一种基于Hopkinson杆的切鸟载荷测量装置和测量方法

一种基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置和测量方法
技术领域
1.本发明涉及鸟撞试验技术领域，具体是涉及一种鸟撞试验技术领域中的发动机风扇叶片切鸟载荷解耦测量的测量装置和测量方法。


背景技术：

2.飞机和发动机结构的抗鸟撞研究中，冲击试验是结构件抗冲击设计研究中最终和最有效的检验方法，但是为了提高效率和节约成本，现阶段多采用有限元仿真方法对结构进行初期设计和迭代优化。
3.现阶段的鸟撞有限元仿真研究中，一般采用耦合方法，即鸟体和结构的变形是耦合的，例如，将鸟体以光滑粒子流体动力学法(smoothed particle hydrodynamics，sph)进行数值离散，将待研究的目标结构以lagrange法进行数值离散(见bird-strike simulation for certification of the boeing 787composite moveable trailing edge，composite structures，2008年，86期，258-268页)。因此，鸟体、飞机和发动机结构的材料本构模型及参数是有限元仿真研究的重要基础。对于鸟体本构模型及参数，其确定一般采用反演方法，需要根据鸟体数值模型的使用条件，设计等效和简化的结构响应测量试验，获得系统性的基础试验数据作为本构模型确定和本构参数反演的基准参照。
4.例如，风挡、机头、机翼等部件的鸟撞问题可类比为不同角度平板鸟撞的组合，相应的等效平板鸟撞参数测量方法包括：基于平面端或斜面端的hopkinson杆测量鸟撞载荷(见bird impact forces and pressures on rigid and compliant targets，affdl-tr-77-60，university of dayton，1978年)，基于弹塑性平板测量特定点位移、应变、载荷(见鸟体本构参数反演i，ii，航空学报，2011年，32卷，5期，802-811页和812-821页)，基于刚性平板测量特定点压力、载荷(见on the determination of the shock and steady state parameters of gelatine from cylinder impact experiments，international journal of impact engineering，2018年，116期，22-33页)等。
5.为研究和验证适用于发动机风扇叶片鸟撞有限元仿真的鸟体本构模型和参数，需要建立具有实际工况特征的研究条件，即引入切鸟状态。现阶段，已公开的等效切鸟参数测量方法包括：基于模拟叶片弹道摆测量动量(见impact damage on titanium leading edges from small soft body objects，afml-tr-79-4019，university of dayton，1979年)，基于单自由度刚性楔形体滑车测量动量(见characterization of real and substitute birds through experimental and numerical analysis of momentum，average impact forces and residual energy in bird strike on three rigid targets:a flat plate,a wedge and asplitter，international journal of impact engineering，2017年，99期，1-13页)，基于刚性模拟叶片转动圆锥台和光学法测量多向动量(见development and validation of aset-up to measure the transferred multi-axial impact momentum of a bird strike on a booster vane，international journal of impact engineering，2017年，99期，102-110页)。在公开号为cn111579190a的
发明创造中公开了一种基于水平弹射-撞击式叶片切鸟试验装置及试验方法，用于测量载荷。
6.但是，上述模拟叶片弹道摆法、单自由度刚性楔形体滑车法、模拟叶片圆锥台光测法测得的均为整体传递动量，即反映了靶板切鸟全过程后的整体特性，未能精确地分阶段体现出切鸟载荷历程；上述基于水平弹射-撞击式叶片切鸟试验装置的方法能够在一定程度上反映切鸟载荷历程，但是其测得量具有明显的靶板形状、靶板材料性能相关性，且鸟体的大变形与靶板的大变形耦合，未能满足普适性的需要。因此，提供一种能够测量叶片切鸟状态下与叶片变形解耦的载荷历程的切鸟载荷测量装置和测量方法，对于研究与验证待定鸟体本构模型及参数在叶片切鸟状态下的适用性，具有较大的工程科学意义。


技术实现要素：

7.为克服现有的切鸟试验技术不能精确测量与靶板变形解耦的切鸟载荷历程的不足，本发明提出了一种基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置和测量方法。
8.所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置包括hopkinson杆、应变片组件、托架和吸能板；所述hopkinson杆安放在该托架上，并使该hopkinson杆的轴线与空气炮炮管的轴线重合；应变片组件中的第一应变片组和第二应变片组粘贴在该hopkinson杆的圆周表面；所述吸能板固定在托架上，并与该hopkinson杆平面端相邻，用于缓冲受冲击后的所述hopkinson杆并对该hopkinson杆的运动形成限位；所述应变片组件中的各对应变片分别与wheatstone电桥桥盒联接；在切鸟载荷测量装置中设置有激光测速仪和高速摄像机；其特征在于：
9.所述hopkinson杆与空气炮炮口相邻一端的端部为楔形端；该hopkinson杆与吸能板相邻一端的端部为平面端。
10.在所述hopkinson杆与空气炮炮口相邻一端的圆周表面对称地切削有两个平面，并使两个平面的一端相交于该hopkinson杆的端面，形成了该hopkinson杆的楔形端；该楔形端的前端为直线状，该直线为所述楔形端的前缘。在安放该hopkinson杆时，使该前缘沿竖直方向。
11.所述两个平面为该楔形端的两个楔面；各楔面上分别有用于嵌装包边的凹槽；各所述包边的表面与各楔面共同组成了该hopkinson杆的两个迎弹面；所述楔形端的前缘同为各迎弹面的前缘，各迎弹面的后缘均为楔形端楔面边缘形成的c字形曲线；各c字形曲线上均有顶点m，各顶点m位于所在c字形曲线距所述迎弹面前缘的最远端。
12.所述hopkinson杆轴线与各所述迎弹面之间的夹角均为半尖劈角θ；所述hopkinson杆的直径d为试验大纲中质量最大鸟体直径的1.2～1.3倍。
13.所述应变片组件包括第一应变片组和第二应变片组。该第一应变片组和第二应变片组依次沿轴线分布在所述楔形端后缘顶点m与hopkinson杆平面端之间的外圆周表面上并位于应变片粘贴段内；所述第一应变片组和第二应变片组中均包括沿hopkinson杆轴向分布的两对应变片，其中的一对应变片粘接在该hopkinson杆圆周表面的3点方向和9点方向，另一对应变片粘接在该hopkinson杆圆周表面的6点方向和12点方向。各所述应变片的应变片敏感栅均沿该hopkinson杆的轴线方向。
14.在hopkinson杆的楔形端与空气炮炮口之间设置激光测速仪、第一法向高速摄像
机、第二法向高速摄像机和斜向高速摄像机。
15.所述半尖劈角θ＝10
°
～60
°
；通过使用不同半尖劈角的楔形端开展切鸟试验，模拟不同航向速度、叶片转速和叶片前缘角度时的发动机鸟撞条件。
16.所述凹槽自该迎弹面前缘向后缘延伸。所述凹槽的深度为3mm，该凹槽沿迎弹面的长度为该楔面长度的0.5～0.6倍。
17.所述第一应变片组靠近所述楔形端，第二应变片组靠近所述平面端。所述应变片粘贴段的起始点与该迎弹面后缘顶点m之间的距离为d；应变片粘贴段的终止点与所述迎弹面后缘顶点m之间的距离为3d；所述d为该hopkinson杆的直径。
18.所述激光测速仪的两束激光束与空气炮炮管轴线的延长线垂直并相交。所述第一法向高速摄像机的镜头水平放置，并使该镜头垂直于空气炮炮管轴线的延长线，用于在水平视场中拍摄切鸟过程；斜向高速摄像机的镜头水平放置，并使该镜头垂直于hopkinson杆的楔形端的迎弹面，用于在斜向视场中拍摄切鸟过程；第二法向高速摄像机位于该hopkinson杆的楔形端的底部，使该第二法向高速摄像机的镜头竖直向上并垂直于空气炮炮管轴线的延长线，用于在竖直向上视场中拍摄切鸟过程。
19.本发明提出的使用所述装置进行切鸟载荷测量的具体过程是：
20.步骤1，试验准备：
