energy-gathered blasting ) 是由 哈海荣 吴亚军 王团盟 张建亭 高智勇 黎勤 步相东 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明属于聚能爆破效能评估和孔径测量领域,具体为一种聚能爆破不规则孔等效直径测量的方法。本发明解决了武器行业聚能爆破不规则孔等效直径测量的难题,也适用于其他行业不规则孔等效直径的测量。(The invention belongs to the field of energy-gathered blasting efficiency evaluation and pore diameter measurement, and particularly relates to a method for measuring the equivalent diameter of an irregular hole in energy-gathered blasting. The invention solves the problem of measuring the equivalent diameter of the irregular hole in the energy-gathering blasting in the weapon industry, and is also suitable for measuring the equivalent diameter of the irregular hole in other industries.)
技术领域
本发明聚能爆破效能评估和孔径测量领域，特别涉及一种聚能爆破不规则孔等效直径测量的方法。
背景技术
聚能战斗部爆炸后形成的射流或弹丸对靶板造成的破孔大小是聚能战斗部毁伤效能评估的重要定量参数。由于爆炸是一种极为迅速的能量释放过程，巨大的冲击载荷作用于靶板之上形成破孔，同时造成靶板变形、翘曲、撕裂，使得靶板上的破孔形状极不规则，导致靶板破孔直径的准确测量变得非常困难。
对于聚能爆破后在靶板上形成的破孔直径的测量，常见的方法有刻度尺直接测量法、光学间接测量法等。对于刻度尺直接测量法，优点是测量简便、直接，缺点是测量精度不高，尤其对于靶板形状扭曲且外形不规则的破孔难以直接获得准确的测量数据，测量误差非常大，基本在厘米级；对于光学间接测量法，优点是能测量扭曲且不规则孔的直径，缺点是成本较高，测试结果易受后处理方法及人为因素影响。而且，这些测量方法仅仅是对不规则孔上某两个点之间距离的测量，会得到多个测试值，而由于破孔形状的极不规则性，导致很难准确确定不规则孔的等效直径，也就很难进行效能评估。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了测量聚能爆破后形成的不规则孔的等效直径，提出了一种不规则孔等效直径测量的方法，解决了刻度尺直接测量法精度不高、光学间接测量法成本高且易受人为因素影响的难题。
本发明的技术方案是：一种聚能爆破不规则孔等效直径测量的方法，包括以下步骤：
步骤1：初步估计不规则孔的直径后，确定若干数量的标准靶板通孔的直径D，其中不规则孔径值位于若干标准孔径值之间；
步骤2：使用同一容器对若干标准靶板分别进行水流试验，每次进行试验前容器内的初始水容量相同，针对同一标准靶板进行若干次试验，试验后对流过标准靶板通孔的流量取平均值，且每一次试验完后，容器内水容量回到最初容量；定义试验开始前容器内水平面到标准靶板通孔之间的距离为H1，容器横截面积为A；最终流出的水的体积V与标准靶板通孔直径D的关系为：
其中V0表示液面高度为H1时水的体积，g为重力加速度，t为试验时间，μ表示流量系数；
进一步得到：V是关于D4的多项式，V＝f(D4)；
步骤3：由步骤2得到的若干标准靶板平均值，将V与D的关系进行数据拟合，得到标准靶板“靶板孔径-水的流量”的公式：
V＝a1×D4+a2×D3+a3×D2+a4×D+a5
式中，V表示水的流量，单位为L；D表示靶板孔径，单位为mm；a1、a2、a3、a4、a5为拟合得到的系数；
步骤4：在步骤2试验中相同的初始水容量、相同时间段和相同压力下，测量时间t内、流过不规则孔的水的流量值为VS；
步骤5：将步骤4得到的VS带入标准靶板“靶板孔径-水的流量”的拟合公式，得到不规则孔的等效直径D0。
本发明进一步的技术方案是：所述不规则孔径值上下10cm以内取孔径间隔为2-3mm，10cm以外取孔径间隔为5mm。
本发明进一步的技术方案是：所述μ为靶板孔口出流的流量系数，取值一般在0.58～0.9之间。
本发明进一步的技术方案是：初步估计是指，对不规则孔径进行直尺测量，分别测量破孔口径最大处和最小处，取平均值。
发明效果
本发明的技术效果在于：基于以上原因，本发明通过比对一定时间内、一定压力下流过圆形规则通孔和不规则孔的水的流量，提出了一种不规则孔等效直径测量的方法，既能测量不规则孔的等效直径，也能避免人为因素的影响，同时测量精度较高，可以达到2mm。该方法适用于不规则孔等效直径的测量，贴近实际工程应用，简单方便，易于实施，且成本较低。
附图说明
图1：标准靶板结构示意图
图2：非定常流动示意图
