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”研究結論的基礎上，利用數值模擬討論了反向起爆模型中的有效加載半徑和間隙對沖擊波加載的影響。研究結果表明，當選取炸藥后自由面稀疏波控制加載持續時間時，數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，沖擊波加載平臺逐漸消失，最終將無法得到與輕氣炮加載相同的一維應變矩形加載波。

關鍵詞：爆炸力學 反向起爆 沖擊波 加載半徑 間隙

中圖分類號：O381 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0030-03

實驗作為研究材料力學特性的最基本手段，其配套技術和設備的發展成為材料動態力學性能研究的決定性因素之一。利用輕氣炮裝置可對固體材料試件進行中高應變率下的一維應變動態加載，董石等[1]、翟少棟等[2]、馮曉偉等[3]、王婧等[4]、任會蘭[5]等分別利用一級或二級輕氣炮進行了大量實驗方面的研究工作，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》期刊上發表了一篇名為“反向起爆模型下的沖擊波加載”的文章，進行了大尺寸爆炸加載前期研究工作，文中選取炸藥作為驅動力，提出利用炸藥反向起爆模型完成對可壓縮固體材料的近似一維應變矩形波加載，從理論和數值模擬兩個方面討論了沖擊波壓力和沖擊波加載平臺寬度。本文在“反向起爆模型下的沖擊波加載”的基礎上，利用數值模擬討論反向起爆模型中的有效加載半徑和間隙對沖擊波加載的影響，為爆炸加載沖擊波與輕氣炮加載應力波的等效關系建立提供基礎。

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，但該平臺寬度不可能無限長，其具體值必然受到某些限制。結合圖1分析發現，加載沖擊波的平臺寬度取決于AD、DE、CF、EF4個邊上的稀疏波作用。對于B點的壓力平臺來說，主要是看AD、DE、CF、EF4個邊上的那個反射稀疏波先到達B點，一旦有稀疏波到達，壓力平臺將不能維持，壓力開始下降。下面討論所涉及符號分別代表壓力、沖擊波波速、密度、絕熱指數、粒子速度、比容和聲速。符號下角標帶的表示爆轟波陣面上的參數，上角標帶*的表示固體材料的參數，下角標帶0的表示材料初始參數。

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

2 沖擊波有效加載半徑的數值模擬

利用AUTODYN軟件對表1中3種尺寸的反向起爆加載模型進行數值模擬，所需材料參數如表2所示。模擬過程中在固體的BE面上布置100個高斯觀測點，中心點B所對應高斯點編號分別為18、19、24，通過不同高斯點的壓力曲線變化研究有效加載半徑，具體模擬結果分析見表3。觀察表3可知，數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 間隙對沖擊波加載的影響

當炸藥與固體接觸面處有間隙時，反向起爆模型下的固體中心B處的壓力勢必會受到影響，沖擊波加載平臺也將有很大變化，以COMP B對Al作用為例，取mm、a2=100mm、a3=50mm選取不同的間隙，進行數值模擬，所得結果如圖2所示，觀察可知，隨著間隙的增大，空氣對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反應區內的化學峰造成的，該峰值在材料內部傳播過程中會很快衰減。

4 結語

為獲得與輕氣炮加載相同的一維應變矩形波加載，突破實驗所能加載試件的尺寸限制，完成對真實混凝土和鋼筋混凝土的大尺寸動態加載研究，本文在筆者原研究論文“反向起爆模型下的沖擊波加載”的基礎上，討論了反向起爆模型中的有效加載半徑以及間隙對沖擊波加載的影響。研究結果表明，當選取炸藥后自由面稀疏波控制加載持續時間（即加載平臺寬度）時，數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

[1] 董石，孟川民，肖元陸，等.反應氣體驅動二級輕氣炮技術的初步研究[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波衰減的細觀機理[J].物理學報，2016，65（16）：178-187.

[4] 王婧，任會蘭，郝莉，等.強沖擊載荷下多孔鈦動態力學性能實驗及數值模擬[J].北京理工大學學報，2016，36（2）：117-121.

[5] 任會蘭，樹學鋒，李平.強沖擊載荷下氧化鋁陶瓷破壞特性的數值模擬及實驗研究[J].中國科學：物理學 力學 天文學，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