沖擊波測試效應靶法綜述

葉希洋,蘇健軍,姬建榮

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

戰斗部爆炸產生的高溫、高壓、高速產物以擠壓介質的形式進行傳播，從而在介質中形成了沖擊波[1-2]。沖擊波作用范圍大，破壞力強，是彈藥爆炸對人員、設備和防護結構產生損傷和破壞效應的主要因素之一[3]。因此，考核彈藥對物體的毀傷威力時，爆炸沖擊波是一個重要考核指標。研究爆炸沖擊波對目標的毀傷評估為各類爆破戰斗部研制過程中威力及性能評價提供了方法[4]。常見的沖擊波測試方法有：等效壓力罐法、生物試驗法、高速攝影法、電測法和效應靶法等[5]。

等效壓力罐法是依據爆炸后實驗現場安放的薄鐵皮罐的毀傷狀況對沖擊波威力進行評估[6]。生物實驗法是根據放在爆炸現場的生物實驗體的受傷程度進行威力評判[7]。高速攝影法是利用高速攝像機拍攝到爆炸過程以及波陣面的運動過程，然后利用爆轟物理知識推算出沖擊波壓力[8]。電測法分為存儲測試法和引線測試法[9]。存儲測試法將引線、傳感器、適配器和數據采集器集合為一個整體，能夠獨立采集、存儲信息[10]；引線測試法是將傳感器安裝在測試現場,通過長電纜將信號傳輸到掩體內的數據記錄測試處理儀表,最后使用計算機分析處理數據[11]。表1顯示了幾種測試方法的主要優缺點。

表1 幾種測試方法優缺點

表1中的測試方法，電測法應用最多，其余的方法由于難以定量化只能作為測試的輔助手段[12]。對于小藥量室內測試，電測法由于線路和測試裝置方便布置，優勢最大。而對于外場測試，特別是動態試驗測試，測試難度更高。一方面,毀傷作用過程轉瞬即逝，高溫、高壓、高沖擊、破片作用以及結構破損帶來的基座大應變等同時作用于測試系統，對試驗測試的影響是非常嚴重的[13]。傳統的電測法存在抗干擾性、驗證性、環境生存能力及適應性差等問題，影響到測試數據的可靠性和準確性。另一方面,高能毀傷彈藥毀傷區域大，動爆試驗中炸點不定。因此，測試系統布設區域要求極大，戰斗部威力場的全面描述需要多參數、多測點綜合測試數據。

綜合對比幾種測試方法可以發現，外場爆炸沖擊波場測試的發展方向主要是發展一種在外場測試簡單易行、成本較低，并且能夠有效評價爆炸毀傷效果的測試方法。而效應靶作為一種使用方便、成本低廉，對沖擊波敏感，同時能有效避免爆炸場寄生效應影響的裝置，能夠反映沖擊波超壓、比沖量和持續時間的綜合效果，尤其適合于戰斗部破壞力極強、傳統電測系統難以生存的場合，是一種較科學、經濟、有效的爆炸沖擊波毀傷效能評價方法。

1 效應靶應用現狀

效應靶是在一定約束條件下、具有恰當敏感性，并在一定爆炸沖擊波作用下會產生相應形變的靶板結構，通常選取爆炸后最大殘余塑性變形(即最大撓度)作為評估沖擊波毀傷效能的特征參量。當炸藥與效應靶的距離相對于效應靶的尺寸而言較大時，可以將作用在效應靶表面的載荷近似為均布載荷[14]，其力學模型可以簡化為圖1所示模型。直徑為d的效應靶在均布壓力載荷P作用下彎曲變形，其最大撓度發生在靶板中心處為wmax。建立wmax與沖擊波壓力(或沖量)的關系模型，對沖擊波壓力(或沖量)進行定量評價。