21.所述试验准备包括根据试验大纲，确定hopkinson杆的直径d和长度l，安放hopkinson杆。
[0022]ⅰ确定hopkinson杆的直径d
[0023]
根据各试验大纲中规定的当前试验中质量最大的鸟体和规定的最低初始冲击速度，确定hopkinson杆的直径d和长度l。所述hopkinson杆的直径d为该质量最大鸟体直径的1.2～1.3倍。
[0024]ⅱ确定hopkinson杆的长度l
[0025]
ⅰ
确定理论冲击行程l
ref
和理论冲击时间t
ref
[0026]
理论冲击行程l
ref
为自该鸟体前端与该楔形端前缘接触瞬间起，至该鸟体尾端运动至楔形端迎弹面的行程；理论冲击时间t
ref
为所述鸟体以初始冲击速度v通过理论冲击行程l
ref
的时间。
[0027]
通过公式(1)得到所述理论冲击行程l
ref
：
[0028][0029]
其中，l为鸟体长度，d为鸟体直径。
[0030]
通过公式(2)得到所述理论冲击时间t
ref
：
[0031][0032]
其中，v为鸟体的初始冲击速度。
[0033]
ⅱ
确定hopkinson杆的长度l
[0034]
通过hopkinson杆的预设长度l’确定hopkinson杆的长度l。
[0035]
所述hopkinson杆的预设长度l’应能够使测量得到的切鸟载荷历程不发生压缩波和反射拉伸波波形叠加。
[0036]
若自所述鸟体冲击楔形端迎弹面产生的压缩波到达第二应变片组起，沿hopkinson杆轴线传至该hopkinson杆的平面端，反射为拉伸波并沿该hopkinson杆轴线传播回至该第二应变片组时所需的时间，大于所述理论冲击时间t
ref
，hopkinson杆的预设长度l’确定为hopkinson杆的长度l。
[0037]ⅲ安放hopkinson杆：
[0038]
安放hopkinson杆，使所述hopkinson杆与空气炮炮管同轴，且该hopkinson杆的楔形端位于该hopkinson杆靠近空气炮炮口的一端，并使该楔形端的前缘与空气炮炮口之间的距离为l～3l；所述l为鸟体长度。
[0039]
步骤2，测量装置标定：
[0040]
所述测量装置标定包括测量激光束间距；确定高速摄相机视场中的像素坐标与世界坐标之间的关系；基于标定弹冲击试验，标定hopkinson杆材料的等效弹性模量e。
[0041]ⅰ测量激光束间距
[0042]
测量激光测速仪的两束激光束与空气炮炮管轴线延长线的两个交点之间的水平距离l1。
[0043]ⅱ确定高速摄像机视场中的像素坐标与世界坐标之间的关系
[0044]
在空气炮炮管轴线延长线上放置标定尺，并使该标定尺位于第一法向高速摄像机所拍摄的水平视场中，在该水平视场中测量该标定尺两端沿空气炮炮管轴线延长线的像素坐标差，得到第一法向高速摄像机所拍摄的水平视场中空气炮炮管轴线延长线方向的像素坐标与世界坐标之间的关系。
[0045]ⅲ标定hopkinson杆材料的等效弹性模量e
[0046]
将步骤1中的hopkinson杆水平反转180
°
，使该hopkinson杆的平面端与空气炮炮口相邻，使该hopkinson杆的楔形端与吸能板相邻。使用圆柱形的尼龙pa66标定弹，分别以不同速度冲击所述hopkinson杆的平面端。
[0047]
建立尼龙pa66材质的标定弹冲击hopkinson杆平面端的有限元仿真模型，设置hopkinson杆和标定弹所使用的尼龙pa66为弹性模量为e’的线弹性材料；并通过迭代使仿真载荷历程与试验载荷历程的峰值偏差最小，迭代优化后的弹性模量e’确定为该hopkinson杆的等效弹性模量e。
[0048]
步骤3，试验：
[0049]
所述试验包括发射鸟体，冲击hopkinson杆的楔形端，采集得到电压信号。
[0050]
在步骤1所述的试验准备的基础上开展鸟撞试验，通过空气炮发射鸟体，高压空气推动鸟体沿空气炮炮管轴向加速，鸟体从空气炮炮口飞出后，通过激光测速仪的两束激光束后撞击hopkinson杆的楔形端。在该鸟体通过两束激光束时产生两个时间差为δt1的脉冲信号。所述鸟体撞击hopkinson杆的楔形端并沿迎弹面滑动；在鸟体的撞击下产生冲击波，该冲击波首先表现为压缩波，该压缩波沿hopkinson杆轴线向该hopkinson杆的平面端传播。
[0051]
当该压缩波通过第一应变片组和第二应变片组时，四对应变片被压缩，所述第一wheatstone电桥桥盒组和第二wheatstone电桥桥盒组分别产生电压信号，并被数据采集器记录，反映了鸟体冲击楔形端的载荷历程。当该压缩波沿该hopkinson杆轴线传播至该hopkinson杆的平面端并反射为拉伸波传播回第二应变片组和第一应变片组时，四对应变
片被拉伸，所述第二wheatstone电桥桥盒组和第一wheatstone电桥桥盒组分别产生电压信号，并被数据采集器记录。
[0052]
在该鸟体的冲击下，hopkinson杆在托架上滑动，直至撞击所述吸能板后停止。
[0053]
步骤4，测量数据处理：
[0054]
所述测量数据处理包括基于激光测速仪和高速摄像机的测量结果计算鸟体初始冲击速度；处理应变片测得的电压信号，得到切鸟过程的载荷历程和动量传递历程。
[0055]ⅰ基于激光测速仪的测量结果计算鸟体初始冲击速度
[0056]
根据鸟体通过激光测速仪的两束激光束后所产生的两个脉冲信号的时间差δt1计算得到激光测速仪测得的鸟体的初始冲击速度v1，v1＝l1/δt1。
[0057]ⅱ基于高速摄像机的测量结果计算鸟体初始冲击速度
[0058]
选取第一法向高速摄像机拍摄的鸟体前端进入该高速摄像机视场时刻的图像，选取第一法向高速摄像机拍摄的鸟体前端离开该高速摄像机视场前一时刻的图像，基于像素坐标与世界坐标之间的关系计算鸟体飞行距离l2，基于两个时刻图像的帧数差得到时间差δt2，计算得到第一法向高速摄像机测得的鸟体的速度v2，v2＝l2/δt2。
[0059]ⅲ处理应变片测得的电压信号
[0060]
将由第一应变片组和第二应变片组测得的电压信号根据wheatstone电桥的电桥转换公式处理后得到应变历程ε；该应变历程中，冲击波依次为压缩波和反射的拉伸波，仅提取该压缩波进行分析，该压缩波反映了切鸟过程的载荷历程；该应变历程ε和该hopkinson杆等效弹性模量e、hopkinson杆截面积a的乘积为切鸟过程的载荷历程f，计算公式为：
[0061]
f＝a
·e·
ε (3)
[0062]
载荷历程f的峰值为载荷峰值f
peak
。
[0063]
所述载荷历程f对时间t的积分为切鸟过程的动量传递历程i，反映了切鸟过程中鸟体传递至hopkinson杆的沿该hopkinson杆轴向的动量i，计算公式为：
[0064]
i＝∫f
·
dt (4)
[0065]
动量传递历程i的峰值为切鸟过程中鸟体传递至hopkinson杆的沿该hopkinson杆轴向的传递动量i
t
。
[0066]
步骤5，测量数据有效性分析：
[0067]
所述测量数据有效性分析包括对比高速摄像机和激光测速仪测得的鸟体初始冲击速度，判定速度测量的有效性；对比第一应变片组和第二应变片组共四对应变片测得的载荷历程，判定载荷测量的有效性。
[0068]ⅰ判定速度测量的有效性
[0069]
对比激光测速仪测得的鸟体初始冲击速度v1和第一法向高速摄像机测得的鸟体初始冲击速度v2，若v1与v2之差＜5％，判据计算为：
[0070][0071]
若该判据满足，判定鸟体初始冲击速度测量有效，取v1与v2的平均值作为鸟体初始冲击速度v。
[0072]ⅱ判定载荷测量的有效性
[0073]
第一应变片组包括两对应变片，其中的一对应变片粘接在hopkinson杆圆周表面的3点和9点方向，测得第一应变片组3点和9点方向的载荷历程f
(3,9)
，另一对应变片粘接在hopkinson杆圆周表面的6点和12点方向，测得第一应变片组6点和12点方向的载荷历程f
(6,12)
，由步骤4所述方法得到该两对应变片所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)
，f
peak,(6,12)
和传递动量i
t,(3,9)
，i
t,(6,12)
；所述下标(3,9)表示3点和9点方向，下标(6,12)表示6点和12点方向。比较两对应变片所测得的载荷峰值和传递动量，若该所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)
和f
peak,(6,12)
之差＜5％，且传递动量i
t,(3,9)
和i
t,(6,12)
之差＜5％，判据计算为：
[0074][0075]
若该判据满足，判定在第一应变片组的位置，压缩波已形成平面波，切鸟载荷测量有效，取所述载荷历程f
(3,9)
和所述载荷历程f
(6,12)
的平均值作为第一应变片组的载荷历程f
sg1
，相应地，由步骤4所述方法得到第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
和第一应变片组的传递动量i
t,sg1
