徐海斌,鐘方平,楊 軍,張德志,秦學(xué)軍,劉峻嶺,史國(guó)凱,梁志剛,沈兆武

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽 合肥 230027；2.西北核技術(shù)研究所,陜西 西安 710024)

水及盛水容器對(duì)近距離爆炸載荷影響的實(shí)驗(yàn)研究*

徐海斌1,2,鐘方平2,楊 軍2,張德志2,秦學(xué)軍2,劉峻嶺2,史國(guó)凱2,梁志剛2,沈兆武1

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽 合肥 230027；2.西北核技術(shù)研究所,陜西 西安 710024)

為研究用水包圍炸藥的方式對(duì)爆炸載荷的作用機(jī)理，在兩端開(kāi)口的鋼筒內(nèi)進(jìn)行了水直接包覆炸藥的爆炸實(shí)驗(yàn)，利用光纖位移干涉儀獲取了鋼筒外壁的徑向速度和動(dòng)態(tài)變形。結(jié)果表明：不同于無(wú)水爆炸，爆轟產(chǎn)物通過(guò)水的“裂縫”在空氣中形成沖擊波，造成該沖擊波出現(xiàn)時(shí)間更晚、強(qiáng)度更低、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，并要求相應(yīng)的數(shù)值模擬采用二維以上的計(jì)算模型；盛水結(jié)構(gòu)的材料密度越低、厚度越小對(duì)爆炸載荷的影響越小。

爆炸力學(xué);爆炸載荷;水;鋼筒;質(zhì)點(diǎn)速度

爆炸物的組裝、存儲(chǔ)和銷(xiāo)毀等過(guò)程中，需采用適當(dāng)方法盡量降低爆炸物意外引爆對(duì)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)和周?chē)ㄖ锏膿p害。近年來(lái)，用水消減爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波的方法越來(lái)越受到重視，其中用水包圍爆炸物的方法由于其成本低、使用方便、搭建快等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于很多場(chǎng)所，如炸藥臨時(shí)存放點(diǎn)、拆除或銷(xiāo)毀彈藥現(xiàn)場(chǎng)，常見(jiàn)的放置水(簡(jiǎn)稱(chēng)置水)的方法有在爆炸物上直接覆蓋水袋或水枕、在爆炸物周?chē)O(shè)置水墻等。因此，研究用水包圍炸藥的方式對(duì)爆炸載荷的作用機(jī)理，對(duì)于拓展該消波方式的應(yīng)用是很有必要的。由于水包圍炸藥爆炸的過(guò)程與空中爆炸、水中爆炸各不相同，尤其是關(guān)于水與爆炸后高溫高壓氣體及空氣的作用過(guò)程和機(jī)理的報(bào)道較少，與盛水結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究未見(jiàn)報(bào)道。目前，已開(kāi)展了一些關(guān)于水包圍乃至直接覆蓋炸藥對(duì)較大比例距離處爆炸載荷影響的實(shí)驗(yàn)研究[1-5]，大多數(shù)的研究表明用水包圍炸藥可以大大消減爆炸沖擊波[1-4]，而全尺寸大當(dāng)量置水爆炸實(shí)驗(yàn)卻表明水消減沖擊波的效果較低[5]。因此，需要進(jìn)一步開(kāi)展水包覆炸藥的置水爆炸研究，研究該消波方式對(duì)爆炸載荷的作用機(jī)理。

