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2025, 45(9): 091001.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0232
摘要:
针对航行体高速入水时的缓冲降载问题，设计了适用的缓冲头罩及多种开孔形式的缓冲泡沫构型，基于任意拉格朗日-欧拉方法，建立了航行体高速入水缓冲降载数值计算模型，并通过数值模拟对不同开孔形式的缓冲泡沫的降载性能进行了深入研究。结果表明：多孔缓冲泡沫在分散航行体入水冲击力及吸收冲击能量方面表现出显著优势，具有更好的缓冲效果；同时，缓冲头罩在入水时会发生局部渐进破碎，缓冲罩壳与航行体之间的连接器处的缓冲头罩外壁面的变形和破裂是由于撞水时产生的应力集中分布引起的；多孔泡沫接触水面时，前端部分会进入坍塌阶段，吸收大量能量并产生塑性变形，孔隙减少，此阶段为缓冲泡沫的主要能量吸收阶段；相比之下，不开孔泡沫的降载性能较差。因此，采用多孔泡沫是一种更优的航行体高速入水缓冲降载方案。
针对航行体高速入水时的缓冲降载问题，设计了适用的缓冲头罩及多种开孔形式的缓冲泡沫构型，基于任意拉格朗日-欧拉方法，建立了航行体高速入水缓冲降载数值计算模型，并通过数值模拟对不同开孔形式的缓冲泡沫的降载性能进行了深入研究。结果表明：多孔缓冲泡沫在分散航行体入水冲击力及吸收冲击能量方面表现出显著优势，具有更好的缓冲效果；同时，缓冲头罩在入水时会发生局部渐进破碎，缓冲罩壳与航行体之间的连接器处的缓冲头罩外壁面的变形和破裂是由于撞水时产生的应力集中分布引起的；多孔泡沫接触水面时，前端部分会进入坍塌阶段，吸收大量能量并产生塑性变形，孔隙减少，此阶段为缓冲泡沫的主要能量吸收阶段；相比之下，不开孔泡沫的降载性能较差。因此，采用多孔泡沫是一种更优的航行体高速入水缓冲降载方案。
2025, 45(9): 092101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0356
摘要:
基于开源代码OpenFOAM对有限长锥体诱导的斜爆轰波开展了数值模拟，并讨论了爆轰波后流场、波阵面结构和爆轰胞格结构。结果表明，在有限长锥体结构的影响下，爆轰波后流场先后受到Taylor-Maccoll流动和Prandtl-Meyer膨胀波的影响。爆轰波阵面不同位置流线上的压力和马赫数在这2种物理过程及波阵面三波结构的影响下，发生震荡变化，随后趋于稳定。在不同波后流场的影响下，爆轰波阵面结构呈现4种不同的结构：类Zel’dovich- Neumann-Döring (ZND)的光滑结构、类胞格的单三波点结构、胞格的双三波点结构和Prandtl-Meyer影响的双三波点结构。借助激波极曲线理论对三波点附近的波系进行了分析，发现在双三波点结构中，面向来流的三波点具有比面向下游的三波点具有更强的爆轰强度，即更高的马赫数和压力。最后，结合上述分析，绘制了爆轰波阵面的三波点轨迹，得到4种不同的胞格结构：光滑平面结构、平行线结构、斜菱形结构和无规则的斜菱形结构。
基于开源代码OpenFOAM对有限长锥体诱导的斜爆轰波开展了数值模拟，并讨论了爆轰波后流场、波阵面结构和爆轰胞格结构。结果表明，在有限长锥体结构的影响下，爆轰波后流场先后受到Taylor-Maccoll流动和Prandtl-Meyer膨胀波的影响。爆轰波阵面不同位置流线上的压力和马赫数在这2种物理过程及波阵面三波结构的影响下，发生震荡变化，随后趋于稳定。在不同波后流场的影响下，爆轰波阵面结构呈现4种不同的结构：类Zel’dovich- Neumann-Döring (ZND)的光滑结构、类胞格的单三波点结构、胞格的双三波点结构和Prandtl-Meyer影响的双三波点结构。借助激波极曲线理论对三波点附近的波系进行了分析，发现在双三波点结构中，面向来流的三波点具有比面向下游的三波点具有更强的爆轰强度，即更高的马赫数和压力。最后，结合上述分析，绘制了爆轰波阵面的三波点轨迹，得到4种不同的胞格结构：光滑平面结构、平行线结构、斜菱形结构和无规则的斜菱形结构。