，并得到第一应变片组的冲击时间t，冲击时间t为第一应变片组的载荷历程f
sg1
中压缩波持续的时间。
[0076]
第二应变片组包括两对应变片，其中一对应变片粘接在hopkinson杆圆周表面的3点和9点方向，测得第二应变片组3点和9点方向的载荷历程f
(3,9)’，另一对应变片粘接在hopkinson杆圆周表面的6点和12点方向，测得第二应变片组6点和12点方向的载荷历程f
(6,12)’，相应地，由步骤4所述方法得到该两对应变片所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)’，f
peak,(6,12)’和传递动量i
t,(3,9)’，i
t,(6,12)’；下标(3,9)表示3点和9点方向，下标(6,12)表示6点和12点方向。比较两对应变片所测得的载荷峰值和传递动量，若该所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)’和f
peak,(6,12)’之差＜5％，且传递动量i
t,(3,9)’和i
t,(6,12)’之差＜5％，判据计算为：
[0077][0078]
若该判据满足，判定在第二应变片组的位置，压缩波保持为平面波，切鸟载荷测量有效，取所述载荷历程f
(3,9)’和所述载荷历程f
(6,12)’的平均值作为第二应变片组的载荷历程f
sg2
，相应地，由步骤4所述方法得到第二应变片组的载荷峰值f
peak,sg2
和第二应变片组的传递动量i
t,sg2
，并得到第二应变片组的冲击时间t’，冲击时间t’为第二应变片组的载荷历程f
sg2
中压缩波持续的时间。
[0079]
对比所述第一应变片组和第二应变片组的载荷峰值和传递动量，若第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
和第二应变片组的载荷峰值f
peak,sg2
之差＜5％，且第一应变片组的传递动量i
t,sg1
和第二应变片组的传递动量i
t,sg2
之差＜5％，判据计算为：
[0080][0081]
若该判据满足，判定压缩波从第一应变片组的位置传播至第二应变片组的位置过程中，弥散效应对该压缩波的影响符合试验大纲的要求，切鸟载荷测量有效；取第一应变片组的载荷历程f
sg1
和第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
、第一应变片组的传递动量i
t,sg1
、第一应变片组的冲击时间t作为经验指标分析的基础。
[0082]
步骤6，经验指标分析：
[0083]
所述经验指标分析包括对测量得到的响应特征进行无量纲化处理，形成切鸟载荷的经验指标，所述响应特征包括载荷峰值、传递动量、动量质心时间。
[0084]
经验指标分析的具体过程是：
[0085]ⅰ获取理论传递动量i
ref
和理论平均作用力f
ref
[0086]
通过公式(9)得到理论传递动量i
ref
[0087]iref
＝m
·
(vsinθ)
·
sinθ＝mvsin2θ(9)
[0088]
公式(9)中，m为鸟体质量。
[0089]
通过公式(10)得到理论作用力f
ref
[0090][0091]
所述理论平均作用力f
ref
为单位理论冲击时间t
ref
的理论传递动量i
ref
。
[0092]ⅱ获取无量纲化的载荷峰值f
peak,n
、动量传递率mt和无量纲化动量质心时间t
cen,n
[0093]
所述无量纲化的载荷峰值f
peak,n
为所述第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
与理论平均作用力f
ref
的比值。
[0094]
以动量传递率mt表征无量纲化传递动量；所述动量传递率mt为第一应变片组的传递动量i
t,sg1
与初始动量i
initial
的比值；所述初始动量i
initial
为鸟体质量m与初始冲击速度v的乘积；i
initial
＝mv。
[0095]
无量纲化动量质心时间t
cen,n
为第一应变片组的1/2动量传递历程所需的时间t
cen
与第一应变片组的冲击时间t的比值。第一应变片组的1/2动量传递历程所需的时间t
cen
指基于第一应变片组的载荷历程f
sg1
，由步骤4所述方法得到的动量传递历程中，传递动量为i
t,sg1
/2时所需的时间。
[0096]
至此，完成了使用所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置进行切鸟载荷测量的过程。
[0097]
本发明解决了现有发动机风扇叶片鸟撞研究中由于鸟体动态变形与叶片变形耦合导致切鸟载荷历程无法精准测量的问题，为发动机风扇叶片切鸟问题研究及特别是鸟体本构模型和参数优化研究提供基础数据。
[0098]
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
[0099]
围绕发动机风扇叶片鸟撞的工程科学问题，针对叶片切鸟问题的基础研究，本发
明提出了一种基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置和测量方法。
[0100]
本发明提出的基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置，通过将尼龙pa66制成的hopkinson杆的一端加工为带凹槽的楔形端，并在凹槽内粘接与凹槽形状相同的钛合金tc4制成的包边，使以含包边的楔形端构成准刚性靶板，并使提供切鸟加载的靶板和提供测量的hopkinson杆实现一体化，将不同航向速度、叶片转速、叶片前缘角度的发动机鸟撞条件等效简化为不同半尖劈角θ的准刚性靶板切鸟的基础问题，测量得到与靶板变形解耦的精确的切鸟过程的载荷历程，有利于得到普适性的响应规律。
[0101]
相比于金属材料制成的hopkinson杆，由于尼龙pa66的波速低，采用尼龙pa66制成的hopkinson杆有效减小了装置的占地面积，提高了试验的便利性。
[0102]
本发明提出应变片粘贴段起始点与楔形端后缘顶点之间的距离为d，应变片粘贴段终止点与楔形端后缘顶点之间的距离为3d，能够使：当冲击波到达第一应变片组时，由于第一应变片组所在位置与所述后缘顶点的距离＞d，根据圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，此处，冲击波已形成平面波；当冲击波到达第二应变片组时，由于第二应变片组所在位置与所述后缘顶点的距离＜3d，冲击波传播行程较短，弥散效应对冲击波无明显影响。本发明中，hopkinson杆轴向的同一位置点，一对应变片粘贴在hopkinson杆圆周表面的3点方向和9点方向，一对应变片粘贴在hopkinson杆圆周表面的6点方向和12点方向，用于判定圣维南原理和广义波阻抗不匹配对冲击波在hopkinson杆截面内的影响，进而判定在应变片组的位置冲击波是否已形成平面波。
[0103]
相比于目前已提出的用于叶片切鸟研究的模拟叶片弹道摆法、单自由度刚性楔形体滑车法、模拟叶片圆锥台光测法，本发明能够获得靶板切鸟的全流程载荷历程，而非仅切鸟过程结束后的整体动量传递，当两次切鸟试验的动量传递历程相近时，会出现两次试验的载荷历程存在较大差异的情况，测量精确的载荷历程并由载荷历程对时间积分得到动量传递历程，相比于现有试验技术中直接以传递动量为测量目标，本发明的技术方案有利于更全面地研究切鸟过程的特征；相比于目前已提出的用于叶片切鸟研究的基于水平弹射-撞击式叶片切鸟试验装置的方法，本发明能够将叶片变形与鸟体动态行为解耦，弱化靶板尺寸、刚度特征的影响。
[0104]
本发明通过试验准备、测量装置标定、试验、测量数据处理、测量数据有效性分析、经验指标分析，获得真实鸟有效的全流程载荷历程并积分得到动量传递历程，分别对不同质量的鸟体在不同初始冲击速度下开展切鸟试验，以获得若干组包括无量纲化载荷峰值f
peak,n
、动量传递率mt和无量纲化动量质心时间t
cen,n
的试验数据，从多角度表征了切鸟过程的响应特征及其分布规律。将所述切鸟过程的响应特征及其分布规律作为判定有限元仿真中所使用的鸟体模型和本构参数与真实鸟之间等效性的依据，当有限元仿真中的响应特征及其分布规律与真实鸟体现出的响应特征及其分布规律一致时，认为该有限元仿真中所使用的鸟体模型和本构参数与真实鸟在该切鸟条件下等效，进而推广该鸟体模型和本构参数。本发明亦能够用于表征人工鸟的响应特征及其分布规律，并作为判定人工鸟与真实鸟之间等效性的依据。
[0105]
为验证本发明的效果，基于本发明的含半尖劈角θ＝30
°
的切鸟载荷测量装置，进行了两次重复性试验，该两次试验分别为一号试验和二号试验。参阅图8、图9，所述一号试验的动量传递历程29和二号试验的动量传递历程30相近时，会出现一号试验的载荷历程27
和二号试验的载荷历程28存在较大差异的情况，根据本发明，测量精确的切鸟过程的载荷历程并由载荷历程对时间积分得到切鸟过程的动量传递历程，相比于现有试验技术中直接以传递动量为测量量，本发明的技术方案有利于更全面地研究切鸟过程的特征。