圖1 效應靶簡化力學模型示意圖

關于采用效應靶用于毀傷評估，最早文獻出現在《水下爆炸》一書中[15]，書中介紹了幾種用于測量水下爆炸的指示器：1919年，莫都諾設計了一種由厚3.2 mm，直徑25.4 mm的圓銅盤構成的膜片指示器，銅盤以螺釘壓裝在接收器殼體安裝邊與環形蓋之間；1946年，布魯斯頓實驗室設計了一種指示器，將厚0.2 mm的銅膜片，用壓環固定在指示器的殼體上，其結構如圖2所示。

圖2 膜片指示器結構示意圖(尺寸為mm)

近些年來，國外又重視起效應靶的應用。美國Woods Hole實驗室采用銅膜片作為傳感器，依據膜片變形評估水下爆炸壓力。以色列為了評估某大尺寸高爆裝藥的爆炸威力，在640 kg高爆炸藥的爆炸試驗中用到了效應靶。美國MU公司提供了一種評估AMRL用的隔膜型壓力測量裝置，該裝置主要用于測量小型爆炸，尤其是1～5 kg爆炸物產生的爆炸效應，更多的研究未見公開報道。

國內對效應靶的應用起步較晚，但也開展了大量研究。陳昌明等[16]在小當量云爆沖擊試驗中，得到了直徑80 mm、厚度0.5 mm效應靶的變形量與沖擊波壓力的關系。沈飛等[17]設計了一種直徑300 mm、厚度1～3 mm的效應靶，其塑性變形可用于反映爆炸載荷的沖量。傅輝剛等[18]設計了一種直徑390 mm、厚2 mm的效應靶，并驗證了其在大型戰斗部爆炸場試驗中的應用可行性。張顯丕等[19]通過對水下近場爆炸作用下效應靶的試驗和理論研究，建立了靶板變形模型，初步設計出了基于效應靶的爆炸威力評估試驗方法。可以看出，目前效應靶技術已經成熟，并已廣泛應用于實際毀傷評估領域。

效應靶雖然結構簡單，但要設計出一種使用合格的效應靶，需要進行大量研究工作。筆者將其研究過程分為三步：一是對效應靶進行結構設計，確定合適的效應靶結構；二是對效應靶進行響應機理研究，分析沖擊波毀傷元(包括超壓、沖量、作用方向等)與效應靶結構響應之間的耦合關系；三是對效應靶進行標定，建立沖擊波參數與特性變形之間量效關系，并驗證其在實際毀傷評估中的可行性。以下將分別從效應靶結構設計研究、效應靶結構響應機理研究、效應靶標定方法研究3個方面進行綜述。

2 效應靶結構設計研究

在效應靶相關研究中，結構設計是最基礎、最重要的研究內容。效應靶結構設計研究分為兩部分：進行效應靶結構設計，確定效應靶結構；進行效應靶動態特性分析，根據其結構設計確認動態特性。

2.1 結構設計

進行結構設計時，需要對沖擊載荷下不同結構效應靶的響應情況進行分析。理論計算時都對模型進行了簡化，其結果與實際工況有一定差距，而僅采用試驗手段成本太高。成熟的數值模擬方法可以將各影響因素分離，較好地反映結構響應的真實情況。因此，進行結構設計時需要利用數值模擬軟件，針對不同結構的效應靶進行仿真，選定一種最優的效應靶結構。

進行數值模擬時,根據沖擊波的加載方式分為直接加載和近似加載。直接加載是建立效應靶、空氣、炸藥模型進行仿真,優點是準確性髙[20]。但為使數值模擬的沖擊波壓力不過快衰減,空氣中的網格必須劃分得足夠小，從而導致計算時間急劇增加[21]。近似加載是直接對效應靶模型施加載荷。按照我國《人民防空地下室設計規范》(GB50038—2005)中采用簡化模型(如圖3所示),根據超壓、沖量相等的等效載荷原理,將沖擊波載荷簡化為三角載荷。該方法可自由確定超壓、正壓時間和沖量,計算時間短。在進行結構設計時，大多采用近似加載。