2025, 45(9): 092102.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0300
摘要:
大型激波管作为爆炸冲击毁伤与防护实验平台时，能规避小尺度缩尺实验中由于尺寸效应造成的实验结果不准确，但由于设备的稀缺性，目前仍然缺乏利用大型激波管直接模拟炸药爆炸冲击波形的研究。因此，进行大型激波管内氢氧爆轰驱动方式下冲击波生成与传播过程的数值模拟。根据现存大型激波设备的结构特点，建立具有驱动管、激波整形段和变截面出口特征的大型激波管二维模型。冲击波的生成和传播过程使用含有七步氢氧反应模型的二维非定常黏性可压缩流体控制方程表达，湍流模型选取重整化群k-ε模型，并选用二维瞬态耦合式求解器进行数值模拟计算。根据数值模拟结果，研究在大型激波管中采用氢氧爆轰驱动方式时，驱动初始物理条件、低反应活性气体掺混、激波管几何构型等因素对爆轰形成冲击波波形的影响，并总结多种因素下产生冲击波特征参数的变化规律。最后，选取黑火药爆炸冲击波实验数据作为目标，依据冲击波变化规律，模拟了大型激波管中冲击波波形调控过程。结果表明，在多因素耦合作用调控下，能够实现在大型激波管中利用氢氧爆轰驱动方式对特定爆炸冲击波的模拟复现。
大型激波管作为爆炸冲击毁伤与防护实验平台时，能规避小尺度缩尺实验中由于尺寸效应造成的实验结果不准确，但由于设备的稀缺性，目前仍然缺乏利用大型激波管直接模拟炸药爆炸冲击波形的研究。因此，进行大型激波管内氢氧爆轰驱动方式下冲击波生成与传播过程的数值模拟。根据现存大型激波设备的结构特点，建立具有驱动管、激波整形段和变截面出口特征的大型激波管二维模型。冲击波的生成和传播过程使用含有七步氢氧反应模型的二维非定常黏性可压缩流体控制方程表达，湍流模型选取重整化群k-ε模型，并选用二维瞬态耦合式求解器进行数值模拟计算。根据数值模拟结果，研究在大型激波管中采用氢氧爆轰驱动方式时，驱动初始物理条件、低反应活性气体掺混、激波管几何构型等因素对爆轰形成冲击波波形的影响，并总结多种因素下产生冲击波特征参数的变化规律。最后，选取黑火药爆炸冲击波实验数据作为目标，依据冲击波变化规律，模拟了大型激波管中冲击波波形调控过程。结果表明，在多因素耦合作用调控下，能够实现在大型激波管中利用氢氧爆轰驱动方式对特定爆炸冲击波的模拟复现。
2025, 45(9): 092201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0381
摘要:
为研究不同爆炸当量与不同装药位置下通道内冲击波的传播过程，建立了满足单兵人员通行的试验通道。通过试验对比了装药量与装药位置对超压时程曲线及冲击波参数分布的影响，开展了与试验工况相同的数值模拟，结合压力云图和超压时程曲线，发现波阵面运动是导致超压时程曲线演变和参数分布变化的主要原因。基于试验和数值模拟结果得到了具有实际工程参考意义的通道内冲击波超压预测模型。
为研究不同爆炸当量与不同装药位置下通道内冲击波的传播过程，建立了满足单兵人员通行的试验通道。通过试验对比了装药量与装药位置对超压时程曲线及冲击波参数分布的影响，开展了与试验工况相同的数值模拟，结合压力云图和超压时程曲线，发现波阵面运动是导致超压时程曲线演变和参数分布变化的主要原因。基于试验和数值模拟结果得到了具有实际工程参考意义的通道内冲击波超压预测模型。
2025, 45(9): 092202.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0350
摘要:
为了探究柱形装药爆炸应力波在混凝土介质中的传播规律，基于Karagozian and Case concrete (KCC)本构模型和多物质ALE算法（multi-material ALE，MMALE）开展数值模拟研究。首先，通过与已有的试验数据进行对比，验证了本构模型参数和数值算法的适用性；在此基础上以峰值应力为准则，对装药周围混凝土介质的爆炸破坏分区进行划分，并讨论了各破坏分区中爆炸应力波的衰减规律；之后，分析了装药长径比对爆炸破坏分区和爆炸应力波传播规律的影响；最后，进一步考虑装药埋深的影响，并建立柱形装药爆炸应力波峰值应力计算公式。研究结果表明：各爆炸破坏分区中爆炸应力波衰减规律存在显著差异，与中远区（过渡区和破裂区）相比，装药近区（拟流体区和压碎区）衰减更快，另外，柱形装药长径比增加会加快法向峰值应力的衰减；并且建立的爆炸应力波峰值应力计算公式可以较为准确快速地计算出不同形状、不同埋深下柱形装药爆炸应力波的法向峰值应力。
为了探究柱形装药爆炸应力波在混凝土介质中的传播规律，基于Karagozian and Case concrete (KCC)本构模型和多物质ALE算法（multi-material ALE，MMALE）开展数值模拟研究。首先，通过与已有的试验数据进行对比，验证了本构模型参数和数值算法的适用性；在此基础上以峰值应力为准则，对装药周围混凝土介质的爆炸破坏分区进行划分，并讨论了各破坏分区中爆炸应力波的衰减规律；之后，分析了装药长径比对爆炸破坏分区和爆炸应力波传播规律的影响；最后，进一步考虑装药埋深的影响，并建立柱形装药爆炸应力波峰值应力计算公式。研究结果表明：各爆炸破坏分区中爆炸应力波衰减规律存在显著差异，与中远区（过渡区和破裂区）相比，装药近区（拟流体区和压碎区）衰减更快，另外，柱形装药长径比增加会加快法向峰值应力的衰减；并且建立的爆炸应力波峰值应力计算公式可以较为准确快速地计算出不同形状、不同埋深下柱形装药爆炸应力波的法向峰值应力。
2025, 45(9): 092301.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0333
摘要:
为研究冲击波加载下含空穴液体炸药硝基甲烷的起爆过程，提出了一种基于水平集方法的欧拉多介质计算方法。采用反应欧拉方程组作为控制方程，通过水平集方法追踪化学反应混合物与空穴之间的界面。为提高计算方法的鲁棒性，在界面附近的计算单元内应用修正的虚拟流体方法，将多介质问题转化成单介质问题。对于这2种流体，均采用高阶加权本质无振荡（weighted essentially non-oscillatory, WENO）有限差分方法计算单元边界的数值通量，使得模拟结果具有高可靠性。由于Jones-Wilkins-Lee (JWL)状态方程与理想气体状态方程形式差别很大，爆轰产物的质量分数又直接影响了化学反应区内守恒变量与原始变量的相互转化过程，难以给出爆炸混合物状态方程的显式表达形式，因此发展了一种能够解决以上难题的虚拟流体状态预测方法。通过求解涉及化学反应的复杂多介质黎曼问题，获得界面两侧虚拟流体的变量状态。对不同强度冲击波加载下硝基甲烷与空穴的相互作用问题开展了数值模拟，结果表明提出的计算方法能够捕捉到空穴压缩、塌陷、闭合以及消失后的流体动力学全过程。
为研究冲击波加载下含空穴液体炸药硝基甲烷的起爆过程，提出了一种基于水平集方法的欧拉多介质计算方法。采用反应欧拉方程组作为控制方程，通过水平集方法追踪化学反应混合物与空穴之间的界面。为提高计算方法的鲁棒性，在界面附近的计算单元内应用修正的虚拟流体方法，将多介质问题转化成单介质问题。对于这2种流体，均采用高阶加权本质无振荡（weighted essentially non-oscillatory, WENO）有限差分方法计算单元边界的数值通量，使得模拟结果具有高可靠性。由于Jones-Wilkins-Lee (JWL)状态方程与理想气体状态方程形式差别很大，爆轰产物的质量分数又直接影响了化学反应区内守恒变量与原始变量的相互转化过程，难以给出爆炸混合物状态方程的显式表达形式，因此发展了一种能够解决以上难题的虚拟流体状态预测方法。通过求解涉及化学反应的复杂多介质黎曼问题，获得界面两侧虚拟流体的变量状态。对不同强度冲击波加载下硝基甲烷与空穴的相互作用问题开展了数值模拟，结果表明提出的计算方法能够捕捉到空穴压缩、塌陷、闭合以及消失后的流体动力学全过程。