[0106]
采用本发明的技术方案进行不同质量鸟体在不同初始冲击速度下的试验。图10、图11和图12分别为基于本发明的含半尖劈角θ＝30
°
的切鸟载荷测量装置，根据试验大纲，得到的280g、680g、1000g共计18组真实鸟分别在120m/s～200m/s初始冲击速度下的无量纲化载荷峰值f
peak,n
、动量传递率mt和无量纲化动量质心时间t
cen,n
。在图10、图11和图12中，圆形表示280g鸟体，三角形表示680g鸟体，正方形表示1000g鸟体。参阅图10，随初始冲击速度增加，无量纲化载荷峰值f
peak,n
的分布保持恒定；参阅图11，随初始冲击速度增加，动量传递率mt的分布呈减小趋势，且较小质量鸟体的动量传递率mt高于较大质量鸟体；参阅图12，随初始冲击速度增加，无量纲化动量质心时间t
cen,n
的分布保持恒定。
[0107]
当参照本发明的测量装置和测量方法所建立的有限元仿真中得到的无量纲化载荷峰值f
peak,n
、传递动量mt、动量质心时间t
cen,n
和图10、图11、图12中真实鸟呈现的分布规律一致时，认为该有限元仿真中使用的鸟体模型和本构参数能够适用于本发明的切鸟条件，进而推广该鸟体模型和本构参数。
附图说明
[0108]
图1为基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置的俯视图。
[0109]
图2为图1的侧视图。
[0110]
图3为图1的正视图。
[0111]
图4为等效弹性模量标定试验的俯视图。
[0112]
图5为本发明的流程图。
[0113]
图6为楔形端有包边和无包边时的仿真载荷历程示意图。
[0114]
图7为等效弹性模量标定的试验载荷历程和仿真载荷历程对比图。
[0115]
图8为试验时所测得的载荷历程示意图。
[0116]
图9为试验时所测得的动量传递历程示意图。
[0117]
图10为无量纲化载荷峰值示意图。
[0118]
图11为动量传递率示意图。
[0119]
图12为无量纲化动量质心时间示意图。
[0120]
图中：1.空气炮炮管；2.空气炮炮口；3.鸟体；4.激光测速仪；5.第一法向高速摄像机；6.斜向高速摄像机；7.包边；8.楔形端；9.hopkinson杆；10.第一应变片组；11.第二应变片组；12.第一wheatstone电桥桥盒组；13.第二wheatstone电桥桥盒组；14.直流稳压电源；15.数据采集器；16.吸能板；17.托架；18.第二法向高速摄像机；19.标定弹；20.平面端；21.楔形端无包边时的仿真载荷历程；22.楔形端有包边时的仿真载荷历程；23.尼龙子弹以3m/s速度冲击平面端时的试验载荷历程；24.尼龙子弹以3m/s速度冲击平面端时的仿真载荷历程；25.尼龙子弹以6m/s速度冲击平面端时的试验载荷历程；26.尼龙子弹以6m/s速度冲击平面端时的仿真载荷历程；27.一号试验的载荷历程；28.二号试验的载荷历程；29.一号试验的动量传递历程；30.二号试验的动量传递历程；m.楔形端楔面c字形后缘顶点。
具体实施方式
[0121]
本实施例是一种基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置，包括hopkinson杆9、应变片组件、托架和吸能板。其中，所述hopkinson杆安放在该托架17上；应变片组件中的第一应变片组10和第二应变片组11粘贴在该hopkinson杆的圆周表面；该hopkinson杆与空气炮炮口2相邻的端部为楔形端8，另一端为平面端20。所述吸能板16与该平面端相邻。试验时，发射的鸟体3在空气炮炮管1中加速并从空气炮炮口2飞出后，撞击该hopkinson杆的楔形端8，产生冲击波并沿该hopkinson杆轴向传播。
[0122]
所述hopkinson杆安放在托架17上，并使该hopkinson杆的轴线与空气炮炮管1的轴线重合；该hopkinson杆与空气炮炮口2相邻一端的端部为楔形端8，该hopkinson杆的与吸能板16相邻一端的端部为平面端20。
[0123]
所述hopkinson杆9采用尼龙pa66制成，该hopkinson杆的长度l和直径d均根据试验大纲中鸟体的质量和初始冲击速度确定：其中，所述hopkinson杆9的直径d大于试验大纲中质量最大鸟体横截面外接圆的直径；同时考虑试验时鸟体的形状、飞行姿态、撞击位置误差设置所述hopkinson杆9的直径d的余量，所述hopkinson杆9的直径d为试验大纲中质量最大鸟体横截面外接圆直径的1.2～1.3倍；所述hopkinson杆9的长度l按现有技术中的常规方法确定，需满足测量得到的切鸟载荷历程不发生压缩波和反射拉伸波波形叠加的情况。
[0124]
在所述hopkinson杆9与空气炮炮口2相邻一端的圆周表面对称地切削有两个平面，并使两个平面的一端相交于该hopkinson杆的端面，形成了该hopkinson杆的楔形端8；该楔形端的前端为直线状，该直线为所述楔形端8的前缘。在安放该hopkinson杆时，使该前缘沿竖直方向。
[0125]
所述两个平面为该楔形端的两个楔面；各楔面上分别有用于嵌装包边7的凹槽；各所述包边的表面与各楔面共同组成了该hopkinson杆的两个迎弹面；所述楔形端的前缘同为各迎弹面的前缘，各迎弹面的后缘均为楔形端8楔面边缘形成的c字形曲线；各c字形曲线上均有顶点m，各顶点m位于所在c字形曲线距所述迎弹面前缘的最远端。
[0126]
所述hopkinson杆9轴线与各所述迎弹面之间的夹角均为半尖劈角θ，θ＝10
°
～60
°
；通过使用不同半尖劈角的楔形端8开展切鸟试验，模拟不同航向速度、叶片转速和叶片前缘角度时发动机鸟撞条件。
[0127]
所述楔面的凹槽自该迎弹面前缘向后缘延伸。所述凹槽的深度为3mm，该凹槽沿迎弹面的长度为该楔面长度的0.5～0.6倍。凹槽中嵌装并固定有与凹槽形状相同的、采用钛合金tc4制成的包边7，形成了有包边的迎弹面；通过包边提高楔形端的刚度、强度和硬度，使该含包边的楔形端8为准刚性切鸟靶板。
[0128]
所述包边7采用钛合金tc4材料制成，楔形端8采用尼龙pa66材料制成，两种材料的波阻抗不匹配；但由于包边7的厚度仅为3mm，在加载后的瞬时即能达到应力平衡。图6为hopkinson杆直径d＝110mm、半尖劈角θ＝30
°
、包边沿迎弹面的长度为60mm，且鸟体重量为280g、鸟体初始冲击速度为130m/s时，获得的楔形端8有包边时的仿真载荷历程22和楔形端8无包边时的仿真载荷历程21。对比所述有包边时的仿真载荷历程和无包边时的仿真载荷历程可以看出，包边7不仅能够提高楔形端的刚度、强度和硬度，能够辅助滤除切鸟载荷中的高频分量，并且对载荷历程的测量无影响，不会造成所测得载荷历程的波形失真。
[0129]
所述应变片组件包括第一应变片组10和第二应变片组11。该第一应变片组和第二
应变片组依次沿hopkinson杆轴线分布在所述迎弹面后缘顶点m与hopkinson杆平面端20之间的外圆周表面上并位于应变片粘贴段内；第一应变片组10靠近所述楔形端8，第二应变片组11靠近所述平面端20。所述应变片粘贴段的起始点与该迎弹面后缘顶点m之间的距离为d，应变片粘贴段的终止点与所述后缘顶点m之间的距离为3d，所述d为该hopkinson杆的直径。
[0130]
所述第一应变片组和第二应变片组中均包括沿hopkinson杆轴向分布的两对应变片，其中的一对应变片粘接在如图3所示该hopkinson杆圆周表面的3点方向和9点方向，另一对应变片粘接在如图3所示该hopkinson杆圆周表面的6点方向和12点方向。各所述应变片的应变片敏感栅均沿该hopkinson杆的轴线方向。
[0131]
当所述hopkinson杆9的压缩性能满足线弹性时，应变片组测得的应变历程与切鸟载荷历程呈线性转换关系，使所述hopkinson杆能够精确测量切鸟载荷历程。
[0132]
按常规方法将所述第一应变片组10的两对应变片分别与第一wheatstone电桥桥盒组12中的两个wheatstone电桥桥盒联接；将所述第二应变片组11的两对应变片分别与第二wheatstone电桥桥盒组13中的两个wheatstone电桥桥盒联接；所述第一wheatstone电桥桥盒组12和第二wheatstone电桥桥盒组13中的四个wheatstone电桥均采用现有技术中的对臂测量方法。按现有技术中的常规方法，将所述第一wheatstone电桥桥盒组12和第二wheatstone电桥桥盒组的13中的共计四个wheatstone电桥桥盒的输出端口与数据采集器15的输入端口联接；所述第一wheatstone电桥桥盒组12和第二wheatstone电桥桥盒组13分别与直流稳压电源14联接，由直流稳压电源14为四个wheatstone电桥桥盒供电。按现有技术中的常规方法，将直流稳压电源14和数据采集器15接地。
[0133]