ΔPm為沖擊波超壓，t1為沖擊波簡化波形正壓時間

效應靶結構設計主要包括材料、形狀、尺寸的選擇及安裝結構設計，以下分別介紹其設計準則。

2.1.1材料的選擇

材料的選擇需要考慮經濟性和材料敏感性，敏感性是指材料在載荷作用下產生變形的程度大小。常見的效應靶材料有鋼、銅、鋁，文獻[22]中基于LS-DYNA對這3種材料制作的效應靶施加載荷，得到了效應靶中心點位移時程曲線，如圖4。

由圖4可以看出：三者的變形量到達最大值后，鋁的穩定性最好；相同加載條件下，鋁的敏感性最好。另外鋁薄板對變形應變率的敏感性比較弱[23]，再考慮價格因素，選擇鋁材料作為效應靶材料最合適。

圖4 3種材料效應靶中心單元位移時程曲線

2.1.2形狀的確定

目前效應靶的形狀一般為圓形或方形。文獻[24]中對方形靶板施加了沖擊載荷，試驗結果如圖5所示。

圖5 方形靶板試驗結果

該試驗中，方形靶板在沖擊波作用下四邊被拉出，固定靶板四周的螺釘處易變形，甚至斷裂。在沒發生斷裂情況下，靶板變形很不規則，很難通過其變形情況判定毀傷程度。而圓形靶板受爆炸載荷時的變形很典型(如圖6所示)，不存在端點破壞的問題，其軸對稱特點使得理論分析難度降低。因此，大多效應靶都采用圓形。

圖6 圓形靶板變形情況

文獻[25]中還介紹了一種特殊的鋁制圓柱殼結構式測壓器，通過測量其在沖擊載荷下徑向變形量來評價壓力場強度。該圓柱殼使用時應正對著爆心，沖擊波最好垂直入射，否則會出現皺褶、撕裂等現象，如圖7所示。

2.1.3尺寸的選定

選定尺寸時，應首先確認效應靶評估范圍，然后利用數值模擬，對不同尺寸的效應靶施加待評估范圍內的沖擊載荷，觀察其最大撓度變形是否在塑性范圍內，進行多次嘗試后，選定合適尺寸。

圖7 測壓器結構及變形情況

2.1.4安裝結構設計

效應靶安裝結構要求能把效應靶邊界固定，便于攜帶和安裝，且安裝后底部完全封閉，避免沖擊波在效應靶底部形成繞射而影響效應靶的變形。

目前最常用的效應靶安裝結構如圖8所示，由底架、壓緊板和連接件組成，將效應靶置于壓緊板和底架之間，通過連接件壓緊固定，其中間露出部分為有效加載面積。

圖8 效應靶安裝結構

還有如文獻[16]中所介紹的安裝結構，如圖9(a)所示，用圓環將膜片壓緊在基座上。這種安裝方式較于圖8所示安裝結構更加簡單，容易拆裝，但約束力不強，受沖擊波加載后，膜片邊界夾緊處很容易產生相對位移，產生不規則變形，如圖9(b)所示。

圖9 安裝結構與試驗結果

2.2 效應靶動態特性分析

效應靶結構的動態特性是指其自振周期及振型。當沖擊波正壓作用時間τ+與目標自振周期T滿足不同關系時，目標的毀傷準則也不同[26]：τ+≤0.25T時，目標的毀傷取決于沖擊波沖量，即沖量準則；τ+≥10T時，目標的毀傷取決于沖擊波峰值壓力，即超壓準則；0.25T<τ+<10T時，超壓與沖量聯合對目標進行毀傷，即超壓-沖量準則。對效應靶進行動態特性分析，結合沖擊波自身特性，可以明確相應效應靶在爆炸場中的適用范圍。

