两种介质中爆轰波和冲击波连续测量技术研究.pdf

第4 6 卷第4 期爆破器材 V 0 1 ．4 6N o ．4 2 0 1 7 年8 月 E x p l o s i v eM a t e r i a l s A u g ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 4 ．0 1 2 两种介质中爆轰波和冲击波连续测量技术研究米 李晓杰①②易生泰①闰鸿浩① 王一J 、红① 李科斌① ①大连理工大学工程力学系 辽宁大连，1 1 6 0 2 4 ②工业装备结构分析国家重点实验室 辽宁大连，1 1 6 0 2 4 [ 摘要]通过自制的有机玻璃压导探针，对炸药、有机玻璃和水中的爆轰波和冲击波进行连续测量，得到了爆轰 波和冲击波的时间历程演化曲线。由此计算出炸药爆速、有机玻璃和水中冲击波速度随时间的变化曲线；再由有 机玻璃和水的冲击雨果尼奥关系式和动量定理，计算得到了炸药爆压、有机玻璃和水近场冲击波速度、压力变化曲 线。结果表明理论计算结果与有机玻璃和水的冲击波和炸药爆压试验结果基本吻合，能够准确反映冲击波在有 机玻璃和水中的衰减规律； [ 关键词]有机玻璃；水；连续测量；探针；爆轰波；冲击波 『分类号] 0 3 8 4 C o n t i n u o u sM e a s u r e m e n tT e c h n o l o g yo fD e t o n a t i o nW a v e s a n dS h o c kW a v e si nP M M Aa n dW a t e r U X i a o j i e ∞，Y IS h e n g t a i ①，Y A NH o n g h a 。①，W A N GX i a o h 。n g ①，L IK e b i n ① ①D e p a r t m e n to fE n g i n e e r i n gM e c h a n i c s ，D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y L i a o n i n gD a l i a n ，11 6 0 2 4 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS t r u c t u r a lA n a l y s i sf o rI n d u s t r i a lE q u i p m e n t L i a o n i n gD a l i a n ，11 6 0 2 4 [ A B S T R A C T ] D e t o n a t i o nw a v e sa n ds h o c kw a v e si ne x p l o s i v e ，p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e P M M A a n dw a t e rw e r e m e a s u r e dc o n t i n U O u s l vb van e wi n ．h o u s em a d eP M M Ap r e s s u r ep r o b et oo b t a i nt i m eh i s t o r yc u r v e so fd e t o n a t i o nw a v ea n d s h o c kw a v e ．T h ed e t o n a t i o nv e l o c i t vo fe x p l o s i v e sa n dv e l o c i t y ．t i m ec u r v e so fs h o c kw a v ei nP M M Aa n dw a t e rw e r ec a l e u l a t e d ．F u r t h e r ．t h en e a rf i e l de x p l o s i v ed e t o n a t i o np r e s s u r ea n ds p e e dc u r v e so fs h o c kw a v ei nP M M Aa n dw a t e rw e r eo b t a i n e db vH u g o n i o te q u a t i o no fP M M Aa n dw a t e ra n dt h e o r e mo fm o m e n t u m ．T h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l lw i t h t h ee x p e r i m e n t ．