李 昂

（中國刑事警察學(xué)院 遼寧 沈陽 110035）

0 引言

玻璃具有美觀、易塑性、成本低等優(yōu)點，早已在建筑建材選擇、工藝品制作和特殊行業(yè)應(yīng)用等方面普及，廣泛出現(xiàn)在日常生活中，但面對生活場景中也存在著易碎、密度大、保暖性不足等問題和針對專業(yè)領(lǐng)域的特殊問題。而玻璃制作工藝的提升和玻璃結(jié)構(gòu)方式的豐富，為不同適用場景的具體需求提供保障，豐富了當(dāng)今玻璃制品門類、擴大了玻璃制品的適用范圍，但也致使不同材料種類和結(jié)構(gòu)方式玻璃的抗爆性能等材料性能差別較大。通過研究爆炸載荷下玻璃破壞情況，分析玻璃破碎與炸藥量、裝藥距離的關(guān)系規(guī)律，能夠為今后爆炸領(lǐng)域的科學(xué)研究和爆炸現(xiàn)場重建等公安實踐工作提供相應(yīng)的理論支持。因此，玻璃介質(zhì)破壞研究已成為爆炸現(xiàn)場勘查的重要研究方面。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 理論研究

依據(jù)基本的力學(xué)原理對介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，可以較精確地給出介質(zhì)結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的反應(yīng)。但由于爆炸沖擊波荷載、材料特性以及邊界條件的復(fù)雜性和不確定性，使得理論分析法在實際應(yīng)用中主要解決一般性的問題。目前國內(nèi)外對理論分析法的研究方面主要包括炸藥爆轟特性、失效波現(xiàn)象和玻璃碎片飛濺模型。

1.1.1 炸藥爆轟特性

爆炸現(xiàn)場中，炸藥在一定的外界能量作用下完成高速化學(xué)反應(yīng)，通過釋放大量能量對外界產(chǎn)生破壞。其種類繁多，以黑索金、硝化甘油、TNT、硝酸銨或氯酸鹽為主體的混合炸藥較為常見。炸藥的主要技術(shù)指標(biāo)包括感度、威力、猛度、殉爆、氧平衡、爆速和安定性等。不同種類炸藥藥量的換算，可通過爆熱值換算公式（1）進(jìn)行，一般換算為對應(yīng)的TNT炸藥的炸藥量。

式中：W非，非TNT炸藥的炸藥量；

WTNT，TNT炸藥的炸藥量；

Q非，非TNT炸藥的爆熱值；

QTNT，TNT炸藥的爆熱值。

王樹有等[1]應(yīng)用水懸浮法、采用熱壓成型工藝壓制藥柱，并根據(jù)GJB772A-1997《炸藥試驗方法》進(jìn)行CL‐20基壓裝混合炸藥爆炸驅(qū)動特性實驗，系統(tǒng)考察爆炸驅(qū)動性能差異，證實了密度為1.95 g/cm3的CL-20基炸藥在爆速、爆壓、格尼系數(shù)、驅(qū)動預(yù)制破片速度和靜穿甲能力均有不同程度的提升。

1.1.2 失效波現(xiàn)象

失效波現(xiàn)象最初在玻璃材料實驗中發(fā)現(xiàn)：在沖擊載荷作用下，玻璃材料發(fā)生延遲于沖擊波的破碎，并且破碎界面從碰撞面起始逐漸向內(nèi)部傳播的現(xiàn)象。失效波是指這一運動的破碎界面，在低于并接近材料Hugoniot彈性極限時產(chǎn)生，與傳統(tǒng)的材料破壞認(rèn)識存在矛盾，是的一種獨特的動態(tài)損傷機制,材料內(nèi)部微裂紋的不均衡擴展是失效波現(xiàn)象的形成機理。熊迅等[2]使用PFC進(jìn)行石英玻璃桿的Taylor撞擊實驗，動態(tài)顯示出桿中失效區(qū)域的演化過程，對壓縮失效區(qū)域的陣面結(jié)構(gòu)等相關(guān)問題進(jìn)行分析，在驗證以往研究成果的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步解釋失效波問題提供實驗數(shù)據(jù)和理論分析支持。

1.1.3 玻璃碎片飛濺模型

爆炸載荷下，玻璃破碎后飛濺的玻璃碎片對人具有較強殺傷性且能為爆炸案件的分析提供依據(jù)。濮勇等[3]借助金相顯微系統(tǒng)和高速攝影等，針對沖擊載荷下夾層玻璃開裂及碎片過程進(jìn)行觀測，系統(tǒng)研究開裂性能、裂紋形成模式、碎片介觀（10-3mm）模式和碎片飛濺速度與飛濺能量，為下一步關(guān)聯(lián)介觀尺度與宏觀尺度、分析其影響因素提供技術(shù)支持。