模態分析是分析結構動態特性最常用的方法，結構的模態僅與自身結構特性和材料固有特性有關，不受外部載荷和環境的影響[27]。進行模態分析時，可以利用激光測振儀，在效應靶上布設一系列的測量點，然后給效應靶施加彈性范圍內的力，使其連續振動，從而測到其模態。還可以采用數值模擬方法，調整效應靶的材料、形狀、尺寸等參數，分析其對動態特性的影響。文獻[18]利用ANSYS對直徑300 mm、厚度1.8 mm的效應靶進行模態分析，得到了其前四階的自振頻率和振型，如圖10所示。其一階振型的自振頻率為189.89 Hz，自振周期為5.266 ms，滿足超壓準則。

圖10 效應靶振型

通過理論計算也可以分析效應靶動態特性。姬建榮等[28]利用板理論對直徑30 mm、厚度0.2 mm的效應靶進行分析，推導出其一階圓頻率為：

(1)

式(1)中：ω為效應靶撓度;α為效應靶半徑;D為彎曲剛度;m為單位面積質量。

計算出來的頻率為2.24 kHz，適用于超壓準則。

3 效應靶結構響應機理研究

效應靶結構在沖擊載荷作用下的力學響應十分復雜，不同沖擊作用下不同結構靶板的塑性變形和損傷模式是不同的。對沖擊波作用于效應靶的結構動力學響應機理進行研究，構建效應靶物理毀傷模型，分析沖擊波毀傷元與效應靶結構響應之間耦合關系，從而為效應靶的技術應用提供基礎。

近些年來，許多學者為研究沖擊載荷下薄板的響應機理，進行了大量的理論分析、試驗研究和數值模擬[29]。這些研究工作可以分為兩類:一類是研究效應靶結構響應行為，另一類是研究效應靶響應模型。

3.1 效應靶結構響應行為研究

在研究效應靶的結構響應行為時，一般采用數值模擬和試驗研究相結合的方式。Jacinto等[30]將試驗和數值模擬相結合，對鋼板在爆炸荷載作用下的動力響應特性以及破壞形態進行了研究。R.Villavicencio等[31]通過落錘沖擊試驗，檢查了鋁圓形板的動態響應，使用LS-DYNA進行數值模擬得到的結果與試驗結果符合較好。V.Aune等[32]在距離板不同距離處引爆球形裝藥來改變爆炸載荷，并使用有限元代碼EUROPLEXUS進行數值模擬，模擬結果與實驗一致。

效應靶結構在不同沖擊載荷下的響應是不同的。R.G.Teeling Smith等[33]發現在不同爆炸載荷作用下，固支薄板存在3種失效模式:模式Ⅰ(塑性大變形)、模式Ⅱ(固支端拉伸撕裂)以及模式Ⅲ(固支端剪切失效)。陳長海等[34]通過模型實驗，提出了固支薄板結構在局部爆炸載荷下3種不同失效模式的破裂判據，其預測結果與實驗吻合較好。E.Wang等[35]利用激波管對靶板進行不同的動態輸入,結果表明，輸入載荷越大，板損壞及偏轉越大。任鵬等[36]采用水下爆炸試驗，確定不同載荷下靶板的失效模式，結果顯示：板的厚度對變形模式沒有顯著影響。

效應靶結構的受力行為存在一定規律。吳義田等[37]利用LS-DYNA進行數值仿真發現，在載荷不變的情況下通過改變靶板厚度得到的靶板撓度、靶板速度峰值和靶板厚度的倒數均呈線性關系。T.F.Henchie等[38]在圓形鋼板上施加重復均勻的爆炸載荷，觀察到圓板中心偏轉增加的趨勢。結果表明：增加的中點偏轉減小，并且板的邊界和中心區域的維氏硬度不斷增加。