2025, 45(9): 093101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0309
摘要:
为揭示动荷载下硅砂的破碎特性及吸能效应，基于改进的分离式霍普金森杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）研究了4种不同粒组砂样（2.5～5.0 mm、1.25～2.50 mm、0.60～1.25 mm和<0.3 mm）的动力响应特征。结果表明，粒径和应变率会影响砂的动态应力-应变行为。砂的变形可分为弹性、屈服、塑性和卸荷等4个阶段。试样的压实过程主要由屈服阶段的塑性压实和塑性阶段的破碎压密组成；颗粒相对破碎率与应变率及有效粒径均近似成正比，与分形维数成反比；颗粒粒度对吸能效率的影响随颗粒特性（矿物组成、粒径及分化程度等）的不同而变化；相同应力水平下，颗粒粒径越大，能量吸收效率越高；相同加载应变率条件下，颗粒越大，峰值应力越小。为提高砂的吸能效率和减小负荷水平，建议采用较大粒径的硅砂。
为揭示动荷载下硅砂的破碎特性及吸能效应，基于改进的分离式霍普金森杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）研究了4种不同粒组砂样（2.5～5.0 mm、1.25～2.50 mm、0.60～1.25 mm和<0.3 mm）的动力响应特征。结果表明，粒径和应变率会影响砂的动态应力-应变行为。砂的变形可分为弹性、屈服、塑性和卸荷等4个阶段。试样的压实过程主要由屈服阶段的塑性压实和塑性阶段的破碎压密组成；颗粒相对破碎率与应变率及有效粒径均近似成正比，与分形维数成反比；颗粒粒度对吸能效率的影响随颗粒特性（矿物组成、粒径及分化程度等）的不同而变化；相同应力水平下，颗粒粒径越大，能量吸收效率越高；相同加载应变率条件下，颗粒越大，峰值应力越小。为提高砂的吸能效率和减小负荷水平，建议采用较大粒径的硅砂。
2025, 45(9): 093102.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0385
摘要:
针对岩石等脆性材料在爆炸荷载作用下的裂纹扩展行为难以捕捉的问题，基于爆破损伤理论，利用有机玻璃脆性材料的透明特性进行了爆破模型试验，借助高速摄影技术和计算机断层扫描系统深入探究了爆破荷载作用下脆性材料的动态断裂行为和三维裂纹演化规律，结合三维扫描技术揭示了裂纹的三维形态和破裂面的形貌特征。结果表明：在多段爆破能量持续作用下，脆性材料的裂纹存在多次激发扩展的情况；爆炸冲击波产生的初始裂纹数密度高，呈鱼鳞状形貌从“崎岖”向“微波”过渡，平整度提高。其中，裂纹面高程的方差随着到爆心距离的增大从0.796降低至0.586；最大高度从3.2 m降低至2.8 mm，降低了12.5%。随着到爆心距离的增大，介质由压剪破坏向张拉破坏转变，裂纹分布区的分形维数和模型的损伤度降低。
针对岩石等脆性材料在爆炸荷载作用下的裂纹扩展行为难以捕捉的问题，基于爆破损伤理论，利用有机玻璃脆性材料的透明特性进行了爆破模型试验，借助高速摄影技术和计算机断层扫描系统深入探究了爆破荷载作用下脆性材料的动态断裂行为和三维裂纹演化规律，结合三维扫描技术揭示了裂纹的三维形态和破裂面的形貌特征。结果表明：在多段爆破能量持续作用下，脆性材料的裂纹存在多次激发扩展的情况；爆炸冲击波产生的初始裂纹数密度高，呈鱼鳞状形貌从“崎岖”向“微波”过渡，平整度提高。其中，裂纹面高程的方差随着到爆心距离的增大从0.796降低至0.586；最大高度从3.2 m降低至2.8 mm，降低了12.5%。随着到爆心距离的增大，介质由压剪破坏向张拉破坏转变，裂纹分布区的分形维数和模型的损伤度降低。