1.2 試驗研究

試驗研究是具有較強的直觀性和準(zhǔn)確性，為理論分析中推導(dǎo)公式和方程提供實際試驗數(shù)據(jù)的支撐。但同時，爆炸試驗具有實施難度大、安全要求高、人力物力耗費多的特點及在實際操作中各方面的限制因素，所以當(dāng)前所做的關(guān)于爆炸載荷下玻璃破壞的試驗較少。試驗研究方法包括現(xiàn)場爆炸試驗、激波管試驗等。

1.2.1 現(xiàn)場爆炸試驗法

現(xiàn)場爆炸試驗即是一般意義上的實際爆炸試驗。當(dāng)前現(xiàn)場爆炸試驗主要對炸藥的爆炸特性和玻璃在爆炸載荷下的沖擊波毀傷閾值等方面進(jìn)行研究。

雖然在理論上，炸藥爆炸的一般規(guī)律得到反復(fù)證實，但對于特定炸藥的爆炸威力及爆轟機理仍需實際測量和分析。Ming Yang等[4]將RDX粉末和大量GMs引入乳液基質(zhì)中，提高爆破性能，通過爆轟速度、臨界厚度和水下爆炸實驗，系統(tǒng)研究了RDX含量對混合物爆破性能的影響，證實了水下爆炸的所有能量輸出參數(shù)隨著RDX含量的增加而增加；Fang Hua等[5]將空心微珠加入乳液基質(zhì)作為敏化劑來制備空心微珠敏化乳液炸藥，研究空心微珠含量和粒徑對乳化炸藥爆破性能的影響，進(jìn)而確定最佳配比，提出空心微珠可能在未來成為乳化炸藥的有效物理敏化劑；周國安等[6]以黏土顆粒為惰性劑，研究低爆速乳化炸藥的爆炸性能及爆轟機理，實現(xiàn)了通過改變黏土顆粒量對炸藥參數(shù)及能量結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)；王波等[7]測試貯氫玻璃微球含量的不同對貯氫玻璃微球敏化乳化炸藥猛度和爆速的影響，提升貯氫玻璃微球敏化乳化炸藥的爆炸威力。

玻璃在爆炸載荷下的沖擊波毀傷閾值研究為劃定安全距離、分析炸藥量和重建爆炸現(xiàn)場提供支撐，對于安全防范和現(xiàn)場勘查領(lǐng)域具有重要意義。如圖1所示，鐘巍等[8-10]通過對10 mm厚無夾層鋼化玻璃和PVB夾層鋼化玻璃在爆炸載荷下的毀傷效應(yīng)進(jìn)行研究，分析玻璃的不同安裝方式對沖擊波毀傷閾值的影響，確定不同玻璃的沖擊波毀傷超壓閾值和沖量閾值；牛歡歡等[11]應(yīng)用爆炸實驗系統(tǒng)，對不同尺寸的中空鋼化夾層玻璃進(jìn)行試驗研究，重點考察玻璃本身的PVB膠層、空氣層尺寸對抗爆性能的影響，分析得出炸藥量的多少和爆心距的遠(yuǎn)近是影響爆炸作用強度的決定性因素。

1.2.2 激波管試驗法

激波管沖擊試驗采用壓縮機壓縮空氣的方式，使激波管內(nèi)產(chǎn)生沖擊波沖擊實驗?zāi)繕?biāo)物。激波管沖擊試驗使爆炸試驗更為可控和簡化。雖然激波管沖擊試驗法產(chǎn)生沖擊波的總體爆炸沖擊與實際爆炸大體相當(dāng)，但由于沖擊波的特征和持續(xù)時間等存在差別，所以激波管試驗在一定程度上是現(xiàn)場爆炸試驗的簡化和近似。

2 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬方法是利用有限元分析軟件ANSYS/LSDYNA、ABAQUS和ANSYS/AUTODYN等有限元分析軟件，對毀傷目標(biāo)和炸藥等材料建模，并對實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值分析。相較于試驗研究，數(shù)值模擬法能夠準(zhǔn)確建立理想模型，對預(yù)期條件進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)置，且效率高、干擾因素少，還能對實驗全部過程進(jìn)行動態(tài)顯示、輸出相關(guān)實驗參數(shù)，具有極強的實用性。目前，有限元分析軟件在爆炸領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，多使用爆炸荷載簡化和流固耦合法進(jìn)行實驗。

