水及盛水容器對近距離爆炸載荷影響的實驗研究*

徐海斌,鐘方平,楊 軍,張德志,秦學軍,劉峻嶺,史國凱,梁志剛,沈兆武

(1.中國科學技術大學近代力學系,安徽 合肥 230027；2.西北核技術研究所,陜西 西安 710024)

水及盛水容器對近距離爆炸載荷影響的實驗研究*

徐海斌1,2,鐘方平2,楊 軍2,張德志2,秦學軍2,劉峻嶺2,史國凱2,梁志剛2,沈兆武1

(1.中國科學技術大學近代力學系,安徽 合肥 230027；2.西北核技術研究所,陜西 西安 710024)

為研究用水包圍炸藥的方式對爆炸載荷的作用機理，在兩端開口的鋼筒內進行了水直接包覆炸藥的爆炸實驗，利用光纖位移干涉儀獲取了鋼筒外壁的徑向速度和動態變形。結果表明：不同于無水爆炸，爆轟產物通過水的“裂縫”在空氣中形成沖擊波，造成該沖擊波出現時間更晚、強度更低、持續時間更長，并要求相應的數值模擬采用二維以上的計算模型；盛水結構的材料密度越低、厚度越小對爆炸載荷的影響越小。

爆炸力學;爆炸載荷;水;鋼筒;質點速度

爆炸物的組裝、存儲和銷毀等過程中，需采用適當方法盡量降低爆炸物意外引爆對人類生命財產和周圍建筑物的損害。近年來，用水消減爆炸產生的空氣沖擊波的方法越來越受到重視，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，能夠應用于很多場所，如炸藥臨時存放點、拆除或銷毀彈藥現場，常見的放置水(簡稱置水)的方法有在爆炸物上直接覆蓋水袋或水枕、在爆炸物周圍設置水墻等。因此，研究用水包圍炸藥的方式對爆炸載荷的作用機理，對于拓展該消波方式的應用是很有必要的。由于水包圍炸藥爆炸的過程與空中爆炸、水中爆炸各不相同，尤其是關于水與爆炸后高溫高壓氣體及空氣的作用過程和機理的報道較少，與盛水結構相關的研究未見報道。目前，已開展了一些關于水包圍乃至直接覆蓋炸藥對較大比例距離處爆炸載荷影響的實驗研究[1-5]，大多數的研究表明用水包圍炸藥可以大大消減爆炸沖擊波[1-4]，而全尺寸大當量置水爆炸實驗卻表明水消減沖擊波的效果較低[5]。因此，需要進一步開展水包覆炸藥的置水爆炸研究，研究該消波方式對爆炸載荷的作用機理。

本文中，采用在鋼筒內用水直接包覆炸藥的方式進行比例距離為0.128 m/kg1/3的爆炸實驗，用光纖位移干涉儀測量爆心環面徑向速度和鋼筒變形，分析炸藥被水直接包裹時近距離爆炸載荷對鋼筒的作用過程，評估盛水結構材料對小比例距離的爆炸載荷和鋼筒響應的影響，探討爆炸初期水與沖擊波和空氣的作用過程，以期為進一步掌握炸藥被水包圍時水對爆炸沖擊波的作用機理提供參考，并為下一步的數值模擬提供基本的實驗數據。