按常规方法，在所述hopkinson杆9的楔形端8与空气炮炮口2之间设置激光测速仪4、第一法向高速摄像机5、第二法向高速摄像机18和斜向高速摄像机6。按常规方法使所述激光测速仪4的两束激光束与空气炮炮管1轴线的延长线垂直并相交，并将该激光测速仪与数据采集器15联接。按常规方法将所述第一法向高速摄像机5设置于该hopkinson杆的一侧，使该第一法向高速摄像机的镜头水平放置，并使该镜头垂直于空气炮炮管的延长线，用于在水平视场拍摄切鸟过程；所述斜向高速摄像机6设置于该hopkinson杆的另一侧，使该斜向高速摄像机的镜头水平放置，并使该镜头垂直于hopkinson杆的楔形端的迎弹面，用于在斜向视场拍摄切鸟过程；所述第二法向高速摄像机18设置于该hopkinson杆的楔形端8的底部，使该第二法向高速摄像机的镜头竖直向上并垂直于空气炮炮管1轴线的延长线，用于在竖直向上视场拍摄切鸟过程。
[0134]
所述托架17固定在地面上，该托架上表面的两端分别固定设置有一组支撑杆，每组支撑杆含两根支撑杆，分别位于该托架的两个侧边上；每组支撑杆上分别安装有滚轮轴，各所述滚轮轴上分别安装有两个滚轮；各滚轮轴上的两个滚轮的间距满足hopkinson杆的支撑，并与滚轮轴无干涉。所述hopkinson杆9安放在托架17的滚轮上，使该hopkinson杆能够在所述托架上滑动。
[0135]
所述吸能板16固定在托架17上，并与所述hopkinson杆平面端相邻，用于缓冲受冲击后的hopkinson杆并对该hopkinson杆的运动形成限位；吸能板16采用现有技术。
[0136]
本实施例提出的使用所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置进行切鸟载荷测量的方法，包括试验准备、测量装置标定、试验、测量数据处理、测量数据有效性分析、经验
指标分析6个步骤，具体过程是：
[0137]
步骤1，试验准备：
[0138]
所述试验准备包括根据试验大纲，确定hopkinson杆的直径d和长度l，安放hopkinson杆。
[0139]ⅰ确定hopkinson杆的直径d
[0140]
根据试验大纲中规定的当前试验中质量最大的鸟体和规定的最低初始冲击速度，确定hopkinson杆9的直径d和长度l。所述hopkinson杆9的直径d为该质量最大鸟体直径的1.2～1.3倍。
[0141]ⅱ确定hopkinson杆的长度l
[0142]
ⅰ
确定理论冲击行程l
ref
和理论冲击时间t
ref
[0143]
理论冲击行程l
ref
为自该鸟体前端与所述楔形端前缘接触瞬间起，该鸟体尾端运动至楔形端8迎弹面的行程；理论冲击时间t
ref
为所述鸟体以初始冲击速度v通过理论冲击行程l
ref
的时间。
[0144]
通过公式(1)得到所述理论冲击行程l
ref
：
[0145][0146]
其中,l为鸟体长度，d为鸟体直径。
[0147]
通过公式(2)得到所述理论冲击时间t
ref
：
[0148][0149]
其中，v为鸟体的初始冲击速度。
[0150]
本实施例中，所述楔形端8的半尖劈角θ为30
°
，试验大纲规定的质量最大鸟体为1000g，规定的鸟体最低初始冲击速度为120m/s，鸟体的外形为长径比为2：1的圆柱形，鸟体的密度为950kg/m3。1000g鸟体的长度为176mm，直径d为88mm；所述hopkinson杆9的直径d为该1000g鸟体直径的1.2～1.3倍，确定该hopkinson杆的直径d为110mm；所述第二应变片组11的位置位于所述应变片粘贴段内，与所述迎弹面前缘的距离为400mm；该1000g鸟体的理论冲击行程l
ref
为252.2mm，在120m/s初始冲击速度下的理论冲击时间t
ref
为2.1ms。
[0151]
ⅱ
确定hopkinson杆的长度l
[0152]
通过预设hopkinson杆的长度l’，确定hopkinson杆的长度l。
[0153]
所预设hopkinson杆的长度l’应能够使测量得到的切鸟载荷历程不发生压缩波和反射拉伸波波形叠加；为满足切鸟载荷历程不发生压缩波和反射拉伸波波形叠加，需要使：自所述鸟体3冲击所述楔形端8迎弹面产生的压缩波到达所述第二应变片组11起，沿hopkinson杆9轴线传至该hopkinson杆的平面端20，反射为拉伸波并沿该hopkinson杆轴线传播回至该第二应变片组时所需的时间，大于所述理论冲击时间t
ref
；若该条件满足，将预设的hopkinson杆的长度l’确定为使用的hopkinson杆的长度l。
[0154]
本实施例中，预设l’＝3000mm。自所述压缩波到达第二应变片组11，沿该hopkinson杆轴向传播至平面端20，反射为拉伸波并传播回至第二应变片组11时，波的总传播行程为5200mm，尼龙pa66的波速为1800m/s，传播历时为2.9ms，大于2.1ms的理论冲击时间，压缩波不会与反射回的拉伸波叠加造成试验数据分析困难，预留hopkinson杆长度的余
量，因此设置hopkinson杆的长度l为3000mm是合理的。
[0155]ⅲ安放hopkinson杆
[0156]
安放hopkinson杆，使hopkinson杆9与空气炮管1同轴，且该hopkinson杆的楔形端8位于该hopkinson杆靠近空气炮炮口2的一端，并使该楔形端的前缘与空气炮炮口2之间的距离为l～3l，所述l为鸟体长度，有利于安置激光测速仪、高速摄像机，并有利于测量鸟体初始冲击速度。
[0157]
步骤2，测量装置标定：
[0158]
所述测量装置标定包括测量激光束间距；确定高速摄相机视场中的像素坐标与世界坐标之间的关系；基于标定弹冲击试验，标定hopkinson杆材料的等效弹性模量e。
[0159]ⅰ测量激光束间距
[0160]
按常规方法测量激光测速仪4的两束激光束与空气炮炮管1轴线延长线的两个交点之间的水平距离l1。
[0161]ⅱ确定高速摄像机视场中的像素坐标与世界坐标之间的关系
[0162]
按常规方法，在空气炮炮管1轴线延长线上放置标定尺，并使该标定尺位于第一法向高速摄像机5所拍摄的水平视场中，在该视场中测量该标定尺两端沿空气炮炮管1轴线延长线的像素坐标差，得到第一法向高速摄像机5所拍摄的水平视场中空气炮炮管1轴线延长线方向的像素坐标与世界坐标之间的关系。
[0163]ⅲ标定hopkinson杆材料的等效弹性模量e
[0164]
如图4所示，将步骤1中的hopkinson杆9水平反转180
°
，使该hopkinson杆的平面端20与空气炮炮口2相邻，使该hopkinson杆的楔形端8与吸能板16相邻。使用圆柱形尼龙pa66标定弹19，分别以不同速度冲击所述hopkinson杆的平面端。
[0165]
建立尼龙pa66材质的标定弹19冲击hopkinson杆平面端20的有限元仿真模型，设置hopkinson杆和标定弹所使用的尼龙pa66为弹性模量为e’的线弹性材料；按常规方法，对尼龙pa66的弹性模量e’迭代优化，使仿真载荷历程与试验载荷历程的峰值偏差最小。将优化后的所述尼龙pa66材料的弹性模量e’作为该hopkinson杆材料的等效弹性模量e，作为测量数据处理的基础。
[0166]
本实施例中，所述尼龙pa66标定弹的长度为400mm、直径为100mm。所述标定弹19分别以3m/s和6m/s速度冲击hopkinson杆9的平面端20，该标定弹以3m/s和6m/s速度冲击hopkinson杆的平面端所产生的载荷幅值为0～60kn，能够覆盖以试验大纲计划的鸟体质量、鸟体初始冲击速度冲击该hopkinson杆的楔形端8时产生的载荷幅值。基于迭代优化后的尼龙pa66的弹性模量e’得到标定弹以3m/s和6m/s冲击hopkinson杆平面端的仿真载荷历程；该标定弹以3m/s冲击该hopkinson杆平面端时仿真载荷历程24和试验载荷历程23的峰值误差小于10％，满足试验大纲要求；该标定弹以6m/s冲击该hopkinson杆平面端时的仿真载荷历程26和试验载荷历程25的峰值误差小于10％，满足试验大纲要求；以该有限元仿真中hopkinson杆所使用的尼龙pa66材料的弹性模量e’作为该hopkinson杆材料的等效弹性模量e。
[0167]
步骤3，试验：
[0168]
所述试验包括发射鸟体，冲击hopkinson杆的楔形端，采集得到电压信号。
[0169]
在步骤1所述的试验准备的基础上开展鸟撞试验，通过空气炮发射鸟体3，高压空
气推动鸟体3沿空气炮炮管1轴向加速，鸟体3从空气炮炮口2飞出后，通过激光测速仪4的两束激光束后撞击hopkinson杆9的楔形端8。在该鸟体通过两束激光束时产生两个脉冲信号，所述两个脉冲信号的时间差为δt1。所述鸟体撞击hopkinson杆9的楔形端8并沿迎弹面滑动；在鸟体的撞击下产生冲击波，该冲击波首先表现为压缩波，该压缩波沿hopkinson杆9轴线向该hopkinson杆的平面端20传播。
[0170]