本文中，采用在鋼筒內(nèi)用水直接包覆炸藥的方式進(jìn)行比例距離為0.128 m/kg1/3的爆炸實(shí)驗(yàn)，用光纖位移干涉儀測(cè)量爆心環(huán)面徑向速度和鋼筒變形，分析炸藥被水直接包裹時(shí)近距離爆炸載荷對(duì)鋼筒的作用過(guò)程，評(píng)估盛水結(jié)構(gòu)材料對(duì)小比例距離的爆炸載荷和鋼筒響應(yīng)的影響，探討爆炸初期水與沖擊波和空氣的作用過(guò)程，以期為進(jìn)一步掌握炸藥被水包圍時(shí)水對(duì)爆炸沖擊波的作用機(jī)理提供參考，并為下一步的數(shù)值模擬提供基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示:鋼筒材料為20鋼，兩端開(kāi)口，內(nèi)徑為100 mm，壁厚12 mm，筒長(zhǎng)400 mm;光纖位移干涉儀[6]用于測(cè)量爆心環(huán)面鋼筒外壁的動(dòng)態(tài)速度和鋼筒動(dòng)態(tài)變形；爆炸源采用由柔爆索中心引爆的球形組裝炸藥，且各次實(shí)驗(yàn)中的柔爆索長(zhǎng)度相同。球形起爆藥球用微米級(jí)PETN粉壓制而成，較大的主炸藥用密度約為1.67 g/cm3的TNT50/RDX50，組裝炸藥總的爆炸威力約為60 g TNT當(dāng)量。已有的實(shí)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)的裝藥爆轟波球形度都較好[7]。置水實(shí)驗(yàn)時(shí),將球形裝藥放入注滿(mǎn)水的薄壁球殼的中心，實(shí)現(xiàn)爆心對(duì)稱(chēng)約束水的目的，使爆炸沖擊波與水的作用過(guò)程具有良好的對(duì)稱(chēng)性，見(jiàn)圖2。

圖1 鋼筒置水爆炸示意圖Fig.1 Schematics of the explosion with water in a steel cylinder

圖2 置水球形裝藥示意圖Fig.2 Schematics of the spherical chargesurrounded by water

薄壁球殼作為盛水結(jié)構(gòu),需要有一定的剛度和強(qiáng)度，以確保注水后的球殼仍基本保持球形。實(shí)驗(yàn)中，分別采用了玻璃球殼和PVC球殼作為置水裝置，置水量約為120 g，水的質(zhì)量和炸藥TNT當(dāng)量的比值(簡(jiǎn)稱(chēng)水藥比)為2，如圖3所示，炸藥球直徑為38 mm，“水球”外徑為66 mm。PVC的密度約為1.4 g/cm3，玻璃的密度約為2.5 g/cm3；PVC殼壁的厚度小于0.18 mm，質(zhì)量約為3 g；玻璃殼壁的厚度約為0.5 mm，質(zhì)量約為20 g。共進(jìn)行了1次無(wú)水爆炸和2次置水爆炸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，采用雷管末端電探針信號(hào)作為零時(shí)信號(hào)，無(wú)水實(shí)驗(yàn)中在炸藥表面布置探針測(cè)時(shí)；PVC殼置水實(shí)驗(yàn)中采用與無(wú)水爆炸實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)度相同的柔爆索，據(jù)此確定爆轟波到達(dá)炸藥球表面的時(shí)刻與無(wú)水爆炸時(shí)的相同。