2.1 流固耦合法

流固耦合法在有限元分析軟件建立二維或三維的1/2模型、1/4模型或全部模型等，使用拉格朗日算法定義玻璃等固體目標(biāo)物，使用歐拉算法定義空氣和炸藥，并利用CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字將爆炸沖擊波作用于固體目標(biāo)物上，實現(xiàn)爆炸載荷的加載。

張文嵐等[12]針對列車車窗進(jìn)行研究，對此類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維有限元模型，單一的爆炸荷載簡化法無法完成完整模型的構(gòu)建，必須使用到流固耦合法，通過建立如圖2和3所示模型，開展超壓峰值驗證、不同爆距下玻璃板心沖擊波時程曲線、車窗內(nèi)外層玻璃破壞特征和外層玻璃板心的動力響應(yīng)等，為分析車窗玻璃在爆炸載荷下的損傷研究、優(yōu)化車窗玻璃抗爆設(shè)計提供參考。

2.2 爆炸荷載簡化法

爆炸荷載簡化實質(zhì)是將預(yù)設(shè)的爆炸沖擊波直接加載在固體目標(biāo)物上，不需要構(gòu)建炸藥和空氣部分，便于操作、計算速度快，適用于精度要求不高、比例距離較大、實驗設(shè)置條件簡單、計算量大等情況。

如圖4所示，鐘巍等[10]對現(xiàn)場爆炸試驗的試驗結(jié)果和CONWEP程序計算結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)得到的超壓值、沖擊波到達(dá)時間、超壓作用時間和沖量等爆炸沖擊波參數(shù)基本一致，在比例距離較大的情況下能夠加快計算效率，但在計算精度方面弱于流固耦合法，且不能適用于存在沖擊波繞射等復(fù)雜情況。Ziyuan Li等[13]針對爆炸載荷下浮法玻璃動力響應(yīng)，借助有限元模擬方法結(jié)合應(yīng)力理論建立模型。數(shù)值模擬結(jié)果與理論結(jié)果之間的誤差率僅為1.90%，證明了所提出的理論表達(dá)式在計算爆炸荷載作用下單浮法玻璃有效應(yīng)力的可靠性。

3 展望

當(dāng)前，爆炸載荷下玻璃破壞的研究主要集中在防爆抗爆設(shè)計、玻璃材料特性和炸藥爆炸威力方面，與公安實戰(zhàn)中的爆炸現(xiàn)場勘查有一定距離，難以直接運用于公安實戰(zhàn)。同時，由于玻璃制作工藝的提升和玻璃結(jié)構(gòu)方式的豐富，不同材料種類和結(jié)構(gòu)方式玻璃的抗爆性能差別較大，公安實戰(zhàn)領(lǐng)域以往在爆炸現(xiàn)場勘察中玻璃相關(guān)理論和方法面臨巨大考驗。

爆炸載荷下玻璃破壞研究的關(guān)鍵點在于炸藥、玻璃介質(zhì)和爆炸環(huán)境。實際爆炸事件中的炸藥以民用炸藥為主，結(jié)合炸藥爆轟特性等研究成果，利用爆熱值換算公式換算得出標(biāo)準(zhǔn)TNT當(dāng)量。玻璃介質(zhì)需要考慮玻璃材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和尺寸等因素，當(dāng)前已經(jīng)有學(xué)者針對特定玻璃進(jìn)行系列實驗，但仍需進(jìn)一步覆蓋常見玻璃材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和尺寸研究范圍，也可利用曲線擬合方法獲取一般性規(guī)律。爆炸環(huán)境分類眾多，包括懸空爆炸、近地爆炸、接觸爆炸及水域爆炸等。目前研究大多忽略反射波問題，實驗?zāi)Ｐ鸵詰铱毡ň佣唷嶋H爆炸事件中爆炸環(huán)境復(fù)雜，多為近地爆炸，在今后的研究中可進(jìn)一步考慮反射波因素的影響效果。

依據(jù)爆炸理論研究，通過數(shù)值模擬實驗和實際試驗相結(jié)合的研究思路，考察不同材料種類、結(jié)構(gòu)方式、玻璃尺寸等因素對玻璃破壞情況的影響，進(jìn)而直接借助爆心距概念分析玻璃破碎與炸藥量、裝藥距離的關(guān)系規(guī)律，為爆炸領(lǐng)域的科學(xué)研究和爆炸現(xiàn)場重建等公安實踐工作提供相應(yīng)的理論支持。