2025, 45(9): 093301.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0278
摘要:
为研究锆基非晶合金破片侵彻碳纤维损伤机理和后效靶毁伤能力，采用12.7 mm弹道枪开展了球形锆基非晶合金破片侵彻6 mm厚碳纤维靶和后效2 mm厚LY12靶组成的叠合靶和间隔靶的弹道枪试验研究，采用图像识别技术分析了后效LY12靶毁伤的面积。研究结果表明：碳纤维靶的毁伤面积与破片速度正相关，且无明显扩孔反应，迎弹面主要为纤维剪切破坏和压缩变形毁伤，背弹面则主要为拉伸撕裂破坏以及层间失效。破片冲击相同设置靶板时，LY12靶的毁伤面积随冲击速度增加而增大，速度低于954.7 m/s时，间隔靶后效LY12靶的毁伤面积小于叠合靶后效LY12靶毁伤面积，随着速度提高，间隔靶后效LY12靶的毁伤面积快速提高，而叠合靶后效LY12靶毁伤面积的增长趋于平缓，且前者远大于后者。因此，高速撞击时，设置间隔靶对于后效毁伤更有利。
为研究锆基非晶合金破片侵彻碳纤维损伤机理和后效靶毁伤能力，采用12.7 mm弹道枪开展了球形锆基非晶合金破片侵彻6 mm厚碳纤维靶和后效2 mm厚LY12靶组成的叠合靶和间隔靶的弹道枪试验研究，采用图像识别技术分析了后效LY12靶毁伤的面积。研究结果表明：碳纤维靶的毁伤面积与破片速度正相关，且无明显扩孔反应，迎弹面主要为纤维剪切破坏和压缩变形毁伤，背弹面则主要为拉伸撕裂破坏以及层间失效。破片冲击相同设置靶板时，LY12靶的毁伤面积随冲击速度增加而增大，速度低于954.7 m/s时，间隔靶后效LY12靶的毁伤面积小于叠合靶后效LY12靶毁伤面积，随着速度提高，间隔靶后效LY12靶的毁伤面积快速提高，而叠合靶后效LY12靶毁伤面积的增长趋于平缓，且前者远大于后者。因此，高速撞击时，设置间隔靶对于后效毁伤更有利。
2025, 45(9): 093401.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0203
摘要:
为了获得炸药爆轰产物状态方程，对RDX炸药进行了水下爆炸气泡膨胀过程试验，测试了水下爆炸气泡半径和冲击波阵面随时间的变化规律，通过水下爆炸气泡膨胀过程中的能量守恒关系，获得了基于水下爆炸试验的爆轰产物JWL状态方程确定方法，分析了RDX炸药水下爆炸气泡膨胀和冲击波阵面运动过程，测定了RDX炸药爆轰产物JWL状态方程参数，并与通过圆筒试验获得的参数进行了比较。结果表明，通过水下爆炸法和圆筒试验方法标定的JWL方程参数得到的气泡膨胀过程基本相同，而水下爆炸法得到的气泡半径的计算值和试验值在低压阶段的误差更小。该方法提供了一种更适用于水下爆炸的炸药爆轰产物状态方程的测定方法。
为了获得炸药爆轰产物状态方程，对RDX炸药进行了水下爆炸气泡膨胀过程试验，测试了水下爆炸气泡半径和冲击波阵面随时间的变化规律，通过水下爆炸气泡膨胀过程中的能量守恒关系，获得了基于水下爆炸试验的爆轰产物JWL状态方程确定方法，分析了RDX炸药水下爆炸气泡膨胀和冲击波阵面运动过程，测定了RDX炸药爆轰产物JWL状态方程参数，并与通过圆筒试验获得的参数进行了比较。结果表明，通过水下爆炸法和圆筒试验方法标定的JWL方程参数得到的气泡膨胀过程基本相同，而水下爆炸法得到的气泡半径的计算值和试验值在低压阶段的误差更小。该方法提供了一种更适用于水下爆炸的炸药爆轰产物状态方程的测定方法。
2025, 45(9): 095101.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0280