1 實驗方法

實驗示意圖如圖1所示:鋼筒材料為20鋼，兩端開口，內徑為100 mm，壁厚12 mm，筒長400 mm;光纖位移干涉儀[6]用于測量爆心環面鋼筒外壁的動態速度和鋼筒動態變形；爆炸源采用由柔爆索中心引爆的球形組裝炸藥，且各次實驗中的柔爆索長度相同。球形起爆藥球用微米級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當量。已有的實驗表明，這種結構的裝藥爆轟波球形度都較好[7]。置水實驗時,將球形裝藥放入注滿水的薄壁球殼的中心，實現爆心對稱約束水的目的，使爆炸沖擊波與水的作用過程具有良好的對稱性，見圖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構,需要有一定的剛度和強度，以確保注水后的球殼仍基本保持球形。實驗中，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，水的質量和炸藥TNT當量的比值(簡稱水藥比)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，質量約為3 g；玻璃殼壁的厚度約為0.5 mm，質量約為20 g。共進行了1次無水爆炸和2次置水爆炸實驗。實驗中，采用雷管末端電探針信號作為零時信號，無水實驗中在炸藥表面布置探針測時；PVC殼置水實驗中采用與無水爆炸實驗中長度相同的柔爆索，據此確定爆轟波到達炸藥球表面的時刻與無水爆炸時的相同。

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

2 實驗結果及分析

2.1 置水前后鋼筒外壁的質點速度

圖4給出了光纖位移干涉儀實測的無水和置水爆炸時爆心環面鋼筒外壁質點速度曲線，速度正值表示鋼筒外壁向外擴張。可見，無水爆炸實驗中，鋼筒外壁質點速度振蕩上升，鋼筒進入外擴階段，速度最大值約為24.6 m/s；之后，鋼筒外壁速度下降，進入收縮階段；隨著速度升為正值，鋼筒又進入外擴階段；如此反復，即鋼筒發生“呼吸振動”，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，爆心環面鋼筒外壁的質點速度最大值分別為69.9和132.8 m/s，分別約為無水爆炸時的3倍和5倍。這說明該條件下的置水爆炸對鋼筒內壁產生的壓力顯著大于無水爆炸，PVC球殼置水爆炸時鋼筒同樣發生“呼吸振動”。圖4(b)中玻璃球殼置水爆炸時爆心環面鋼筒外壁質點速度曲線的初始和結束部分存在大量的毛刺，這主要是因為在這2個時段探頭接收到的信號光太弱，降低了信號的對比度，在將頻率-時間對提取出來換算成速度-時間對的數據處理過程中產生了這些毛刺。

圖4 爆心環面鋼筒外壁質點速度-時間曲線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發生復雜的彈塑性變形，并在置水爆炸實驗中出現了破裂現象。PVC球殼置水實驗后鋼筒爆心環面環向變形基本均勻，而玻璃球殼置水實驗后鋼筒爆心環面環向變形不均勻，如圖5所示。鋼筒上下變形差異是由炸藥上下側玻璃球殼厚度不同引起的，玻璃球殼端蓋增加了炸藥上側的玻璃質量，使向上的爆炸威力增強。

圖6是由實測速度曲線積分得到的爆心環面鋼筒外壁被測點的位移曲線。可見，無水爆炸時鋼筒測點徑向位移在40 μs內從零增至約0.5 mm，鋼筒變形平均速度為12.5 m/s，之后降至約0.25 mm，然后發生上下振蕩，這是由鋼筒的呼吸振動所致，其穩定值約為0.29 mm，表明鋼筒產生了塑性變形。PVC球殼和玻璃球殼內置水爆炸時鋼筒徑向位移分別在75和100 μs內從零升至2.2和3.1 mm，鋼筒變形平均速度分別為29、31 m/s，PVC球殼內置水爆炸加載下鋼筒徑向位移曲線同樣出現上下振蕩的現象，其穩定值約為1.94 mm。可見，用玻璃球殼內置水爆炸時鋼筒變形量最大，變形速度最快；無水爆炸時鋼筒變形量最小，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 不同情況下爆心環面鋼筒外壁徑向位移-時間曲線Fig.6 Radial displacement-time curves of the steel-cylinder outer surface centered at the explosion in different cases