当该压缩波通过第一应变片组10和第二应变片组11时，四对应变片被压缩，所述第一wheatstone电桥桥盒组12和第二wheatstone电桥桥盒组13分别产生电压信号，并被数据采集器15记录，反映了鸟体3冲击楔形端8的载荷历程。当该压缩波沿该hopkinson杆轴线传播至该hopkinson杆的平面端20并反射为拉伸波传播回第二应变片组11和第一应变片组10时，四对应变片被拉伸，所述第二wheatstone电桥桥盒组13和第一wheatstone电桥桥盒组12分别产生电压信号，并被数据采集器15记录。
[0171]
在该鸟体的冲击下，hopkinson杆在托架17上滑动，直至撞击所述吸能板16后停止。
[0172]
步骤4，测量数据处理：
[0173]
所述测量数据处理包括基于激光测速仪和高速摄像机的测量结果计算鸟体初始冲击速度；处理应变片测得的电压信号，得到切鸟过程的载荷历程和动量传递历程。
[0174]ⅰ基于激光测速仪的测量结果计算鸟体初始冲击速度
[0175]
采用现有技术中的常规方法，根据鸟体3通过激光测速仪4的两束激光束后所产生的两个脉冲信号的时间差δt1计算得到激光测速仪4测得的鸟体3的初始冲击速度v1，这里v1＝l1/δt1。
[0176]ⅱ基于高速摄像机的测量结果计算鸟体初始冲击速度
[0177]
采用现有技术中的常规方法，选取第一法向高速摄像机5拍摄的鸟体前端进入该高速摄像机视场时刻的图像，选取第一法向高速摄像机5拍摄的鸟体前端离开该高速摄像机视场前一时刻的图像，基于所述像素坐标与世界坐标之间的关系计算鸟体3的飞行距离l2，基于两个时刻图像的帧数差得到两个时刻图像的时间差δt2，计算得到第一法向高速摄像机5测得的鸟体3的初始冲击速度v2，这里v2＝l2/δt2。
[0178]ⅲ处理应变片测得的电压信号
[0179]
按常规方法，将由第一应变片组10和第二应变片组11测得的电压信号根据wheatstone电桥的电桥转换公式处理后得到应变历程ε；该应变历程中，冲击波依次为压缩波和反射的拉伸波，仅提取该压缩波进行分析，该压缩波反映了切鸟过程的载荷历程；该应变历程ε和该hopkinson杆等效弹性模量e、hopkinson杆截面积a的乘积为切鸟过程的载荷历程f，计算公式为：
[0180]
f＝a
·e·
ε (3)
[0181]
载荷历程f的峰值为载荷峰值f
peak
。
[0182]
所述载荷历程f对时间t的积分为切鸟过程的动量传递历程i，反映了切鸟过程中鸟体3传递至hopkinson杆9的沿该hopkinson杆轴向的动量，计算公式为：
[0183]
i＝∫f
·
dt (4)
[0184]
动量传递历程i的峰值为切鸟过程中鸟体3传递至hopkinson杆9的沿该hopkinson杆轴向的传递动量i
t
。
[0185]
步骤5，测量数据有效性分析：
[0186]
所述测量数据有效性分析包括对比高速摄像机和激光测速仪测得的鸟体初始冲击速度，判定速度测量的有效性；对比第一应变片组和第二应变片组共四对应变片测得的载荷历程，判定载荷测量的有效性。
[0187]ⅰ判定速度测量的有效性
[0188]
对比激光测速仪4测得的鸟体初始冲击速度v1和第一法向高速摄像机5测得的鸟体初始冲击速度v2，若v1与v2之差＜5％，判据计算为：
[0189][0190]
若该判据满足，判定鸟体初始冲击速度测量有效，取v1与v2的平均值作为鸟体初始冲击速度v。
[0191]ⅱ判定载荷测量的有效性
[0192]
第一应变片组10包括两对应变片，其中的一对应变片粘接在hopkinson杆9圆周表面的3点和9点方向，测得第一应变片组3点和9点方向的载荷历程f
(3,9)
，另一对应变片粘接在hopkinson杆9圆周表面的6点和12点方向，测得第一应变片组6点和12点方向的载荷历程f
(6,12)
，相应地，由步骤4所述方法得到该两对应变片所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)
，f
peak,(6,12)
和传递动量i
t,(3,9)
，i
t,(6,12)
；这里，下标(3,9)表示3点和9点方向，下标(6,12)表示6点和12点方向。比较两对应变片所测得的载荷峰值和传递动量，若该所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)
和f
peak,(6,12)
之差＜5％，且传递动量i
t,(3,9)
和i
t,(6,12)
之差＜5％，判据计算为：
[0193][0194]
若该判据满足，判定在第一应变片组10的位置，压缩波已形成平面波，切鸟载荷测量有效，取所述载荷历程f
(3,9)
和载荷历程f
(6,12)
的平均值作为第一应变片组的载荷历程f
sg1
，相应地，由步骤4所述方法得到第一应变片组10的载荷峰值f
peak,sg1
和第一应变片组10的传递动量i
t,sg1
，并得到第一应变片组10的冲击时间t，冲击时间t为第一应变片组的载荷历程f
sg1
中压缩波持续的时间。
[0195]
第二应变片组11包括两对应变片，其中一对应变片粘接在hopkinson杆9圆周表面的3点和9点方向，测得第二应变片组3点和9点方向的载荷历程f
(3,9)’，另一对应变片粘接在hopkinson杆9圆周表面的6点和12点方向，测得第二应变片组6点和12点方向的载荷历程f
(6,12)’，相应地，由步骤4所述方法得到该两对应变片所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)’，f
peak,(6,12)’和传递动量i
t,(3,9)’，i
t,(6,12)’；这里，下标(3,9)表示3点和9点方向，下标(6,12)表示6点和12点方向。比较两对应变片所测得的载荷峰值和传递动量，若该所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)’和f
peak,(6,12)’之差＜5％，且传递动量i
t,(3,9)’和i
t,(6,12)’之差＜5％，判据计算为：
[0196][0197]
若该判据满足，判定在第二应变片组11的位置，压缩波保持为平面波，切鸟载荷测量有效，取所述载荷历程f
(3,9)’和所述载荷历程f
(6,12)’的平均值作为第二应变片组的载荷历程f
sg2
，相应地，由步骤4所述方法得到第二应变片组11的载荷峰值f
peak,sg2
和第二应变片组11的传递动量i
t,sg2
，并得到第二应变片组11的冲击时间t’，冲击时间t’为第二应变片组的载荷历程f
sg2
中压缩波持续的时间。
[0198]
对比所述第一应变片组10和第二应变片组11的载荷峰值和传递动量，若第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
和第二应变片组的载荷峰值f
peak,sg2
之差＜5％，且第一应变片组的传递动量i
t,sg1
和第二应变片组的传递动量i
t,sg2
之差＜5％，判据计算为：
[0199][0200]
若该判据满足，判定压缩波从第一应变片组10的位置传播至第二应变片组11的位置过程中，弥散效应对该压缩波的影响符合试验大纲的要求，切鸟载荷测量有效；取第一应变片组的载荷历程f
sg1
和第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
、第一应变片组的传递动量i
t,sg1
、第一应变片组的冲击时间t作为经验指标分析的基础。
[0201]
步骤6，经验指标分析：
[0202]
所述经验指标分析包括对测量得到的响应特征进行无量纲化处理，形成切鸟载荷的经验指标，所述响应特征包括载荷峰值、传递动量、动量质心时间。
[0203]
经验指标分析的具体过程是：
[0204]ⅰ获取理论传递动量i
ref
和理论平均作用力f
ref
[0205]
通过公式(9)得到理论传递动量i
ref
[0206]iref
＝m
·
(vsinθ)
·
sinθ＝mvsin2θ(9)
[0207]
式(9)中，m为鸟体质量。
[0208]
通过公式(10)得到理论平均作用力f
ref
[0209][0210]
所述理论平均作用力f
ref
为单位理论冲击时间t
ref
的理论传递动量i
ref
。
[0211]ⅱ获取无量纲化载荷峰值f
peak,n
、动量传递率mt和无量纲化动量质心时间t
cen,n
[0212]
所述无量纲化载荷峰值f
peak,n
为所述第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
与理论平均作用力f
ref
的比值。
[0213]
以动量传递率mt表征无量纲化传递动量；所述动量传递率mt为第一应变片组的传
递动量i
t,sg1
与初始动量i
initial
的比值；所述初始动量i
initial
为鸟体质量m与初始冲击速度v的乘积；i
initial
＝mv。
[0214]
无量纲化动量质心时间t
cen,n
为第一应变片组的1/2动量传递历程所需的时间t
cen
与第一应变片组的冲击时间t的比值。第一应变片组的1/2动量传递历程所需的时间t
cen