摘要:
为研究爆炸作用下碳纤维增强聚合物（carbon fiber reinforced polymer, CFRP）布加固砌体填充墙的抗爆性能和设计方法，首先，采用LS-DYNA有限元软件建立砌体填充墙的简化分离有限元模型及CFRP布加固抗爆分析模型，通过与已有的9组未加固和CFRP布加固砌体填充墙的野外爆炸试验结果进行对比，验证了所采用的墙体简化分离建模方法、砌体和CFRP布本构模型及参数以及相应接触算法的适用性；然后，参考标准GB 50608—2020推荐的砌体墙CFRP抗震加固方式，通过对比分析爆炸作用下CFRP布加固原型砌体填充墙的动力行为，建议优先采用对角双向加固方式，其次是垂直双向和横向满铺加固方式，不建议采用竖向满铺和混合三向加固方式；最后，以同时满足CFRP布基本保持完整、墙体中心不发生砌块飞散以及墙体中心最大面外挠度小于墙厚为设计目标，得出典型小轿车炸弹（227 kg TNT当量）和手提包炸弹（23 kg TNT当量）在不同比例距离爆炸时，对应6~9度抗震设防等级要求的3种拉结筋布置形式（无/截断/通长拉结筋）原型墙体需要加固的比例距离范围分别为0.8~2.0 m/kg1/3和0.2~1.2 m/kg1/3，进一步给出了最优CFRP布加固层数建议。结果表明，拉结筋布置对最优加固层数的影响较小，仅影响墙体需要加固的临界爆炸比例距离。
为研究爆炸作用下碳纤维增强聚合物（carbon fiber reinforced polymer, CFRP）布加固砌体填充墙的抗爆性能和设计方法，首先，采用LS-DYNA有限元软件建立砌体填充墙的简化分离有限元模型及CFRP布加固抗爆分析模型，通过与已有的9组未加固和CFRP布加固砌体填充墙的野外爆炸试验结果进行对比，验证了所采用的墙体简化分离建模方法、砌体和CFRP布本构模型及参数以及相应接触算法的适用性；然后，参考标准GB 50608—2020推荐的砌体墙CFRP抗震加固方式，通过对比分析爆炸作用下CFRP布加固原型砌体填充墙的动力行为，建议优先采用对角双向加固方式，其次是垂直双向和横向满铺加固方式，不建议采用竖向满铺和混合三向加固方式；最后，以同时满足CFRP布基本保持完整、墙体中心不发生砌块飞散以及墙体中心最大面外挠度小于墙厚为设计目标，得出典型小轿车炸弹（227 kg TNT当量）和手提包炸弹（23 kg TNT当量）在不同比例距离爆炸时，对应6~9度抗震设防等级要求的3种拉结筋布置形式（无/截断/通长拉结筋）原型墙体需要加固的比例距离范围分别为0.8~2.0 m/kg1/3和0.2~1.2 m/kg1/3，进一步给出了最优CFRP布加固层数建议。结果表明，拉结筋布置对最优加固层数的影响较小，仅影响墙体需要加固的临界爆炸比例距离。
2025, 45(9): 095201.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0365
摘要:
基于弹性力学平面应变问题假设，建立了地应力下岩体预裂爆破理论模型。通过Laplace变换和数值反演的方法分析了爆炸应力波的衰减规律，讨论了地应力对岩体预裂爆破应力场分布的影响。此外，采用显式动力学有限元方法，模拟了静水压力和非静水压力条件下岩体预裂爆破的压力演化过程和裂纹扩展行为，并通过Hough变换的方法定量表征了爆炸裂纹的分布特征。研究结果表明：深部岩体预裂爆破成缝困难主要是由于地应力削弱了爆炸引起的切向拉应力作用，孔间岩体质点因切向位移受限而无法形成拉伸破裂面，拉伸破裂成缝机制通过切向拉应力演化和质点位移矢量变化得以验证。基于应力波叠加破坏理论提出的预裂爆破孔间成缝准则可以预测岩体孔间裂纹是否贯穿，得到的不同地应力条件下装药直径和孔距的关系可用于指导预裂孔布置方式，从而为深部岩体预裂爆破提供理论指导。
