微觀時(shí)間尺度研究方法在炸藥爆炸理論教學(xué)中的應(yīng)用

蘇洪 龔悅 汪泉

摘 要為了使學(xué)生充分理解《炸藥爆炸理論》課程內(nèi)容，在傳統(tǒng)教學(xué)方法基礎(chǔ)上引入高速相機(jī)和數(shù)值模擬等微觀時(shí)間尺度研究方法。教學(xué)實(shí)踐表明：高速相機(jī)和數(shù)值模擬的引入不僅可以使同學(xué)們深入、全面、直觀理解課程內(nèi)容，還可以活躍課堂氣氛，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，取得了良好的教學(xué)效果，對(duì)爆炸相關(guān)課程的教學(xué)具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞數(shù)值模擬;高速相機(jī);爆炸;精品課程

0 引言

《炸藥爆炸理論》是安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)創(chuàng)辦以來(lái)最早開設(shè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，也是最重要的核心課程之一。本課程主要講授的內(nèi)容為爆炸與炸藥的概念和分類、化學(xué)爆炸三要素、爆炸熱化學(xué)、炸藥熱分解及熱安定性、沖擊波和爆轟波基本理論、炸藥性能、炸藥起爆和感度以及炸藥爆炸作用等方面的內(nèi)容。其任務(wù)是讓學(xué)生充分掌握與爆炸、燃燒現(xiàn)象相關(guān)的基本概念、基本原理和理論知識(shí)，為后續(xù)課程作很好的知識(shí)準(zhǔn)備。爆炸和燃燒概念不僅抽象，其過(guò)程是超動(dòng)態(tài)，學(xué)生對(duì)有些知識(shí)點(diǎn)理解有一定困難。

作為全國(guó)培養(yǎng)民用爆破人才的最大搖籃，安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)在人才培養(yǎng)方面有自己的特色。筆者作為彈藥專業(yè)教師從事爆炸作用及效應(yīng)方面研究，結(jié)合《炸藥爆炸理論》教學(xué)，談一談微觀時(shí)間尺度研究方法在教學(xué)中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有教學(xué)中存在的問(wèn)題

《炸藥爆炸理論》講授內(nèi)容均為爆炸相關(guān)知識(shí)，爆炸過(guò)程由于時(shí)間非常短為微秒級(jí)，很難通過(guò)普通方法捕捉到爆炸過(guò)程呈現(xiàn)給學(xué)生以直觀感受。再加上講授內(nèi)容較為抽象難懂，公式較多，如應(yīng)力波、沖擊波傳播，爆破破巖等知識(shí)點(diǎn)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)效果較差。微觀時(shí)間尺度研究方法可以彌補(bǔ)上述教學(xué)中的不足，微觀時(shí)間尺度研究方法包括超高速相機(jī)、數(shù)值模擬等方法。

2 超高速相機(jī)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

彈藥工程與爆炸技術(shù)系擁有日本生產(chǎn)的NAC Memrecam HX-3高速攝像機(jī)，該相機(jī)配備尼康長(zhǎng)短焦鏡頭，可滿足多種爆炸試驗(yàn)需求，最大拍攝速度為130萬(wàn)fps。高速相機(jī)可以在微秒級(jí)別捕捉爆炸細(xì)節(jié)，以視頻和圖片的形式展示，不僅使學(xué)生直觀感受爆炸過(guò)程，并且可以活躍課堂氣氛，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。圖1為高速相機(jī)拍攝爆破破巖過(guò)程，從圖中可以很清晰看出炸藥爆炸后巖石如何形成裂紋，首先炸藥爆炸產(chǎn)生初始裂紋，隨后爆炸產(chǎn)生的爆生氣體快速擴(kuò)散到初始裂紋面處，形成“氣楔”作用，驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展，學(xué)生在課堂上看到氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的圖片和視頻，便能很容易理解爆生氣體動(dòng)作用破巖。高速相機(jī)的應(yīng)用，使同學(xué)們觀察到超動(dòng)態(tài)的爆炸過(guò)程成為可能，使同學(xué)們更容易理解知識(shí)難點(diǎn)。

3 數(shù)值模擬在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

國(guó)際上研究爆炸力學(xué)、高速?zèng)_擊碰撞領(lǐng)域研究的著名數(shù)值模擬軟件主要有AUTODYN和LS-DYNA，這類數(shù)值軟件通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模型，結(jié)合有限元和有限差分法，可以直觀呈現(xiàn)爆炸宏觀變化過(guò)程，還可以監(jiān)測(cè)高速相機(jī)無(wú)法捕捉的數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)[2]。數(shù)值模擬結(jié)果具有直觀、形象、生動(dòng)等特點(diǎn)，還可以使同學(xué)們直觀感受爆炸理論知識(shí)，增加學(xué)生知識(shí)面，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

《炸藥爆炸理論》中，重難點(diǎn)可以通過(guò)數(shù)值模擬方法輔助教學(xué)。以護(hù)壁爆破知識(shí)點(diǎn)為例介紹。傳統(tǒng)教學(xué)模式介紹護(hù)壁爆破知識(shí)點(diǎn)時(shí)，只能通過(guò)語(yǔ)言和畫圖介紹護(hù)壁爆破通過(guò)在護(hù)壁方向加入護(hù)壁材料達(dá)到保護(hù)巖體目的，學(xué)生很難真正理解護(hù)壁機(jī)理。利用數(shù)值模擬軟件AUTODYN，課前我們可以構(gòu)建護(hù)壁爆破模型，模擬護(hù)壁藥包在巖體中爆破。模擬結(jié)果可以以圖片或視頻方式展示給學(xué)生，如圖2和圖3為護(hù)壁藥包爆炸護(hù)壁孔內(nèi)爆轟流程演化過(guò)程和護(hù)壁炮孔圍巖損傷演化過(guò)程。老師可以在講護(hù)壁知識(shí)點(diǎn)時(shí)，給同學(xué)們展示模擬圖片，并結(jié)合模擬結(jié)果解釋護(hù)壁爆破破巖機(jī)理，使同學(xué)更好理解護(hù)壁爆破知識(shí)點(diǎn)。

4 結(jié)論

《炸藥爆炸理論》是彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)核心課程，大部分內(nèi)容涉及高溫高壓超高速的爆炸過(guò)程，使得同學(xué)們理解專業(yè)知識(shí)較困難。如何使同學(xué)們輕松且深入理解掌握知識(shí)點(diǎn)是我們授課老師奮斗目標(biāo)。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出可以借助高速相機(jī)、數(shù)值模擬等微觀時(shí)間尺度研究方法輔助教學(xué)，通過(guò)筆者實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)上述方法可以使超動(dòng)態(tài)的爆炸過(guò)程以視頻或圖片形式呈現(xiàn)給學(xué)生，監(jiān)測(cè)爆炸過(guò)程中各種數(shù)據(jù)變化，使同學(xué)加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)可以活躍課堂氣氛，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)有輔助作用。

參考文獻(xiàn)

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[3]楊仁樹，蘇洪.基于動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)的護(hù)壁藥包機(jī)理研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019（3）：467-473.