反向起爆模型下有效加载半径研究

张柱+晋艳娟+于辰+崔小朝

摘 要：本文在“反向起爆模型下的冲击波加载”研究结论的基础上，利用数值模拟讨论了反向起爆模型中的有效加载半径和间隙对冲击波加载的影响。研究结果表明，当选取炸药后自由面稀疏波控制加载持续时间时，数值模拟所得有效加载半径与理论分析所得有效加载半径相近；随着间隙的增大，空气对炸药爆轰波的卸载作用逐渐增大，峰值压力逐渐变小，冲击波加载平台逐渐消失，最终将无法得到与轻气炮加载相同的一维应变矩形加载波。

关键词：爆炸力学 反向起爆 冲击波 加载半径 间隙

中图分类号：O381 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0030-03

实验作为研究材料力学特性的最基本手段，其配套技术和设备的发展成为材料动态力学性能研究的决定性因素之一。利用轻气炮装置可对固体材料试件进行中高应变率下的一维应变动态加载，董石等[1]、翟少栋等[2]、冯晓伟等[3]、王婧等[4]、任会兰[5]等分别利用一级或二级轻气炮进行了大量实验方面的研究工作，但所能加载的试件尺寸受到限制，一般试件最大直径不超过120mm。为此，笔者于2014年3月在《爆炸与冲击》期刊上发表了一篇名为“反向起爆模型下的冲击波加载”的文章，进行了大尺寸爆炸加载前期研究工作，文中选取炸药作为驱动力，提出利用炸药反向起爆模型完成对可压缩固体材料的近似一维应变矩形波加载，从理论和数值模拟两个方面讨论了冲击波压力和冲击波加载平台宽度。本文在“反向起爆模型下的冲击波加载”的基础上，利用数值模拟讨论反向起爆模型中的有效加载半径和间隙对冲击波加载的影响，为爆炸加载冲击波与轻气炮加载应力波的等效关系建立提供基础。

1 冲击波有效加载半径的理论分析

炸药在反向起爆过程中可以维持固体表面的压力平台，但该平台宽度不可能无限长，其具体值必然受到某些限制。结合图1分析发现，加载冲击波的平台宽度取决于AD、DE、CF、EF4个边上的稀疏波作用。對于B点的压力平台来说，主要是看AD、DE、CF、EF4个边上的那个反射稀疏波先到达B点，一旦有稀疏波到达，压力平台将不能维持，压力开始下降。下面讨论所涉及符号分别代表压力、冲击波波速、密度、绝热指数、粒子速度、比容和声速。符号下角标带的表示爆轰波阵面上的参数，上角标带*的表示固体材料的参数，下角标带0的表示材料初始参数。

轻气炮中的高速飞片在刚接触靶板的时候，在靶板表面的有效加载范围是飞片的半径R。结合图1、表1中以COMP B炸药反向起爆对Al作用为例，给出了3种情况下的有效加载半径结果。

2 冲击波有效加载半径的数值模拟

利用AUTODYN软件对表1中3种尺寸的反向起爆加载模型进行数值模拟，所需材料参数如表2所示。模拟过程中在固体的BE面上布置100个高斯观测点，中心点B所对应高斯点编号分别为18、19、24，通过不同高斯点的压力曲线变化研究有效加载半径，具体模拟结果分析见表3。观察表3可知，数值模拟所得加载半径与理论分析所得加载半径基本相等，说明理论分析过程正确有效。

3 间隙对冲击波加载的影响

当炸药与固体接触面处有间隙时，反向起爆模型下的固体中心B处的压力势必会受到影响，冲击波加载平台也将有很大变化，以COMP B对Al作用为例，取mm、a2=100mm、a3=50mm选取不同的间隙，进行数值模拟，所得结果如图2所示，观察可知，随着间隙的增大，空气对炸药爆轰波的卸载作用逐渐增大，峰值压力逐渐变小，冲击波加载平台逐渐消失，最终将无法得到与轻气炮加载相同的矩形加载波。图2中的时间-压力曲线刚开始存在很大的压力脉冲，主要是起爆瞬间化学反应区内的化学峰造成的，该峰值在材料内部传播过程中会很快衰减。

4 结语

为获得与轻气炮加载相同的一维应变矩形波加载，突破实验所能加载试件的尺寸限制，完成对真实混凝土和钢筋混凝土的大尺寸动态加载研究，本文在笔者原研究论文“反向起爆模型下的冲击波加载”的基础上，讨论了反向起爆模型中的有效加载半径以及间隙对冲击波加载的影响。研究结果表明，当选取炸药后自由面稀疏波控制加载持续时间（即加载平台宽度）时，数值模拟所得有效加载半径与理论分析所得有效加载半径相近；随着间隙的增大，空气对炸药爆轰波的卸载作用逐渐增大，峰值压力逐渐变小，冲击波加载平台逐渐消失，最终将无法得到与轻气炮加载相同的矩形加载波。

参考文献

[1] 董石，孟川民，肖元陆，等.反应气体驱动二级轻气炮技术的初步研究[J].高压物理，2017，31（2）：182-186.

[2] 翟少栋，李英华，彭建祥，等.平面碰撞与强激光加载下金属铝的层裂行为[J].爆炸与冲击，2016，36（6）：767-773.

[3] 冯晓伟，李俊承，王洪波，等.平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理[J].物理学报，2016，65（16）：178-187.

[4] 王婧，任会兰，郝莉，等.强冲击载荷下多孔钛动态力学性能实验及数值模拟[J].北京理工大学学报，2016，36（2）：117-121.

[5] 任会兰，树学锋，李平.强冲击载荷下氧化铝陶瓷破坏特性的数值模拟及实验研究[J].中国科学：物理学 力学 天文学，2009，39（9）：1221-1230.

[6] 张柱，晋艳娟.反向起爆模型下的冲击波加载[J].爆炸与冲击，2014，34（2）：223-228.endprint