圖3 待注水的爆炸裝置Fig.3 The spherical charge placed in the unfilled shell

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 置水前后鋼筒外壁的質(zhì)點(diǎn)速度

圖4給出了光纖位移干涉儀實(shí)測(cè)的無(wú)水和置水爆炸時(shí)爆心環(huán)面鋼筒外壁質(zhì)點(diǎn)速度曲線，速度正值表示鋼筒外壁向外擴(kuò)張?？梢?jiàn)，無(wú)水爆炸實(shí)驗(yàn)中，鋼筒外壁質(zhì)點(diǎn)速度振蕩上升，鋼筒進(jìn)入外擴(kuò)階段，速度最大值約為24.6 m/s；之后，鋼筒外壁速度下降，進(jìn)入收縮階段；隨著速度升為正值，鋼筒又進(jìn)入外擴(kuò)階段；如此反復(fù)，即鋼筒發(fā)生“呼吸振動(dòng)”，其周期約為70 μs，速度上下峰值均隨振蕩逐漸減小。PVC球殼和玻璃球殼置水爆炸時(shí)，爆心環(huán)面鋼筒外壁的質(zhì)點(diǎn)速度最大值分別為69.9和132.8 m/s，分別約為無(wú)水爆炸時(shí)的3倍和5倍。這說(shuō)明該條件下的置水爆炸對(duì)鋼筒內(nèi)壁產(chǎn)生的壓力顯著大于無(wú)水爆炸，PVC球殼置水爆炸時(shí)鋼筒同樣發(fā)生“呼吸振動(dòng)”。圖4(b)中玻璃球殼置水爆炸時(shí)爆心環(huán)面鋼筒外壁質(zhì)點(diǎn)速度曲線的初始和結(jié)束部分存在大量的毛刺，這主要是因?yàn)樵谶@2個(gè)時(shí)段探頭接收到的信號(hào)光太弱，降低了信號(hào)的對(duì)比度，在將頻率-時(shí)間對(duì)提取出來(lái)?yè)Q算成速度-時(shí)間對(duì)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中產(chǎn)生了這些毛刺。

圖4 爆心環(huán)面鋼筒外壁質(zhì)點(diǎn)速度-時(shí)間曲線Fig.4 Particle velocity-time curves of the steel-cylinder outer surface centered at the explosion

2.2 置水前后鋼筒的變形

鋼筒在小比例距離爆炸加載下會(huì)發(fā)生復(fù)雜的彈塑性變形，并在置水爆炸實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象。PVC球殼置水實(shí)驗(yàn)后鋼筒爆心環(huán)面環(huán)向變形基本均勻，而玻璃球殼置水實(shí)驗(yàn)后鋼筒爆心環(huán)面環(huán)向變形不均勻，如圖5所示。鋼筒上下變形差異是由炸藥上下側(cè)玻璃球殼厚度不同引起的，玻璃球殼端蓋增加了炸藥上側(cè)的玻璃質(zhì)量，使向上的爆炸威力增強(qiáng)。

圖6是由實(shí)測(cè)速度曲線積分得到的爆心環(huán)面鋼筒外壁被測(cè)點(diǎn)的位移曲線?？梢?jiàn)，無(wú)水爆炸時(shí)鋼筒測(cè)點(diǎn)徑向位移在40 μs內(nèi)從零增至約0.5 mm，鋼筒變形平均速度為12.5 m/s，之后降至約0.25 mm，然后發(fā)生上下振蕩，這是由鋼筒的呼吸振動(dòng)所致，其穩(wěn)定值約為0.29 mm，表明鋼筒產(chǎn)生了塑性變形。PVC球殼和玻璃球殼內(nèi)置水爆炸時(shí)鋼筒徑向位移分別在75和100 μs內(nèi)從零升至2.2和3.1 mm，鋼筒變形平均速度分別為29、31 m/s，PVC球殼內(nèi)置水爆炸加載下鋼筒徑向位移曲線同樣出現(xiàn)上下振蕩的現(xiàn)象，其穩(wěn)定值約為1.94 mm?？梢?jiàn)，用玻璃球殼內(nèi)置水爆炸時(shí)鋼筒變形量最大，變形速度最快；無(wú)水爆炸時(shí)鋼筒變形量最小，變形速度最慢。

圖5 玻璃殼置水爆炸鋼筒爆心環(huán)面外壁徑向位移Fig.5 Radial displacement of the steel-cylinder outer surface centered at the explosionwith water in the glass shell

圖6 不同情況下爆心環(huán)面鋼筒外壁徑向位移-時(shí)間曲線Fig.6 Radial displacement-time curves of the steel-cylinder outer surface centered at the explosion in different cases