效應靶結構還存在反常的動力響應行為。P.S.Symonds等[39]偶然發現：載荷作用下，個別梁的最終位移方向與載荷作用方向相反。這種現象被稱為反直觀現象，效應靶結構也存在這種現象。吳應桂等[40]對不同直徑和厚度的鋁合金圓板進行了大量的沖擊試驗，在研究中發現了圓板的反直觀現象。李海旺等[41]采用有限元法，發現了不同加載方式下反直觀現象的特點，以及反直觀現象的時程曲線與載荷作用面積的關系。

3.2 效應靶結構響應模型研究

通過不同途徑，對效應靶結構響應行為進行更深層次的研究，歸納并總結沖擊毀傷元輸入與結構響應輸出之間的規律，從而建立沖擊響應模型。通過理論分析途徑，Yankelevsky等[42]得到了一種矩形板在爆炸沖擊波作用下的響應模型，該模型可以計算矩形板的彎矩,動態響應以及永久形變；王芳等[43]利用能量守恒原理，計算出理想條件下方形靶板簡化模型的撓度；李麗萍等[44]利用量綱分析方法對模型進行簡化，獲得沖擊波壓力作用的效應靶最大撓度計算模型。通過數值模擬途徑，呂勇等[45]得到了在不同位置炸藥作用下靶板的變形、位移等變化規律，傅輝剛等[46]得到了靶板撓度分別與炸距及TNT當量之間的關系模型。通過試驗研究途徑，侯俊亮等[47]對沖擊波載荷下鋁和鋼兩種材料靶板的沖擊變形結果進行分析，得到了靶板中心處撓度公式。T.J.Cloete等[48]通過爆炸荷載圓板的變形和剪切破壞的實驗研究，給出了圓板的大延性變形的近似能量分析，推導出適用于圓形和PCCS板的無量綱脈沖的表達式。

通過理論分析或數值模擬得到的模型，其算法有效性缺乏試驗驗證，應與試驗研究相結合。Gharababaei等[49]采用試驗和分析方法研究了夾緊的鋼、銅和鋁圓板在爆炸載荷作用下的塑性響應，建立了塑性變形模型，考慮了板厚、隔距和材料性能對中點撓度和變形剖面的影響。陳昌明等[16]通過試驗與仿真的方法，得到了鋁合金膜片變形量與沖擊波強度的關系，并發現膜片變形的最大位置在遠離爆心的方向，可以由此來確認沖擊波方向。沈飛等[17]建立了固支圓形薄板測量裝置在爆炸載荷作用下的動力響應模型，得到了爆炸沖量與薄板最大撓度之間的關系，并通過實驗進行驗證，兩者平均偏差值僅為5.3%。毛伯永等[50]建立了沖擊波壓力作用下圓形效應靶的沖擊響應模型，得到了薄板塑性變形與沖擊波壓力峰值、正壓作用時間的關系,并設計外場試驗進行了驗證。

總體來看，研究結構響應機理的方法一直在進步。早期的研究大多采用理論分析和模型試驗兩種手段。近20年來，數值模擬逐漸成為研究沖擊響應的重要方法，大多數研究都是通過理論分析、模型試驗和數值模擬三種手段相互結合、相互驗證的方式進行。測量結構響應變形的手段也一直在發展。最初只能測量結構變形的初態和終態，測量方法的進步使得測量整個變形響應過程成為可能。DISAR、VISAR等激光測量方法，可以對效應靶表面的一點或多點的響應過程進行測量，3D DIC可以記錄效應靶整體變形規律[51]。

對效應靶結構響應機理的研究中，國外研究多以設計的一系列試驗為主，輔以分析和仿真。相比之下，國內相關研究多以理論分析和數值模擬為主，缺乏試驗驗證。另外，到目前為止，對靶板的結構響應機理分析多局限于小當量試驗，在大當量爆炸中的研究開展較少，也沒有形成效應靶變形撓度和沖擊波壓力峰值之間的定量關系模型，很大程度上限制了效應靶技術的推廣應用。

