反向起爆模型下有效加載半徑研究

張柱+晉艷娟+于辰+崔小朝

摘 要：本文在“反向起爆模型下的沖擊波加載”研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬討論了反向起爆模型中的有效加載半徑和間隙對(duì)沖擊波加載的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)選取炸藥后自由面稀疏波控制加載持續(xù)時(shí)間時(shí)，數(shù)值模擬所得有效加載半徑與理論分析所得有效加載半徑相近；隨著間隙的增大，空氣對(duì)炸藥爆轟波的卸載作用逐漸增大，峰值壓力逐漸變小，沖擊波加載平臺(tái)逐漸消失，最終將無法得到與輕氣炮加載相同的一維應(yīng)變矩形加載波。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué) 反向起爆 沖擊波 加載半徑 間隙

中圖分類號(hào)：O381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0030-03

實(shí)驗(yàn)作為研究材料力學(xué)特性的最基本手段，其配套技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展成為材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究的決定性因素之一。利用輕氣炮裝置可對(duì)固體材料試件進(jìn)行中高應(yīng)變率下的一維應(yīng)變動(dòng)態(tài)加載，董石等[1]、翟少棟等[2]、馮曉偉等[3]、王婧等[4]、任會(huì)蘭[5]等分別利用一級(jí)或二級(jí)輕氣炮進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)方面的研究工作，但所能加載的試件尺寸受到限制，一般試件最大直徑不超過120mm。為此，筆者于2014年3月在《爆炸與沖擊》期刊上發(fā)表了一篇名為“反向起爆模型下的沖擊波加載”的文章，進(jìn)行了大尺寸爆炸加載前期研究工作，文中選取炸藥作為驅(qū)動(dòng)力，提出利用炸藥反向起爆模型完成對(duì)可壓縮固體材料的近似一維應(yīng)變矩形波加載，從理論和數(shù)值模擬兩個(gè)方面討論了沖擊波壓力和沖擊波加載平臺(tái)寬度。本文在“反向起爆模型下的沖擊波加載”的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬討論反向起爆模型中的有效加載半徑和間隙對(duì)沖擊波加載的影響，為爆炸加載沖擊波與輕氣炮加載應(yīng)力波的等效關(guān)系建立提供基礎(chǔ)。

1 沖擊波有效加載半徑的理論分析

炸藥在反向起爆過程中可以維持固體表面的壓力平臺(tái)，但該平臺(tái)寬度不可能無限長(zhǎng)，其具體值必然受到某些限制。結(jié)合圖1分析發(fā)現(xiàn)，加載沖擊波的平臺(tái)寬度取決于AD、DE、CF、EF4個(gè)邊上的稀疏波作用。對(duì)于B點(diǎn)的壓力平臺(tái)來說，主要是看AD、DE、CF、EF4個(gè)邊上的那個(gè)反射稀疏波先到達(dá)B點(diǎn)，一旦有稀疏波到達(dá)，壓力平臺(tái)將不能維持，壓力開始下降。下面討論所涉及符號(hào)分別代表壓力、沖擊波波速、密度、絕熱指數(shù)、粒子速度、比容和聲速。符號(hào)下角標(biāo)帶的表示爆轟波陣面上的參數(shù)，上角標(biāo)帶*的表示固體材料的參數(shù)，下角標(biāo)帶0的表示材料初始參數(shù)。

輕氣炮中的高速飛片在剛接觸靶板的時(shí)候，在靶板表面的有效加載范圍是飛片的半徑R。結(jié)合圖1、表1中以COMP B炸藥反向起爆對(duì)Al作用為例，給出了3種情況下的有效加載半徑結(jié)果。

2 沖擊波有效加載半徑的數(shù)值模擬

利用AUTODYN軟件對(duì)表1中3種尺寸的反向起爆加載模型進(jìn)行數(shù)值模擬，所需材料參數(shù)如表2所示。模擬過程中在固體的BE面上布置100個(gè)高斯觀測(cè)點(diǎn)，中心點(diǎn)B所對(duì)應(yīng)高斯點(diǎn)編號(hào)分別為18、19、24，通過不同高斯點(diǎn)的壓力曲線變化研究有效加載半徑，具體模擬結(jié)果分析見表3。觀察表3可知，數(shù)值模擬所得加載半徑與理論分析所得加載半徑基本相等，說明理論分析過程正確有效。

3 間隙對(duì)沖擊波加載的影響

當(dāng)炸藥與固體接觸面處有間隙時(shí)，反向起爆模型下的固體中心B處的壓力勢(shì)必會(huì)受到影響，沖擊波加載平臺(tái)也將有很大變化，以COMP B對(duì)Al作用為例，取mm、a2=100mm、a3=50mm選取不同的間隙，進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果如圖2所示，觀察可知，隨著間隙的增大，空氣對(duì)炸藥爆轟波的卸載作用逐漸增大，峰值壓力逐漸變小，沖擊波加載平臺(tái)逐漸消失，最終將無法得到與輕氣炮加載相同的矩形加載波。圖2中的時(shí)間-壓力曲線剛開始存在很大的壓力脈沖，主要是起爆瞬間化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)的化學(xué)峰造成的，該峰值在材料內(nèi)部傳播過程中會(huì)很快衰減。

4 結(jié)語

為獲得與輕氣炮加載相同的一維應(yīng)變矩形波加載，突破實(shí)驗(yàn)所能加載試件的尺寸限制，完成對(duì)真實(shí)混凝土和鋼筋混凝土的大尺寸動(dòng)態(tài)加載研究，本文在筆者原研究論文“反向起爆模型下的沖擊波加載”的基礎(chǔ)上，討論了反向起爆模型中的有效加載半徑以及間隙對(duì)沖擊波加載的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)選取炸藥后自由面稀疏波控制加載持續(xù)時(shí)間（即加載平臺(tái)寬度）時(shí)，數(shù)值模擬所得有效加載半徑與理論分析所得有效加載半徑相近；隨著間隙的增大，空氣對(duì)炸藥爆轟波的卸載作用逐漸增大，峰值壓力逐漸變小，沖擊波加載平臺(tái)逐漸消失，最終將無法得到與輕氣炮加載相同的矩形加載波。

參考文獻(xiàn)

[1] 董石，孟川民，肖元陸，等.反應(yīng)氣體驅(qū)動(dòng)二級(jí)輕氣炮技術(shù)的初步研究[J].高壓物理，2017，31（2）：182-186.

[2] 翟少棟，李英華，彭建祥，等.平面碰撞與強(qiáng)激光加載下金屬鋁的層裂行為[J].爆炸與沖擊，2016，36（6）：767-773.

[3] 馮曉偉，李俊承，王洪波，等.平板沖擊下氧化鋁陶瓷彈性前驅(qū)波衰減的細(xì)觀機(jī)理[J].物理學(xué)報(bào)，2016，65（16）：178-187.

[4] 王婧，任會(huì)蘭，郝莉，等.強(qiáng)沖擊載荷下多孔鈦動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（2）：117-121.

[5] 任會(huì)蘭，樹學(xué)鋒，李平.強(qiáng)沖擊載荷下氧化鋁陶瓷破壞特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)，2009，39（9）：1221-1230.

[6] 張柱，晉艷娟.反向起爆模型下的沖擊波加載[J].爆炸與沖擊，2014，34（2）：223-228.endprint