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图2，一种用于聚能爆破不规则孔等效直径测量方法的技术方案是：测量相同初始条件下、同一压力、同一时间段内流过标准靶板的水的流量，记录标准靶板不同孔径在相同条件下对应的水的流量，并通过数据拟合得到“靶板孔径-水的流量”的公式。标准靶板的结构示意如图1所示，中心为圆形通孔，其与被测靶板(不规则孔)具有相同的材料、相同的厚度。之后，测量相同条件下、同一压力、同一时间段内流过不规则孔的水的流量，认为被测不规则孔的等效直径对应于相同流量下标准靶板的圆形通孔直径，将不规则孔的流量值代入标准靶板流量数据拟合得到的公式，即可得到不规则孔的等效直径。
流过靶板的水为非定常流动，如图2所示，设容器横截面积A，为定值。需要说明的是，如果容器是圆柱体，则为圆柱横截面；如果容器上面是圆柱，下面是倒锥形，则指的还是圆柱横截面，即水从H1-H2之间。容器最好是圆柱体，如果容器不是圆柱体，只要能计算出水的体积即可。在本实例中，容器为圆柱体，横截面为A。靶板通孔面积为a，当自由液面距通孔中心高度为y时，在dt时间段内通孔出流量Q可用定常出流公式计算：其中dt是一个微分概念，指的是t0-t1的时间段内任意一个时间段，先求得dt时间段内的水的流量，然后对dt在t0-t1时间段内进行积分就求得整个时间段流过的水的流量。
整个试验过程中，试验开始时(即t0时刻)的参数有H1、V0、A，试验过程中参数有μ、g、a、t、y、D，试验结束时(t1时刻)的参数有H2、V1，Q、V。
式中，μ表示流量系数；g表示重力加速度。
如在dt时段，液流下降dy高度，根据连续性方程，则经通孔流出的液体体积应等于容器内下降的液体体积，依据公式(1)得：
依据公式(2)得：
对公式(3)积分得容器内液面从H1降至H2所需的时间t为：
依据公式(4)建立流出水的体积与流出时间t之间的关系，即：
式中，V0表示液面高度为H1时水的体积；V1表示液面高度为H2时水的体积。
通过公式(5)推导出t时间内流出水的体积V公式为：
将靶板通孔直径D代入公式(6)，得流出水的体积V与靶板通孔直径D的关系为：
由公式(7)可知，V是关于D4的多项式，即：
V＝f(D4) (8)
下面结合具体实施例，对一种聚能爆破不规则孔等效直径测量的方法进行详细描述。
本发明可通过以下步骤达到：
步骤一：在粗测不规则孔直径的前提下，确定一系列标准靶板圆形通孔的直径，直径从小到大的范围须涵盖不规则孔的粗测直径，靶板数量越多测试值越接近真实值，但如果太多则会在测试精度无显著提高的情况下测试成本大幅度增加。因此，一般在粗测直径周围取较小的孔径间隔，以2-3mm为宜，其余间隔以5mm为宜，最小孔径与最大孔径以40mm间隔为宜，可根据工程实际进行调节。本实施例粗测不规则孔直径约为Φmm，以此确定标准靶板孔径分别为(Φ-20)mm、(Φ-15)mm、(Φ-10)mm、(Φ-5)mm、(Φ-2)mm、Φmm、(Φ+2)mm、(Φ+5)mm、(Φ+10)mm、(Φ+15)mm、(Φ+20)mm。
步骤二：测量不同孔径标准靶板相同初始条件下、同一压力、同一时间段内流过的水的流量，可多次测量取平均值，记录标准靶板不同孔径在相同条件下流过通孔的水的流量，压力值可根据工程实际应用确定。本实施例利用步骤一确定的标准靶板，记录时间t内流过标准靶板水的流量值，测量3次取平均值，压力值取一个大气压，测试数据如表1所示。
表1标准靶板不同孔径对应水的流量记录表
序号
靶板孔径D(mm)
流量V(L)
备注
1
Φ-20
V<sub>01</sub>
2
Φ-15
V<sub>02</sub>
3
Φ-10
V<sub>03</sub>
4
Φ-5
V<sub>04</sub>
5
Φ-2
V<sub>05</sub>
6
Φ
V<sub>06</sub>
7
Φ+2
V<sub>07</sub>
8
Φ+5
V<sub>08</sub>
9
Φ+10
V<sub>09</sub>
10
Φ+15
V<sub>10</sub>
11
Φ+20
V<sub>11</sub>
步骤三：利用表1中的数据，根据公式(8)中V与D的关系进行数据拟合，得到标准靶板“靶板孔径-水的流量”的公式。本实施例通过数据拟合得到的标准靶板“靶板孔径-水的流量”的关系式为：
V＝a1×D4+a2×D3+a3×D2+a4×D+a5 (9)
式中，V表示水的流量，单位为L；D表示靶板孔径，单位为mm；a1、a2、a3、a4、a5为拟合得到的系数。可以随便给个参数，例如，拟合的公式为V＝10×D4+20×D3+30×D2+40×D+50，步骤四测得的VS＝1000L，代入公式即可求得D＝2.465mm。
步骤四：测量不规则孔相同条件下流过的水的流量，测量方法与步骤二相同，测量的初始条件、压力和水流过的时间均相同。本实施例测得时间t内、一个大气压下流过不规则孔的水的流量值为VS。
步骤五：将步骤四得到的不规则孔的流量值带入标准靶板“靶板孔径-水的流量”的拟合公式，得到不规则孔的等效直径。本实施例中，将VS代入公式(9)，得到该不规则孔的等效直径为D0。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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