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第4期 高 能 量 密 度 物 理 NO．4 2011年 12月 HIGH ENERGY DENSITY PHYSICS Dec．，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370mm，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 10 s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