变截面压杆对应变式压杆压力传感器测量影响

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1、第4期高能量密度物理NO．42011年12月HIGHENERGYDENSITYPHYSICSDec．，2011变截面压杆对应变式压杆压力传感器测量影响宜晨虹，于锦泉(中国工程物理研究院流体物理研究所101室，四川绵阳621900)摘要：用数值模拟方法对应变式压杆压力传感器系统进行仿真，研究压杆的变截面对压力传感器测试结果的影响；数值模拟了不同上升前沿的梯形脉冲、三角形脉冲条件下变截面压杆的响应误差，模拟结果对分析实验测试结果有一定参考价值。关键词：反射超压；应变；应力波；压杆1引言在爆炸容器的研究中，容器内壁上作用载荷的大小、时间历程及分布情况，是

2、研究容器动力响应及进行强度分析的基础。测量反射超压比较简单有效的方法是使用应变式压杆压力传感器⋯。压杆测压最早是Hopkinson在1914年提出的，国外对这种方法做了大量的研究，早期的研究一般集中在如何提高压杆的频率响应等方面]。国内对压杆压力传感器的研究，最早源于范良藻等利用压杆和PVDF研制上升时间为20115的传感器；对应变式压杆压力传感器的研究源于西北核技术研究所，2006年，胡永乐等在《实验力学》期刊上发表了应变式压杆压力传感器在冲击波载荷测试中的应用，王长利等¨叫重点介绍了测试仪器系统的构成及工作原理，张德志等¨对应力波在压杆中的传播

3、进行了数值模拟研究，分析了压杆测压系统的频响、可测量下限和有效测量时间。研究结果表明，应变式压杆测压是一种原理简单、量程大、频响高、成本低、抗干扰能力强的测量方法，可测试爆炸近区壁面的反射压力。在一些工程应用中，为了便于测试，感应端的直径一般略小于主杆直径。文献[11]描述的压杆就是变截面压杆，其感应端直径为7mm，主杆直径为8mm，当应力波通过截面积发生突然变化的界面时，将发生反射和透射，应力波由杆的小截面传人大截面时，透射扰动弱于入射扰动。波在传播过程中必然要发生变化，因此有必要研究变截面对测试结果的影响，通过数值模拟定量得到变截面压杆对测试结

4、果影响的大致范围。2计算模型计算模型分无变截面压杆和变截面压杆2种，分别对它们进行计算，通过比较研究变截面对测量结果的影响。2．1无变截面压杆取无变截面压杆长度为370mm，直径为5mm，材料为合金钢35CrNi2MoVA，密度为7800kg／111，弹性模量为209GPa，泊松比为0．28，材料屈服极限为1000MPa。纵向单元740个，横截面单元75个，为了提高计算精度，单元尽量划分为规整的六面体。为了节省计算工作量，根据力学对称性原理，计算模型取1／4进行计算，截面处取对称约束。2．2变截面压杆取变截面压杆计算模型主杆直径为5mm，总长度为3

5、70mm，感受端直径为4mm，长度为20mm，材料参数与无变截面压杆一致。有限元计算模型如图1所示。为了规整地划分网格并与第4期宜晨虹等：变截面压杆对应变式压杆压力传感器测量影响173原压杆进行比较，建模时把整个压杆分为3部分，并且保持单元形状与无变截面压杆的单元形状一致。首先研究变截面对不同上升前沿梯形脉冲的影响，然后研究对三角脉冲的影响。脉冲施加在压杆端面，峰值为100MPa。图1变截面有限兀计算模型3计算结果上升前沿为10s的梯形脉冲在变截面压杆中传播至距离端面5、l0、15cm处的波形如图2(b)所示。从图中可以看到，变截面压杆的应力波幅值

6、和波形均发生了很大变化，应力波幅值减小了28％，并且在下降沿之后也有大约10％的反向波动。变截面使波形发生了严重的改变，由梯形变为类似三角形。宅(a)非变截面(b)变截面图2上升前沿为10Ixs的脉冲在变截面和非变截面压杆中传播对比图3(b)是上升前沿为5Ixs的梯形脉冲在变截面压杆中的传播。变截面压杆应力波的幅值减小了21％，并且在下降沿之后也有大约14％的反向波动。变截面使波形发生了严重的改变，由梯形变为不对称凹形。日0／D174高能量密度物理2011年12月t／ms(a)非变截面(b)变截面图3上升前沿为5s的脉冲在变截面和非变截面压杆中传播

7、对比图4(b)是上升前沿为1s的梯形脉冲在变截面压杆中的传播。变截面的压杆应力波的幅值0f。减小了17％，并且在下降宙沿西之后也有大约19％的反向波动。变截面使波形发生了严重的改变，由梯形变为台阶形状。从图4还可以看到，随着传播距离的增加，波形震荡加剧。o．040．O20-o．O2_0．04-o．06_J0．08_0．1O-0．12一)．14oo．02o．04o．()60．08O．10t／mst／ms(a)非变截面(b)变截面图4上升前沿为1s的脉冲在变截面和非变截面压杆中传播对比图5(b)是上升前沿为1s的三角脉冲在变截面压杆中的传播。从图5可以

8、得到，变截面对三角脉冲的峰值应力影响也比较大，三角峰值的误差在12％左右，但是脉冲结束后的反向震荡幅度则变小。震荡的频率也