根據(jù)實(shí)測(cè)的速度曲線，得到的無(wú)水和置水爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，表中me為炸藥TNT當(dāng)量，mw為置水量，cc為沖擊波走時(shí),vp為峰值速度，ss為穩(wěn)定位移，γ為鋼筒環(huán)向塑性變形，表中還列出了以往實(shí)驗(yàn)中120 g TNT當(dāng)量和180 g TNT當(dāng)量炸藥無(wú)水爆炸時(shí)長(zhǎng)600 mm的鋼筒的變形情況作為參考[8]，該鋼筒其余參數(shù)與長(zhǎng)400 mm的鋼筒的相同?？梢?jiàn)，水藥比為2的60 g TNT當(dāng)量炸藥置水爆炸與120 g TNT炸藥無(wú)水爆炸時(shí)鋼筒的塑性變形基本相同，約為180 g TNT炸藥無(wú)水爆炸時(shí)鋼筒塑性變形量的1/2，但置水爆炸時(shí)鋼筒還出現(xiàn)了軸向破裂現(xiàn)象，120 g TNT和180 g TNT當(dāng)量炸藥爆炸時(shí)沒(méi)有觀察到鋼筒出現(xiàn)裂縫。結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊下的剪切破壞與材料細(xì)觀上的絕熱剪切帶有關(guān)[9]。本實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)鋼筒小變形斷裂的原因可能是水撞擊產(chǎn)生高應(yīng)變率，導(dǎo)致材料塑性降低，形成的絕熱剪切帶使鋼筒斷裂。

表1 無(wú)水和置水爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Measured results of explosion without and with water

*指按峰值變形獲得的數(shù)據(jù)；Δ指軸向長(zhǎng)度為600 mm的鋼筒用探針測(cè)量的數(shù)據(jù)，僅作參考。

上述結(jié)果說(shuō)明，相同炸藥下有水爆炸時(shí)鋼筒的變形時(shí)間更長(zhǎng)、變形速度更高，即爆炸對(duì)鋼筒的作用力更大；水藥比為2的玻璃球殼置水爆炸時(shí)鋼筒變形量最大，約為無(wú)水爆炸時(shí)的10倍；PVC球殼置相同水時(shí)約為無(wú)水爆炸時(shí)的8倍，即水會(huì)大大增強(qiáng)爆炸對(duì)該比例距離處鋼筒的沖量作用。相比PVC球殼，用玻璃球殼作為盛水結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸的增強(qiáng)作用更顯著。

分析認(rèn)為，當(dāng)水中的沖擊波傳到盛水結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生加載或卸載反射，并向盛水結(jié)構(gòu)中透射沖擊波。該透射沖擊波到達(dá)自由面時(shí)，發(fā)生卸載反射，盛水結(jié)構(gòu)向外膨脹且質(zhì)點(diǎn)速度增加，當(dāng)反射的卸載波回到盛水結(jié)構(gòu)與水的交界面時(shí)將反射沖擊波。因此，在盛水結(jié)構(gòu)中將來(lái)回反射卸載波和沖擊波，盛水結(jié)構(gòu)的速度隨著反射次數(shù)增加而增加，每次反射的速度增量與兩處界面的反射系數(shù)有關(guān)。當(dāng)盛水結(jié)構(gòu)的波阻抗(大于水的波阻抗)增加時(shí)，盛水結(jié)構(gòu)加速更快，因此對(duì)爆炸載荷的影響也較大。當(dāng)盛水結(jié)構(gòu)的波阻抗小于水的波阻抗時(shí)，盛水結(jié)構(gòu)的速度增加變緩，對(duì)爆炸載荷的影響減小。

盛水結(jié)構(gòu)的材料密度越低、厚度越小則其質(zhì)量越小、波阻抗越小，動(dòng)能就越小，對(duì)鋼筒壁面撞擊的作用力越小、作用時(shí)間越短，因此對(duì)爆炸載荷的影響也越小。