4 效應靶標定方法研究

將效應靶應用于實際測試的前提是明確其輸入載荷與輸出結果之間的關系，因此需要通過效應靶標定手段和標定方法等技術途徑，建立沖擊波參數與特性變形之間的量效關系。

目前，常用的標定手段是借助激波管等設備，在不影響效應靶結構的完整性和連續性前提下，在其上布設特殊傳感器，如有機壓電薄膜等厚度薄、柔韌性好、與靶元阻抗匹配性好的傳感器，獲取作用于效應靶上的激波參數，得到沖擊波參數與變形量之間的定量關系。文獻[28]中使用激波管進行效應靶標定，得到了激波入射壓與效應靶最大撓度之間的關系曲線(見圖11)，可以發現兩者具備良好的線性關系。

圖11 激波入射壓與最大撓度變形關系曲線

對于與現有激波管規格不匹配的效應靶，可以通過設計小當量試驗進行標定。選取穩定性好的小當量炸藥，布置在合適的場地，將壓力傳感器與效應靶放置于距爆心同一位置處。通過改變炸藥當量或爆心距，得到不同沖擊波壓力下效應靶的變形量，將其與傳感器測量數據進行擬合，得到效應靶變形量與沖擊波參數的定量關系。在對效應靶進行標定后，可以通過數值模擬等手段，對標定結果進行驗證。這種方法可以驗證效應靶在實際應用中的可行性與有效性。

效應靶在標定過程中，還要解決的一個問題是如何測量效應靶的變形量。文獻[52]中介紹了一種簡單的撓度測量方法：將一等厚度的墊板沿徑向置于變形的效應靶上，用深度尺沿效應靶徑向測量變形量，共測量兩個直徑向最外端的變形量，然后取平均值，就可得到效應靶的變形撓度。更精確、更全面地測量效應靶變形量，可以借助一些光學儀器設備。何性順等[53]使用三維激光掃描儀對效應靶形變量進行測量，精度達到亞毫米級。陳鵬萬等[54]利用3D DIC，精確測量到了爆炸載荷下金屬板的變形參數。

5 結論與展望

用效應靶評估沖擊波毀傷能力的方法正在逐漸成熟和完善，但在其具體應用過程中，仍存在諸多問題需要解決。效應靶應用于毀傷測試的影響因素還不完全明確，效應靶的結構設計缺乏完整的規范和依據，沖擊波作用歷程與效應靶靶板沖擊響應歷程的量效關系需要研究，效應靶試驗測試準確性和不確定性需要驗證。從綜述內容出發，對效應靶更深入的發展趨勢進行展望如下：

1) 改善效應靶結構。材料學的發展使得比鋁材更合適的材料的出現成為可能。目前效應靶的安裝結構不可能實現理論模型中的完全固支狀態，總是存在非受力面積向中心移動現象，對試驗結果有所影響。對安裝結構進行改善，增強邊界約束，甚至可以設計出使得效應靶成為一個整體的一體式結構。

2) 深入響應機理研究。形成效應靶變形撓度和沖擊波壓力峰值之間的定量關系模型是效應靶結構響應機理的主要研究方向。另外，大型模擬仿真由于網格劃分與計算時間等因素的沖突,計算時對計算機要求很高,而且計算結果總存在較大誤差,更多時候被作為一種觀察現象及過程的輔助工具。大型實驗往往耗費頗大,不可能做大量實驗,因此推動大型爆炸模擬仿真可以對效應靶結構響應進行更深入的研究。

3) 改進標定方法。現有標定方法以激波管標定為主，但由于激波管波形與沖擊波波形有一定差異，造成其標定結果與實際應用結果有一定誤差。對現有標定方法進行改進，對輸入波形進行控制，使得其標定結果更符合實際情況。

4) 形成設計規范。效應靶從設計到使用的過程中，采用的方法和手段有很多種，并沒有形成一套完整的設計應用規范，這一定程度上限制了效應靶的推廣。編寫類似于銅柱測壓法的效應靶設計規范意義重大。