基于弹性力学平面应变问题假设，建立了地应力下岩体预裂爆破理论模型。通过Laplace变换和数值反演的方法分析了爆炸应力波的衰减规律，讨论了地应力对岩体预裂爆破应力场分布的影响。此外，采用显式动力学有限元方法，模拟了静水压力和非静水压力条件下岩体预裂爆破的压力演化过程和裂纹扩展行为，并通过Hough变换的方法定量表征了爆炸裂纹的分布特征。研究结果表明：深部岩体预裂爆破成缝困难主要是由于地应力削弱了爆炸引起的切向拉应力作用，孔间岩体质点因切向位移受限而无法形成拉伸破裂面，拉伸破裂成缝机制通过切向拉应力演化和质点位移矢量变化得以验证。基于应力波叠加破坏理论提出的预裂爆破孔间成缝准则可以预测岩体孔间裂纹是否贯穿，得到的不同地应力条件下装药直径和孔距的关系可用于指导预裂孔布置方式，从而为深部岩体预裂爆破提供理论指导。
2025, 45(9): 095401.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0268
摘要:
为了探究包覆铝粉爆炸火焰的发展演化规律和传播机理，采用溶剂蒸发法制备了壳-核结构硬脂酸包覆铝粉（SA@Al），利用改进的哈特曼管进行实验，研究粉尘浓度对5%、10%和15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰传播特性的影响；同时采用CHEMKIN-PRO软件模拟分析其气相爆炸反应动力学特征，从而揭示SA@Al爆炸火焰传播机理。结果表明，随着粉尘浓度的增大，5%、10%和15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰的饱满度和连续性均先增强后减弱，平均火焰传播速度均呈先增大后减小的趋势，当粉尘浓度为500 g/m3时火焰传播速度均达到最大。相比而言，纯铝粉爆炸火焰传播速度在750 g/m3时达到最大，表明硬脂酸包覆层促进了铝粉爆炸火焰的传播。此外，各粉尘浓度下，10%包覆浓度SA@Al爆炸火焰最剧烈，平均火焰传播速度最大。SA@Al爆炸火焰升温主要包括快速升温和缓慢升温2个阶段，快速升温阶段R2、R11和R10的温度敏感性较高，缓慢升温阶段R5、R11的温度敏感性较高。粉尘浓度对缓慢升温阶段的温升速率影响显著，使得500 g/m3时SA@Al的爆炸平衡温度最高。硬脂酸包覆层的燃烧促进了铝核的氧化，使爆炸反应得以强化，但过高的粉尘浓度会导致O自由基受限，在一定程度上削弱反应强度。
为了探究包覆铝粉爆炸火焰的发展演化规律和传播机理，采用溶剂蒸发法制备了壳-核结构硬脂酸包覆铝粉（SA@Al），利用改进的哈特曼管进行实验，研究粉尘浓度对5%、10%和15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰传播特性的影响；同时采用CHEMKIN-PRO软件模拟分析其气相爆炸反应动力学特征，从而揭示SA@Al爆炸火焰传播机理。结果表明，随着粉尘浓度的增大，5%、10%和15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰的饱满度和连续性均先增强后减弱，平均火焰传播速度均呈先增大后减小的趋势，当粉尘浓度为500 g/m3时火焰传播速度均达到最大。相比而言，纯铝粉爆炸火焰传播速度在750 g/m3时达到最大，表明硬脂酸包覆层促进了铝粉爆炸火焰的传播。此外，各粉尘浓度下，10%包覆浓度SA@Al爆炸火焰最剧烈，平均火焰传播速度最大。SA@Al爆炸火焰升温主要包括快速升温和缓慢升温2个阶段，快速升温阶段R2、R11和R10的温度敏感性较高，缓慢升温阶段R5、R11的温度敏感性较高。粉尘浓度对缓慢升温阶段的温升速率影响显著，使得500 g/m3时SA@Al的爆炸平衡温度最高。硬脂酸包覆层的燃烧促进了铝核的氧化，使爆炸反应得以强化，但过高的粉尘浓度会导致O自由基受限，在一定程度上削弱反应强度。