3 鋼筒破壞過(guò)程探討

3.1 無(wú)水爆炸

由圖4(a)可見(jiàn),無(wú)水爆炸時(shí)鋼筒在速度波形的第1個(gè)1/4周期內(nèi),發(fā)生受迫振動(dòng),速度振蕩上升后下降,振蕩周期約為4.2 μs,該振蕩應(yīng)是由于應(yīng)力波在內(nèi)外壁面來(lái)回反射造成的,振蕩周期受加載波與卸載波衰減和相互疊加影響;其后,鋼筒主要表現(xiàn)為自由振動(dòng)。

由表1可知,無(wú)水爆炸時(shí)沖擊波從炸藥表面至鋼筒外壁共用時(shí)6.36 μs,彈性應(yīng)力波以5.0 km/s在鋼筒內(nèi)外壁傳播的耗時(shí)約為2.4 μs,得到?jīng)_擊波由炸藥表面至鋼筒內(nèi)壁的走時(shí)為3.96 μs,炸藥表面距鋼筒內(nèi)壁約30 mm,因此在該傳播距離上的空氣沖擊波平均速度約為7.6 km/s。炸藥爆炸初期,爆炸產(chǎn)物緊跟空氣沖擊波，兩者沒(méi)有完全分離；之后，沖擊波和爆炸產(chǎn)物才因速度不同而相距越來(lái)越遠(yuǎn)[10]。速度波形中46.0 μs開(kāi)始的幅值約為14.2 m/s的第1個(gè)速度脈沖應(yīng)是由空氣沖擊波引起的，根據(jù)強(qiáng)間斷柱面波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，沿徑向有公式[11]:

(1)

式中：vr指半徑為r處的徑向質(zhì)點(diǎn)速度，a為鋼筒內(nèi)半徑，p0為鋼筒內(nèi)壁的應(yīng)力，ρ0和c0分別為鋼筒的初始密度和波速。

得到鋼筒內(nèi)壁處的應(yīng)力即空氣沖擊波在內(nèi)壁的反射超壓峰值約為310 MPa，估算該沖擊波到達(dá)鋼筒內(nèi)壁時(shí)波速約為6.0 km/s；第2個(gè)速度峰值20.9 m/s可能是由于緊跟空氣沖擊波的爆轟產(chǎn)物的撞擊引起的，對(duì)應(yīng)的壓力峰值約為457 MPa；后繼的波峰可能是鋼筒壁面應(yīng)力波復(fù)雜疊加導(dǎo)致的。

圖7 PVC殼置水爆炸實(shí)測(cè)的鋼筒外壁質(zhì)點(diǎn)速度-時(shí)間曲線Fig.7 Measured particle velocity-time curve of the steel-cylinder outer surface centered at the explosion with water in the PVC shell

3.2 置水爆炸

圖4(b)中，玻璃殼和PVC殼2種置水方式下實(shí)測(cè)的速度波形均沒(méi)有由零直接上升至速度峰值，速度上升沿從76 μs開(kāi)始出現(xiàn)幅值接近15 m/s、持續(xù)約 4 μs的相對(duì)平緩的“小臺(tái)階”，且最大速度比無(wú)水爆炸時(shí)的速度增加很多。下面以PVC置水為例，對(duì)置水爆炸時(shí)的作用過(guò)程進(jìn)行分析，如圖7所示。

置水爆炸時(shí)，爆炸沖擊波傳播到水后，高溫高壓氣體推動(dòng)水運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在水中形成沖擊波，使水的動(dòng)能和內(nèi)能均開(kāi)始增加，一部分爆炸能量被水吸收，隨著水團(tuán)向外擴(kuò)散，氣體溫度、壓力逐漸下降。裝藥附近水中的沖擊波速度可達(dá)6.0 km/s，隨著沖擊波在水中傳播,波陣面的壓力和傳播速度快速下降，當(dāng)沖擊波到水/空氣界面即水的自由面時(shí)，沖擊波在水自由面發(fā)生反射，自由面水的質(zhì)點(diǎn)速度約為入射波后水的質(zhì)點(diǎn)速度的2倍，因此自由面水的質(zhì)點(diǎn)速度與入射沖擊波中的壓力基本成正比。如果入射沖擊波是按指數(shù)關(guān)系衰減的，則壓力由其最大值迅速減小，導(dǎo)致距自由面不同位置處的水的運(yùn)動(dòng)速度不同，從而使自由面附近的水點(diǎn)向空氣噴射、飛濺。