根據實測的速度曲線，得到的無水和置水爆炸實驗結果見表1，表中me為炸藥TNT當量，mw為置水量，cc為沖擊波走時,vp為峰值速度，ss為穩定位移，γ為鋼筒環向塑性變形，表中還列出了以往實驗中120 g TNT當量和180 g TNT當量炸藥無水爆炸時長600 mm的鋼筒的變形情況作為參考[8]，該鋼筒其余參數與長400 mm的鋼筒的相同。可見，水藥比為2的60 g TNT當量炸藥置水爆炸與120 g TNT炸藥無水爆炸時鋼筒的塑性變形基本相同，約為180 g TNT炸藥無水爆炸時鋼筒塑性變形量的1/2，但置水爆炸時鋼筒還出現了軸向破裂現象，120 g TNT和180 g TNT當量炸藥爆炸時沒有觀察到鋼筒出現裂縫。結構在高速沖擊下的剪切破壞與材料細觀上的絕熱剪切帶有關[9]。本實驗中出現鋼筒小變形斷裂的原因可能是水撞擊產生高應變率，導致材料塑性降低，形成的絕熱剪切帶使鋼筒斷裂。

表1 無水和置水爆炸實驗結果Table 1 Measured results of explosion without and with water

*指按峰值變形獲得的數據；Δ指軸向長度為600 mm的鋼筒用探針測量的數據，僅作參考。

上述結果說明，相同炸藥下有水爆炸時鋼筒的變形時間更長、變形速度更高，即爆炸對鋼筒的作用力更大；水藥比為2的玻璃球殼置水爆炸時鋼筒變形量最大，約為無水爆炸時的10倍；PVC球殼置相同水時約為無水爆炸時的8倍，即水會大大增強爆炸對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構對爆炸的增強作用更顯著。

分析認為，當水中的沖擊波傳到盛水結構時，發生加載或卸載反射，并向盛水結構中透射沖擊波。該透射沖擊波到達自由面時，發生卸載反射，盛水結構向外膨脹且質點速度增加，當反射的卸載波回到盛水結構與水的交界面時將反射沖擊波。因此，在盛水結構中將來回反射卸載波和沖擊波，盛水結構的速度隨著反射次數增加而增加，每次反射的速度增量與兩處界面的反射系數有關。當盛水結構的波阻抗(大于水的波阻抗)增加時，盛水結構加速更快，因此對爆炸載荷的影響也較大。當盛水結構的波阻抗小于水的波阻抗時，盛水結構的速度增加變緩，對爆炸載荷的影響減小。

盛水結構的材料密度越低、厚度越小則其質量越小、波阻抗越小，動能就越小，對鋼筒壁面撞擊的作用力越小、作用時間越短，因此對爆炸載荷的影響也越小。

3 鋼筒破壞過程探討

3.1 無水爆炸

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

由表1可知,無水爆炸時沖擊波從炸藥表面至鋼筒外壁共用時6.36 μs,彈性應力波以5.0 km/s在鋼筒內外壁傳播的耗時約為2.4 μs,得到沖擊波由炸藥表面至鋼筒內壁的走時為3.96 μs,炸藥表面距鋼筒內壁約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,爆炸產物緊跟空氣沖擊波，兩者沒有完全分離；之后，沖擊波和爆炸產物才因速度不同而相距越來越遠[10]。速度波形中46.0 μs開始的幅值約為14.2 m/s的第1個速度脈沖應是由空氣沖擊波引起的，根據強間斷柱面波在彈性介質中的傳播規律，沿徑向有公式[11]:

(1)

式中：vr指半徑為r處的徑向質點速度，a為鋼筒內半徑，p0為鋼筒內壁的應力，ρ0和c0分別為鋼筒的初始密度和波速。

得到鋼筒內壁處的應力即空氣沖擊波在內壁的反射超壓峰值約為310 MPa，估算該沖擊波到達鋼筒內壁時波速約為6.0 km/s；第2個速度峰值20.9 m/s可能是由于緊跟空氣沖擊波的爆轟產物的撞擊引起的，對應的壓力峰值約為457 MPa；后繼的波峰可能是鋼筒壁面應力波復雜疊加導致的。