指基于第一应变片组的载荷历程f
sg1
，由步骤4所述方法得到的动量传递历程中，传递动量为i
t,sg1
/2时所需的时间。
[0215]
至此，完成了使用所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置进行切鸟载荷测量的过程。

技术特征：
1.一种基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置，包括hopkinson杆、应变片组件、托架和吸能板；所述hopkinson杆(9)安放在该托架(17)上，并使该hopkinson杆的轴线与空气炮炮管(1)的轴线重合；应变片组件中的第一应变片组(10)和第二应变片组(11)粘贴在该hopkinson杆的圆周表面；所述吸能板(16)固定在托架(17)上，并与该hopkinson杆平面端相邻，用于缓冲受冲击后的所述hopkinson杆并对该hopkinson杆的运动形成限位；所述应变片组件中的各对应变片分别与wheatstone电桥桥盒联接；在切鸟载荷测量装置中设置有激光测速仪和高速摄像机；其特征在于，所述hopkinson杆与空气炮炮口(2)相邻一端的端部为楔形端；该hopkinson杆的与吸能板(16)相邻一端的端部为平面端(20)；在所述hopkinson杆与空气炮炮口相邻一端的圆周表面对称地切削有两个平面，并使两个平面的一端相交于该hopkinson杆的端面，形成了该hopkinson杆的楔形(8)；该楔形端的前端为直线状，该直线为所述楔形端的前缘；在安放该hopkinson杆时，使该前缘沿竖直方向；所述两个平面为该楔形端的两个楔面；各楔面上分别有用于嵌装包边(7)的凹槽；各所述包边的表面与各楔面共同组成了该hopkinson杆的两个迎弹面；所述楔形端的前缘同为各迎弹面的前缘，各迎弹面的后缘均为楔形端(8)楔面边缘形成的c字形曲线；各c字形曲线上均有顶点m，各顶点m位于所在c字形曲线距所述迎弹面前缘的最远端；所述hopkinson杆轴线与各所述迎弹面之间的夹角均为半尖劈角θ，所述hopkinson杆的直径d为试验大纲中质量最大鸟体直径的1.2～1.3倍；所述应变片组件包括第一应变片组(10)和第二应变片组(11)；该第一应变片组和第二应变片组依次沿轴线分布在所述楔形端(8)后缘顶点m与hopkinson杆平面端(20)之间的外圆周表面上并位于应变片粘贴段内；所述第一应变片组和第二应变片组中均包括沿hopkinson杆轴向分布的两对应变片，其中的一对应变片粘接在该hopkinson杆圆周表面的3点方向和9点方向，另一对应变片粘接在该hopkinson杆圆周表面的6点方向和12点方向；各所述应变片的应变片敏感栅均沿该hopkinson杆的轴线方向；在hopkinson杆的楔形端与空气炮炮口(2)之间设置激光测速仪(4)、第一法向高速摄像机(5)、第二法向高速摄像机(18)和斜向高速摄像机(6)。2.如权利要求1所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置，其特征在于，所述半尖劈角θ＝10
°
～60
°
；通过使用不同半尖劈角的楔形端(8)开展切鸟试验，模拟不同航向速度、叶片转速和叶片前缘角度时发动机鸟撞条件。3.如权利要求1所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置，其特征在于，所述凹槽自该迎弹面前缘向后缘延伸；所述凹槽的深度为3mm，该凹槽沿迎弹面的长度为该楔面长度的0.5～0.6倍。4.如权利要求1所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置，其特征在于，所述第一应变片组(10)靠近所述楔形端，第二应变片组(11)靠近所述平面端(20)；所述应变片粘贴段的起始点与该迎弹面后缘顶点m之间的距离为d；应变片粘贴段的终止点与所述迎弹面后缘顶点m之间的距离为3d，所述d为该hopkinson杆的直径。5.如权利要求1所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置，其特征在于，所述激光测速仪(4)的两束激光束与空气炮炮管(1)轴线的延长线垂直并相交；所述第一法向高速摄像
机的镜头水平放置，并使该镜头垂直于空气炮炮管轴线的延长线，用于在水平视场中拍摄切鸟过程；斜向高速摄像机的镜头水平放置，并使该镜头垂直于hopkinson杆的楔形端的迎弹面，用于在斜向视场中拍摄切鸟过程；第二法向高速摄像机(18)位于该hopkinson杆的楔形端的底部，使该第二法向高速摄像机的镜头竖直向上并垂直于空气炮炮管(1)轴线的延长线，用于在竖直向上视场中拍摄切鸟过程。6.一种使用权利要求1所述装置进行切鸟载荷测量的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，试验准备：所述试验准备包括根据试验大纲，确定hopkinson杆的直径d和长度l，安放hopkinson杆；ⅰ确定hopkinson杆的直径d：根据试验大纲中规定的当前试验中质量最大的鸟体和规定的最低初始冲击速度，确定hopkinson杆的直径d；ⅱ确定hopkinson杆的长度l：
ⅰ
确定理论冲击行程l
ref
和理论冲击时间t
ref
；
ⅱ
确定hopkinson杆的长度l；ⅲ安放hopkinson杆：安放hopkinson杆，使hopkinson杆与空气炮炮管(1)同轴，且该hopkinson杆的楔形端位于该hopkinson杆靠近空气炮炮口的一端，并使该楔形端的前缘与空气炮炮口之间的距离为l～3l；所述l为鸟体长度；步骤2，测量装置标定：所述测量装置标定包括测量激光束间距；确定高速摄相机视场中的像素坐标与世界坐标之间的关系；基于标定弹冲击试验，标定hopkinson杆材料的等效弹性模量e；ⅰ测量激光束间距；ⅱ确定高速摄像机视场中的像素坐标与世界坐标之间的关系；ⅲ标定hopkinson杆材料的等效弹性模量e；步骤3，试验：所述试验包括发射鸟体、冲击hopkinson杆的楔形端，采集得到电压信号；步骤4，测量数据处理：所述测量数据处理包括基于激光测速仪和高速摄像机的测量结果计算鸟体初始冲击速度；处理应变片测得的电压信号，得到切鸟过程的载荷历程和动量传递历程；ⅰ基于激光测速仪的测量结果计算鸟体初始冲击速度；ⅱ基于高速摄像机的测量结果计算鸟体初始冲击速度；ⅲ处理应变片测得的电压信号；将由第一应变片组和第二应变片组测得的电压信号根据wheatstone电桥的电桥转换公式处理后得到应变历程ε；该应变历程中，冲击波依次为压缩波和反射的拉伸波，仅提取该压缩波进行分析，该压缩波反映了切鸟过程的载荷历程；该应变历程ε和该hopkinson杆等效弹性模量e、hopkinson杆截面积a的乘积为切鸟过程的载荷历程f，计算公式为：f＝a
·
e
·
ε (3)载荷历程f的峰值为载荷峰值f
peak
；
所述载荷历程f对时间t的积分为切鸟过程的动量传递历程i，反映了切鸟过程中鸟体传递至hopkinson杆的沿该hopkinson杆轴向的动量i，计算公式为：动量传递历程i的峰值为切鸟过程中鸟体传递至hopkinson杆的沿该hopkinson杆轴向的传递动量i
t
；步骤5，测量数据有效性分析：所述测量数据有效性分析包括对比高速摄像机和激光测速仪测得的鸟体初始冲击速度，判定速度测量的有效性；对比第一应变片组和第二应变片组共四对应变片测得的载荷流程，判定载荷测量的有效性；ⅰ判定速度测量的有效性：对比激光测速仪测得的鸟体初始冲击速度v1和第一法向高速摄像机测得的鸟体初始冲击速度v2，若v1与v2之差＜5％，判据计算为：若该判据满足，判定鸟体初始冲击速度测量有效，取v1与v2的平均值作为鸟体初始冲击速度v；ⅱ判定载荷测量的有效性：测得所述第一应变片组3点和9点方向的载荷历程f
(3,9)
；测得第一应变片组6点和12点方向的载荷历程f
(6,12)
；得到该两对应变片所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)
，f
peak,(6,12)
和传递动量i
t,(3,9)
，i
t,(6,12)
；所述下标(3,9)表示3点和9点方向，下标(6,12)表示6点和12点方向；比较两对应变片所测得的载荷峰值和传递动量，若该所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)
和f
peak,(6,12)
之差＜5％，且传递动量i
t,(3,9)
和i
t,(6,12)
之差＜5％，判据计算为：若该判据满足，判定在第一应变片组(10)的位置，压缩波已形成平面波，切鸟载荷测量有效，取所述载荷历程f
(3,9)
和所述载荷历程f
(6,12)
的平均值作为第一应变片组的载荷历程f
sg1
，相应地，由步骤4所述方法得到第一应变片组(10)的载荷峰值f
peak,sg1
和第一应变片组(10)的传递动量i
t,sg1