隨著水的噴射、飛濺、空氣擾動(dòng)和水的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等造成水的破碎，高溫高壓氣體通過(guò)水的“空氣縫隙”向前運(yùn)動(dòng)，并在水的前方形成新的沖擊波，該沖擊波壓力幅值相比剛傳播到水時(shí)的沖擊波壓力已大大降低，但其傳播速度比水飛濺的運(yùn)動(dòng)速度快，因此該沖擊波先于水作用到鋼筒內(nèi)壁產(chǎn)生一個(gè)彈性的應(yīng)力波。3 μs后，質(zhì)點(diǎn)速度大小不同的飛濺水點(diǎn)和部分爆轟產(chǎn)物的混合物陸續(xù)撞擊到鋼筒內(nèi)壁，撞擊作用持續(xù)約5 μs。隨后基本成片的水撞擊到鋼筒內(nèi)壁，對(duì)應(yīng)圖7中80 μs開(kāi)始的上升沿較陡的速度波形；在81 μs時(shí)速度波形有一個(gè)拐點(diǎn)，由式(1)得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力約為660 MPa，可能是由材料發(fā)生動(dòng)態(tài)屈服引起的；之后速度快速上升至峰值，相應(yīng)的應(yīng)力值約為1.4 GPa，可以推算出撞擊時(shí)水的速度約為535 m/s,波速約為2.56 km/s。此后鋼筒外壁速度因卸載波的影響開(kāi)始振蕩下降，隨著時(shí)間增加，外壁面的速度振蕩也隨之趨于平緩。

由鋼筒外壁質(zhì)點(diǎn)速度3.8 m/s，入射波質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)為1.9 m/s，代入式(1)，算出該彈性波的壓力峰值約為80 MPa，此值為穿過(guò)水“縫隙”形成的空氣沖擊波反射超壓峰值。同理，鋼筒外壁速度峰值13 m/s對(duì)應(yīng)的壓力峰值約為284 MPa，應(yīng)為飛濺水點(diǎn)和部分爆轟產(chǎn)物的“混合物”對(duì)鋼筒的作用強(qiáng)度。假定“混合物”以水為主，根據(jù)“混合物”與鋼筒撞擊面上動(dòng)量守恒條件，得到飛濺水點(diǎn)撞擊鋼筒的質(zhì)點(diǎn)速度約為197 m/s，該值顯著低于水的峰值質(zhì)點(diǎn)速度，說(shuō)明“混合物”應(yīng)是以爆轟產(chǎn)物為主。其作用強(qiáng)度低于沒(méi)有水的爆轟產(chǎn)物造成的影響，可能是水對(duì)爆轟產(chǎn)物的阻擋作用所致。

根據(jù)球形沖擊波在水中傳播的峰值壓力計(jì)算公式[11]：

(2)

式中:pm為壓力峰值；r0為裝藥半徑，取為0.019 m；r為測(cè)點(diǎn)距爆心距離，取為0.033 m；A和α為與炸藥相關(guān)的參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)中由能量相似原則計(jì)算得到系數(shù)A為12.36 GPa，α為3，得到?jīng)_擊波在水中傳播至空氣與水的界面附近時(shí)的峰值壓力約為2.36 GPa。