圖7 PVC殼置水爆炸實測的鋼筒外壁質點速度-時間曲線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種置水方式下實測的速度波形均沒有由零直接上升至速度峰值，速度上升沿從76 μs開始出現幅值接近15 m/s、持續約 4 μs的相對平緩的“小臺階”，且最大速度比無水爆炸時的速度增加很多。下面以PVC置水為例，對置水爆炸時的作用過程進行分析，如圖7所示。

置水爆炸時，爆炸沖擊波傳播到水后，高溫高壓氣體推動水運動，同時在水中形成沖擊波，使水的動能和內能均開始增加，一部分爆炸能量被水吸收，隨著水團向外擴散，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，當沖擊波到水/空氣界面即水的自由面時，沖擊波在水自由面發生反射，自由面水的質點速度約為入射波后水的質點速度的2倍，因此自由面水的質點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關系衰減的，則壓力由其最大值迅速減小，導致距自由面不同位置處的水的運動速度不同，從而使自由面附近的水點向空氣噴射、飛濺。

隨著水的噴射、飛濺、空氣擾動和水的擴散運動等造成水的破碎，高溫高壓氣體通過水的“空氣縫隙”向前運動，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的沖擊波壓力已大大降低，但其傳播速度比水飛濺的運動速度快，因此該沖擊波先于水作用到鋼筒內壁產生一個彈性的應力波。3 μs后，質點速度大小不同的飛濺水點和部分爆轟產物的混合物陸續撞擊到鋼筒內壁，撞擊作用持續約5 μs。隨后基本成片的水撞擊到鋼筒內壁，對應圖7中80 μs開始的上升沿較陡的速度波形；在81 μs時速度波形有一個拐點，由式(1)得到對應的應力約為660 MPa，可能是由材料發生動態屈服引起的；之后速度快速上升至峰值，相應的應力值約為1.4 GPa，可以推算出撞擊時水的速度約為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始振蕩下降，隨著時間增加，外壁面的速度振蕩也隨之趨于平緩。

由鋼筒外壁質點速度3.8 m/s，入射波質點速度應為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對應的壓力峰值約為284 MPa，應為飛濺水點和部分爆轟產物的“混合物”對鋼筒的作用強度。假定“混合物”以水為主，根據“混合物”與鋼筒撞擊面上動量守恒條件，得到飛濺水點撞擊鋼筒的質點速度約為197 m/s，該值顯著低于水的峰值質點速度，說明“混合物”應是以爆轟產物為主。其作用強度低于沒有水的爆轟產物造成的影響，可能是水對爆轟產物的阻擋作用所致。

根據球形沖擊波在水中傳播的峰值壓力計算公式[11]：

(2)

式中:pm為壓力峰值；r0為裝藥半徑，取為0.019 m；r為測點距爆心距離，取為0.033 m；A和α為與炸藥相關的參數，本實驗中由能量相似原則計算得到系數A為12.36 GPa，α為3，得到沖擊波在水中傳播至空氣與水的界面附近時的峰值壓力約為2.36 GPa。

根據水的沖擊壓縮特性[12]，水與空氣界面處水的初始質點速度約1.56 km/s，此處以自由面的質點速度加倍進行了計算。當沖擊波壓力為1～20 G Pa時，水中沖擊波平均速度取為4.46 km/s。將爆轟波到達炸藥表面的時刻定義為零時刻，根據上述分析，由表1可得爆炸產生的沖擊波作用到鋼筒外壁的時刻約為35.4 μs，減去沖擊波在水中和鋼筒壁面的傳播用時，得到飛濺水點由水表面運動至鋼筒內壁用時29.5 μs，相應的平均速度約為576 m/s。該平均速度小于水與空氣界面處的初始質點速度，其原因可能有:(1)界面處的初始質點速度是依入射沖擊波壓力峰值得到的，而后續的質點速度按指數關系衰減，因此飛濺水整體的平均初始速度低于界面處的初始質點速度；(2)水滴在空氣中高速運動時受空氣阻力作用速度有一定的下降；(3)利用經驗式(2)計算近場爆炸的壓力存在一定的誤差，自由面質點速度加倍的處理方式也會導致初始質點速度在一定程度上被高估。