w h i c hc a na c c u r a t e l yr e f l e c tt h ea t t e n u a t i o n1 a wo fs h o c kw a v ei nP M M Aa n dw a t e r ． [ K E Y W O R D S ]P M M A ；w a t e r ；c o n t i n u o u sm e a s u r e m e n t ；p r o b e ；d e t o n a t i o nw a v e ；s h o c kw a v e 引言 炸药的爆轰过程是一个快速的化学物理变化过 程，同时产生大量热量和气态产物。冲击波是一种 强压缩波。其特点是传播速度快、峰值压力大、持续 时间短。目前，对爆炸的研究主要是理论分析、试验 研究、数值模拟及三者有机结合的综合性探索[ 1 。3 ] 。 测量爆轰压力常用的方法有电磁法H 引、自由表面 速度法、水箱电探针法[ 63 等。理论上，只要在介质 中产生稳定的冲击波，就可以计算出介质中冲击波 稳定传播时的压力[ 7 ] 。将两种不同介质紧密贴合 在一起，使冲击波由一种介质传人另一种介质中，若 仅已知一种介质的雨果尼奥曲线，则可用该介质的 雨果尼奥曲线推导另一介质雨果尼奥曲线。笔者选 用有机玻璃和水这两种雨果尼奥曲线已知的介质来 验证该方法的准确性。 1 试验系统及测量原理 1 ．1 探针连续测量系统设计原理 试验中使用的多孔粒状铵油炸药的爆轰临界直 径为5 0m m 。文献[ 8 ] 指出，在用待研究金属材料 制作的不同厚度平板上方，爆炸高度为5 ～6 倍装药 弗收稿日期2 0 1 7 - 0 2 - 2 7 基金项目国家自然科学基金 1 1 2 7 2 0 8 1 ，1 1 6 7 2 0 6 7 作者简介李晓杰 1 9 6 3 一 ，男，博士，教授，博导，研究方向爆炸力学、爆炸加工、特种爆破。E - m a i l 3 9 3 2 9 1 8 0 0 q q ．t o m 万方数据 5 6 爆破器材 第4 6 卷第4 期 直径的圆柱形炸药，能够使得阵面弯曲度很小的爆 轰波作用于金属板表面。圆柱形装药的直径比金属 板厚度大2 ～3 倍，因而，金属板中传播的冲击波阵 面弯曲度很小。文献[ 9 ] 指出，当药柱长度大于爆 轰波面最大曲率半径时，爆轰波面的曲率半径是常 数，为药柱直径的2 ．0 3 ．5 倍。本文中的探针连续 测量系统将探针放置于药柱中心，药柱直径为1 0 0 m m ，长度为2 0 0m m ，有机玻璃长度为2 0m m ，有机 玻璃和水中有效数据取前2 0m m ，可以保证在爆轰 波到达有机玻璃前炸药已经达到稳定爆轰。爆轰波 近似于平面波传人有机玻璃，并在有机玻璃和近场 水中产生平面冲击波。 1 ．2 探针连续测量系统 图1 为探针连续测量系统的示意图。 1 一雷霄；2 一探针；3 一炸药；4 一有杉【玻璃；5 一水6 一同 轴电缆；7 一电桥；8 一记录仪；9 一起爆器；1 0 一起爆线。 图1连续爆速测试系统原理示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n t i n u o u sd e t o n a t i o n v e l o c i t yt e s t i n gs y s t e m 对爆轰波进行连续测量时．为使探针能够测得 稳定的爆轰波，需要使探针起始端与雷管的距离保 持5 0m m 以上，拉直探针并沿药柱中心线布置。整 套装置放在空气中进行试验，试验布置如图1 所示。 使用密度1 ．0 7 6g ／c m 3 、爆速25 0 0m ／s 左右的 多孑L 粒状铵油炸药。记录仪为高频示波器，采样率 为8 0 1 0 6s ～，每个单元时间设定为2 0 0I t s ，选用 开阔场地进行对比试验。 2 测量数据的处理和分析 2 ．1 数据处理 电路原理如图2 所示。高频示波器与探针串 联，电路并联2 0 0Q 的电阻R 和1 2 ．9 5V 的外接电 源。由电路原理，有 fr 一上． { 一R 。 R ’ 1 t R L o 一眈 r 。 式中足表示探针电阻；R 。表示并联电阻；V 表示外 界电源电压；厶表示探针初始长度；D 表示探针导 探针 卜广 、 高 频 示 波 器 图2 电路原理 F i g ．2 C i r c u i tp r i n c i p l e 通速度；r 表示探针电阻率由式 1 得 尺． K 侬c y [ 1 一瓦j 赢] 。 2 式中K 表示电压随时间变化。再由式 2 得 尺．y L D t 乩。一耥c 3 由于电路中的同轴电缆内部电阻不能忽略，因 此，考虑到同轴电缆内部电阻影响后的式 3 修正 后为 ￡ D t 等 一考‰。 4 式中R7 为同轴电缆电阻。 通过测量探针插入药柱中的长度。确定炸药与 有机玻璃的分界面。也是连续数据线上直线部分的 转折点、爆轰波与有机玻璃冲击波的分界点 2 ．2 爆轰波速度的计算 根据确定的界点位置。对爆轰波和冲击波的传 播数据进行线性拟合．最终得到柱状炸药的爆速和 在有机玻璃、水中的冲击波传播速度。 