根據(jù)水的沖擊壓縮特性[12]，水與空氣界面處水的初始質(zhì)點(diǎn)速度約1.56 km/s，此處以自由面的質(zhì)點(diǎn)速度加倍進(jìn)行了計(jì)算。當(dāng)沖擊波壓力為1～20 G Pa時(shí)，水中沖擊波平均速度取為4.46 km/s。將爆轟波到達(dá)炸藥表面的時(shí)刻定義為零時(shí)刻，根據(jù)上述分析，由表1可得爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用到鋼筒外壁的時(shí)刻約為35.4 μs，減去沖擊波在水中和鋼筒壁面的傳播用時(shí)，得到飛濺水點(diǎn)由水表面運(yùn)動(dòng)至鋼筒內(nèi)壁用時(shí)29.5 μs，相應(yīng)的平均速度約為576 m/s。該平均速度小于水與空氣界面處的初始質(zhì)點(diǎn)速度，其原因可能有:(1)界面處的初始質(zhì)點(diǎn)速度是依入射沖擊波壓力峰值得到的，而后續(xù)的質(zhì)點(diǎn)速度按指數(shù)關(guān)系衰減，因此飛濺水整體的平均初始速度低于界面處的初始質(zhì)點(diǎn)速度；(2)水滴在空氣中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)受空氣阻力作用速度有一定的下降；(3)利用經(jīng)驗(yàn)式(2)計(jì)算近場(chǎng)爆炸的壓力存在一定的誤差，自由面質(zhì)點(diǎn)速度加倍的處理方式也會(huì)導(dǎo)致初始質(zhì)點(diǎn)速度在一定程度上被高估。

通過(guò)上述分析，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)水對(duì)爆炸沖擊波的作用機(jī)理。炸藥周?chē)?倍水后，水運(yùn)動(dòng)至比距離為0.128 m/kg1/3處時(shí)已經(jīng)發(fā)生分裂、破碎等過(guò)程，爆炸能的一部分已經(jīng)轉(zhuǎn)化為水的運(yùn)動(dòng)能并與空氣發(fā)生摩擦、減速?gòu)亩哪芰俊Ｔ谒袀鞑サ臎_擊波使空氣界面處的水發(fā)生濺射、飛散、破裂之后，高溫高壓的氣態(tài)爆轟產(chǎn)物通過(guò)水的“裂縫”在空氣中形成沖擊波，因此該沖擊波形成時(shí)間晚于無(wú)水爆炸，這種形成方式同樣限制了沖擊波強(qiáng)度，延長(zhǎng)了沖擊波的持續(xù)時(shí)間。由于從爆心至該比例距離處的整個(gè)衰減過(guò)程很短，水仍具有較大的動(dòng)能，會(huì)與爆炸形成的空氣沖擊波在較短時(shí)間內(nèi)共同作用目標(biāo)物，產(chǎn)生巨大的沖擊作用。可見(jiàn)，如果在開(kāi)闊空間置水爆炸時(shí)，此后運(yùn)動(dòng)速度高于水的空氣沖擊波將進(jìn)一步拉大與水(滴)的距離，隨著水在空氣作用下發(fā)生減速運(yùn)動(dòng)，水的運(yùn)動(dòng)能逐漸降低，在高溫高壓氣體推動(dòng)和空氣阻礙的共同作用下，不同大小和初始速度的飛濺水進(jìn)行不同程度的減速，從而在傳播方向上進(jìn)一步分散，即水的沖擊作用幅值降低、作用時(shí)間增加[13]。在更大比距離處，水的運(yùn)動(dòng)能將可忽略，此時(shí)空氣沖擊波占主導(dǎo)作用，但由于一部分爆炸能被水消耗，因此沖擊波幅值顯著小于無(wú)水爆炸空氣沖擊波。