通過上述分析，進一步認識水對爆炸沖擊波的作用機理。炸藥周圍置2倍水后，水運動至比距離為0.128 m/kg1/3處時已經發生分裂、破碎等過程，爆炸能的一部分已經轉化為水的運動能并與空氣發生摩擦、減速從而消耗能量。在水中傳播的沖擊波使空氣界面處的水發生濺射、飛散、破裂之后，高溫高壓的氣態爆轟產物通過水的“裂縫”在空氣中形成沖擊波，因此該沖擊波形成時間晚于無水爆炸，這種形成方式同樣限制了沖擊波強度，延長了沖擊波的持續時間。由于從爆心至該比例距離處的整個衰減過程很短，水仍具有較大的動能，會與爆炸形成的空氣沖擊波在較短時間內共同作用目標物，產生巨大的沖擊作用。可見，如果在開闊空間置水爆炸時，此后運動速度高于水的空氣沖擊波將進一步拉大與水(滴)的距離，隨著水在空氣作用下發生減速運動，水的運動能逐漸降低，在高溫高壓氣體推動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行不同程度的減速，從而在傳播方向上進一步分散，即水的沖擊作用幅值降低、作用時間增加[13]。在更大比距離處，水的運動能將可忽略，此時空氣沖擊波占主導作用，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水爆炸空氣沖擊波。

關于在水直接包覆下炸藥爆炸的數值模擬問題：一方面，根據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處已經開始分裂，環向分布不均勻，因此原本以球對稱傳播的爆炸沖擊波各個方向的幅值不同，且各方向的水的動能也不同，說明在較小比例距離處不同方向的壓力和沖量很可能會有較大偏差；另一方面，不同于無水爆炸，由于爆炸后高溫高壓氣體和水復雜的作用過程導致空氣沖擊波形成過程與水的破碎密切相關，該沖擊波是由高溫高壓氣體通過水的“裂縫”形成的，而采用一維數值模型會使水始終處于高溫高壓氣體和空氣之間，將會改變置水爆炸的作用過程，使爆炸沖擊波的消減效果出現偏差。上述分析說明，水包覆下炸藥爆炸的數值模擬應采用二維以上模型，條件許可時最好用三維模型以便獲取更合理的計算結果。

4 結 論

通過比例距離為0.128 m/kg1/3的鋼筒內爆炸實驗，探討了無水和水直接包覆炸藥爆炸時鋼筒的破壞過程，依據鋼筒徑向速度曲線,分析了水與沖擊波和空氣的作用機理，結果表明：(1)置水爆炸時，水中傳播的沖擊波使空氣界面的水發生濺射、飛散、破裂后，高溫高壓氣態爆轟產物通過水的“裂縫”在空氣中形成沖擊波，相比無水爆炸，這種形成方式使該沖擊波出現更晚、強度更低、持續更久；(2)在水包覆下炸藥爆炸的數值模擬中，由于空氣沖擊波在水發生破碎之后形成，爆炸初期不同方向的壓力和沖量是不同的，而采用一維模型會改變置水爆炸的作用機理，擴大較小比例距離處的計算偏差，應采用二維或三維模型以獲取更合理的計算結果；(3)玻璃殼和PVC殼內置水直接包覆炸藥時，該比例距離處的鋼筒變形量分別是無水爆炸時的10倍和8倍，波阻抗大于水的波阻抗的盛水結構材料密度越低、厚度越小對爆炸載荷的影響越小；(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點速度、位移時程曲線，可作為爆炸力學重要的動態測試技術，尤其適用于動態大沖量加載下小型目標物的大變形測量。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(11172245)

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

O381國標學科代碼：13035

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