，并得到第一应变片组(10)的冲击时间t，冲击时间t为第一应变片组的载荷历程f
sg1
中压缩波持续的时间；测得第二应变片组3点和9点方向的载荷历程f
(3,9)’和第二应变片组6点和12点方向的载荷历程f
(6,12)’，得到该两对应变片所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)’，f
peak,(6,12)’和传递动量i
t,(3,9)’，i
t,(6,12)’；比较两对应变片所测得的载荷峰值和传递动量，若该所测得的载荷峰值f
peak,(3,9)’和f
peak,(6,12)’之差＜5％，且传递动量i
t,(3,9)’和i
t,(6,12)’之差＜5％，判据计算为：
若该判据满足，判定在第二应变片组(11)的位置，压缩波保持为平面波，切鸟载荷测量有效，取所述载荷历程f
(3,9)’和所述载荷历程f
(6,12)’的平均值作为第二应变片组的载荷历程f
sg2
，相应地，由步骤4所述方法得到第二应变片组的载荷峰值f
peak,sg2
和第二应变片组的传递动量i
t,sg2
，并得到第二应变片组的冲击时间t’，冲击时间t’为第二应变片组的载荷历程f
sg2
中压缩波持续的时间；对比所述第一应变片组(10)和第二应变片组(11)的载荷峰值和传递动量，若第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
和第二应变片组的载荷峰值f
peak,sg2
之差＜5％，且第一应变片组的传递动量i
t,sg1
和第二应变片组的传递动量i
t,sg2
之差＜5％，判据计算为：若该判据满足，判定压缩波从第一应变片组的位置传播至第二应变片组的位置过程中，弥散效应对该压缩波的影响符合试验大纲的要求，切鸟载荷测量有效；取第一应变片组的载荷历程f
sg1
和第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
、第一应变片组的传递动量i
t,sg1
、第一应变片组的冲击时间t作为经验指标分析的基础；步骤6，经验指标分析：所述经验指标分析包括对测量得到的响应特征进行无量纲化处理，形成切鸟载荷的经验指标，所述响应特征包括载荷峰值、传递动量、动量质心时间；经验指标分析的具体过程是：ⅰ获取理论传递动量i
ref
和理论平均作用力f
ref
通过公式(9)得到理论传递动量i
ref
i
ref
＝m
·
(vsinθ)
·
sinθ＝mvsin2θ(9)公式(9)中，m为鸟体质量；通过公式(10)得到理论作用力f
ref
所述理论平均作用力f
ref
为单位理论冲击时间t
ref
的理论传递动量i
ref
；ⅱ获取无量纲化的载荷峰值f
peak,n
、动量传递率mt和无量纲化动量质心时间t
cen,n
所述无量纲化的载荷峰值f
peak,n
为所述第一应变片组的载荷峰值f
peak,sg1
与理论平均作用力f
ref
的比值；以动量传递率mt表征无量纲化传递动量；所述动量传递率mt为第一应变片组的传递动
量i
t,sg1
与初始动量i
initial
的比值；所述初始动量i
initial
为鸟体质量m与初始冲击速度v的乘积；i
initial
＝mv；无量纲化动量质心时间t
cen,n
为第一应变片组的1/2动量传递历程所需的时间t
cen
与第一应变片组的冲击时间t的比值；第一应变片组的1/2动量传递历程所需的时间t
cen
指基于第一应变片组的载荷历程f
sg1
，由步骤4所述方法得到的动量传递历程中，传递动量为i
t,sg1
/2时所需的时间；至此，完成了使用所述基于hopkinson杆的切鸟载荷测量装置进行切鸟载荷测量的过程。7.如权利要求6所述使用所述装置进行切鸟载荷测量的方法，其特征在于，步骤1中，确定理论冲击行程l
ref
和理论冲击时间t
ref
的具体过程是：理论冲击行程l
ref
为自该鸟体前端与该楔形端前缘接触瞬间起，至该鸟体尾端运动至楔形端迎弹面的行程；理论冲击时间t
ref
为所述鸟体以初始冲击速度v通过理论冲击行程l
ref
的时间；通过公式(1)得到所述理论冲击行程l
ref
：其中,l为鸟体长度，d为鸟体直径；通过公式(2)得到所述理论冲击时间t
ref
：其中，v为鸟体的初始冲击速度；所述确定hopkinson杆的长度l的具体过程是：通过hopkinson杆的预设长度l’确定hopkinson杆的长度l；所述hopkinson杆的预设长度l’应能够使测量得到的切鸟载荷历程不发生压缩波和反射拉伸波波形叠加；若自所述鸟体3冲击楔形端(8)迎弹面产生的压缩波到达第二应变片组(11)起，沿hopkinson杆(9)轴线传至该hopkinson杆的平面端(20)，反射为拉伸波并沿该hopkinson杆轴线传播回至该第二应变片组时所需的时间，大于所述理论冲击时间t
ref
，hopkinson杆的预设长度l’确定为hopkinson杆的长度l。8.如权利要求6所述使用所述装置进行切鸟载荷测量的方法，其特征在于，步骤2中，测量激光束间距是测量激光测速仪的两束激光束与空气炮炮管轴线延长线的两个交点之间的水平距离l1；确定高速摄像机视场中的像素坐标与世界坐标之间的关系的具体过程是，在空气炮炮管轴线延长线上放置标定尺，并使该标定尺位于第一法向高速摄像机所拍摄的水平视场中，在该水平视场中测量该标定尺两端沿空气炮炮管轴线延长线的像素坐标差，得到第一法向高速摄像机所拍摄的水平视场中空气炮炮管轴线延长线方向的像素坐标与世界坐标之间的关系；标定hopkinson杆材料的等效弹性模量e的具体过程是，将步骤1中的hopkinson杆水平反转180
°
，使该hopkinson杆的平面端与空气炮炮口相邻，使该hopkinson杆的楔形端与吸
能板相邻；使用圆柱的尼龙pa66标定弹，分别以不同速度冲击所述hopkinson杆的平面端；建立尼龙pa66材质的标定弹冲击hopkinson杆平面端的有限元仿真模型，设置hopkinson杆和标定弹所使用的尼龙pa66为弹性模量为e’的线弹性材料；并通过迭代使仿真载荷历程与试验载荷历程的峰值偏差最小，迭代优化后的弹性模量e’确定为该hopkinson杆的等效弹性模量e。9.如权利要求6所述使用所述装置进行切鸟载荷测量的方法，其特征在于，步骤3所述鸟撞试验时，鸟体从空气炮炮口飞出后，通过激光测速仪的两束激光束后撞击hopkinson杆的楔形端；在该鸟体通过两束激光束时产生两个时间差为δt1的脉冲信号；所述鸟体撞击hopkinson杆的楔形端并沿迎弹面滑动；在鸟体的撞击下产生冲击波，该冲击波首先表现为压缩波，该压缩波沿hopkinson杆轴线向该hopkinson杆的平面端传播；当该压缩波通过第一应变片组和第二应变片组时，四对应变片被压缩，所述第一wheatstone电桥桥盒组和第二wheatstone电桥桥盒组分别产生电压信号，并被数据采集器记录，反映了鸟体冲击楔形端的载荷历程；当该压缩波沿该hopkinson杆轴线传播至该hopkinson杆的平面端并反射为拉伸波传播回第二应变片组和第一应变片组时，四对应变片被拉伸，所述第二wheatstone电桥桥盒组和第一wheatstone电桥桥盒组分别产生电压信号，并被数据采集器记录；在该鸟体的冲击下，hopkinson杆在托架上滑动，直至撞击所述吸能板后停止。10.如权利要求6所述使用所述装置进行切鸟载荷测量的方法，其特征在于，步骤4中，所述基于激光测速仪的测量结果计算鸟体初始冲击速度时，根据鸟体通过激光测速仪的两束激光束后所产生的两个脉冲信号的时间差δt1计算得到激光测速仪测得的鸟体的初始冲击速度v1，v1＝l1/δt1；所述基于高速摄像机的测量结果计算鸟体初始冲击速度时，选取第一法向高速摄像机拍摄的鸟体前端进入该高速摄像机视场时刻的图像，选取第一法向高速摄像机拍摄的鸟体前端离开该高速摄像机视场前一时刻的图像，基于像素坐标与世界坐标之间的关系计算鸟体飞行距离l2，基于两个时刻图像的帧数差得到时间差δt2，计算得到第一法向高速摄像机测得的鸟体的速度v2，v2＝l2/δt2。

技术总结
一种基于Hopkinson杆的切鸟载荷测量装置和测量方法，Hopkinson杆与空气炮炮口相邻一端的端部为楔形端。楔形端的前缘沿竖直方向。楔形端的楔面上分别迎弹面。楔形端的前缘同为各迎弹面的前缘，各迎弹面的后缘均为楔形端楔面边缘形成的C字形曲线。本发明解决了现有发动机风扇叶片鸟撞研究中由于鸟体动态变形与叶片变形耦合导致切鸟载荷历程无法精准测量的问题，为发动机风扇叶片切鸟问题研究及特别是鸟体本构模型和参数优化研究提供基础数据。本发明将不同航向速度、叶片转速、叶片前缘角度的发动机鸟撞条件等效简化为不同半尖劈角θ的准刚性靶板切鸟的基础问题，测量得到与靶板变形解耦的精确的切鸟过程的载荷历程，有利于得到普适性的响应规律。于得到普适性的响应规律。于得到普适性的响应规律。


技术研发人员：陈小鹏 李玉龙 张超 汤忠斌 尹标 刘军
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/21