關(guān)于在水直接包覆下炸藥爆炸的數(shù)值模擬問(wèn)題：一方面，根據(jù)置水爆炸獲取的鋼筒外壁速度曲線可以確定，水在0.128 m/kg1/3處已經(jīng)開(kāi)始分裂，環(huán)向分布不均勻，因此原本以球?qū)ΨQ(chēng)傳播的爆炸沖擊波各個(gè)方向的幅值不同，且各方向的水的動(dòng)能也不同，說(shuō)明在較小比例距離處不同方向的壓力和沖量很可能會(huì)有較大偏差；另一方面，不同于無(wú)水爆炸，由于爆炸后高溫高壓氣體和水復(fù)雜的作用過(guò)程導(dǎo)致空氣沖擊波形成過(guò)程與水的破碎密切相關(guān)，該沖擊波是由高溫高壓氣體通過(guò)水的“裂縫”形成的，而采用一維數(shù)值模型會(huì)使水始終處于高溫高壓氣體和空氣之間，將會(huì)改變置水爆炸的作用過(guò)程，使爆炸沖擊波的消減效果出現(xiàn)偏差。上述分析說(shuō)明，水包覆下炸藥爆炸的數(shù)值模擬應(yīng)采用二維以上模型，條件許可時(shí)最好用三維模型以便獲取更合理的計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié) 論

通過(guò)比例距離為0.128 m/kg1/3的鋼筒內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn)，探討了無(wú)水和水直接包覆炸藥爆炸時(shí)鋼筒的破壞過(guò)程，依據(jù)鋼筒徑向速度曲線,分析了水與沖擊波和空氣的作用機(jī)理，結(jié)果表明：(1)置水爆炸時(shí)，水中傳播的沖擊波使空氣界面的水發(fā)生濺射、飛散、破裂后，高溫高壓氣態(tài)爆轟產(chǎn)物通過(guò)水的“裂縫”在空氣中形成沖擊波，相比無(wú)水爆炸，這種形成方式使該沖擊波出現(xiàn)更晚、強(qiáng)度更低、持續(xù)更久；(2)在水包覆下炸藥爆炸的數(shù)值模擬中，由于空氣沖擊波在水發(fā)生破碎之后形成，爆炸初期不同方向的壓力和沖量是不同的，而采用一維模型會(huì)改變置水爆炸的作用機(jī)理，擴(kuò)大較小比例距離處的計(jì)算偏差，應(yīng)采用二維或三維模型以獲取更合理的計(jì)算結(jié)果；(3)玻璃殼和PVC殼內(nèi)置水直接包覆炸藥時(shí)，該比例距離處的鋼筒變形量分別是無(wú)水爆炸時(shí)的10倍和8倍，波阻抗大于水的波阻抗的盛水結(jié)構(gòu)材料密度越低、厚度越小對(duì)爆炸載荷的影響越??；(4)用光纖位移干涉儀可以以非接觸的方式獲取鋼筒徑向質(zhì)點(diǎn)速度、位移時(shí)程曲線，可作為爆炸力學(xué)重要的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)，尤其適用于動(dòng)態(tài)大沖量加載下小型目標(biāo)物的大變形測(cè)量。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Experimental study for effects of water and its container on explosion loading near explosive

Xu Haibin1,2, Zhong Fangping2, Yang Jun2, Zhang Dezhi2, Qin Xuejun2,Liu Junling2, Shi Guokai2, Liang Zhigang2, Shen Zhaowu1

(1.DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China；2.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,Shaanxi,China)

To explore the mitigating mechanism of detonation of a high explosive surrounded by water, experiments of explosion with and without water were carried out in an open-ended steel cylinder. The particle velocity and the displacement of the outer surface of the cylinder were obtained by an optical-fiber displacement interferometer. The results indicate that shock wave will not be formed in air by the product of detonation until the water surrounding the product is separated to a fissure, which causes the later appearance and lower magnitude of shock wave with a longer duration compared with an explosion without water. It means that two-dimensional or three-dimensional numerical models are required to conduct the simulations of explosions with water. It is also observed that the augment of blast load decreases with the decrease of the density of the water container as well as its thickness.

mechanics of explosion; blast load; water; steel cylinder; particle velocity

10.11883/1001-1455(2016)04-0525-07

2014-11-25；

2015-04-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11172245)

徐海斌(1980— )，男，博士研究生,xuhaibin@nint.ac.cn。

O381國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

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