以某一组试验为例，爆轰波拟合方程为z 2 ．6 6 0 t 0 ．0 0 6 ，炸药爆速为26 6 1m ／s 有机玻璃 中，冲击波拟合方程为戈 3 ．7 2 2 t 一0 ．0 6 0 ，冲击波 初始速度为37 2 2m ／s 。水中，冲击波拟合方程为 z 2 ．9 6 6 t 一0 ．0 0 6 ，冲击波初始速度为2 ．9 6 6m ／s 。 处理后的曲线如图3 所示。 2 ．3 有机玻璃中冲击波压强的计算 当爆轰波垂直传人有机玻璃中后，传人有机玻 璃中、界面处的冲击波符合动量定理，由此可得出 P P 0 p P O D P 0 “P 0 。 5 式中P P o 表示传人有机玻璃中冲击波的初始压强； p 舶表示有机玻璃的密度；D m 表示在有机玻璃中传播 的冲击波的初始速度；M m 表示炸药与有机玻璃界面 上有机玻璃中的质点速度。在资料中查询到密度为 1 ．1 8 6g ／c m 3 的有机玻璃雨果尼奥关系式r l 0 ] D P 2 ．8 5 1 ．3 5 u P 。 6 式中D ，、M ，分别表示冲击波的速度和有机玻璃中 万方数据 2 0 1 7 年8 月两种介质中爆轰波和冲击波连续测量技术研究李晓杰，等 5 7 E ＼ 键 曩 蹩 心 8 0 时间／m s 图3 爆轰波和冲击波连续传播曲线 F i g ．3 C o n t i n u o u sp r o p a g a t i o nCHIVeo fd e t o n a t i o n w a v ea n ds h o c kw a v e 冲击波阵面上的质点速度。由式 6 可以得到用有 机玻璃中冲击波速度表示的质点速度公式 D P 一2 ．8 5 u r2 r 秀一 7 把质点速度公式与动量定理公式联合．简化到 冲击波的压强计算公式为 P P P p O D p 攀。 8 。丁F 。 L 石， 所采用的探针中的有机玻璃密度约为1 ．1 8g ／ c n l 3 ．式 8 就是冲击波超压的计算公式，冲击波速 度和有机玻璃密度代入式 7 、式 8 中，即可得出 有机玻璃介质中冲击波阵面的初始介质运动速度 u 。为6 4 6 ．3m ／s ，初始压强P 。为2 ．8 5 3G P a 。 以炸药．有机玻璃体系为研究对象，符合质量守 恒、动量守恒定律；考虑到炸药与有机玻璃介质分界 面上质点速度连续、压力相等，利用冲击波的声学近 似．得到炸药爆压的计算公式为 P P o P o D p P o D P 0 ，n 、 p Ⅳ2 1 石r 。 L ，， 把上文计算的爆速 D 、冲击波初始速度 D m 、冲击波初始压强 p 阳 、炸药密度 ‰ 和有机 玻璃密度 P ∞ 代入式 9 ，计算得到工业炸药在炮 孔内稳定爆轰产生的C ．J 面爆轰压力P 。为2 ．4 6 G P a 。由公式 P o D 2 p Ⅳ2 而 1 0 计算得到绝热指数7 2 ．2 4 。文献[ 1 1 ] 中。爆速在 30 0 0m ／s 左右的炸药7 值在2 ．1 3 ～2 ．2 0 之间。但 由于有机玻璃中的压力大于炸药爆压．所以炸药爆 轰波在界面反射的是冲击波，用声学近似可能有较 大的误差，所以用文献[ 7 ] 的方法进行计算。 铵油炸药药柱爆炸后，在有机玻璃中产生爆炸 冲击波。同时在爆轰产物中产生反射冲击波或稀疏 波由于铵油炸药的冲击阻抗加小于有机玻璃的 冲击阻抗J D ，D ，，所以产物中反射波为冲击波。在这 种情况下，分界面处冲击波压力与速度的关系式为 D “一2 而 11 式 1 1 中，P H P o D 2 ／ y 1 其中，7 采用试算 法，取值范围为声学近似计算出的7 值附近。当y 取2 ．3 0 时，计算得到u P 6 4 6 ．9m ／s ，P P 2 ．8 5 4 G P a 。u ，和P ，与式 7 、式 8 所得结果最为接近， 故7 取值为2 ．3 07 处理后得到的曲线如图4 所示。 图4 有机玻璃雨果尼奥p p - U ，曲线 F i g ．4 H u g o n i o tp p - ／2 Pc urveo fP M M A 2 ．4 水中冲击波压强的计算 运用对比法．利用冲击波测介质状态参数。在 有机玻璃中生成的稳定冲击波。到达有机玻璃和水 交界面后，在水中产生冲击波．同时在有机玻璃中产 生反射波图3 中得到有机玻璃和水中冲击波速度 D ，、D w 分别是37 2 2m ／s 和29 6 6m ／s 图4 为有机 玻璃雨果尼奥曲线此外，还有关系式 P P P P D P u P ； 1 2 P Ⅵ p W ．D w ／2 , w 。 1 3 式 1 2 、式 1 3 分别为有机玻璃和水的波直线 方程。 式 8 和式 11 的交点为有机玻璃中冲击波后 的P 和1 1 , 值，将它们记作P ，及1 1 , ，。而标准材料中的 反射波后状态应在向后的p - u 曲线上，该曲线可近 似取为有机玻璃雨果尼奥曲线以A 点 图5 为对称 点所作的镜面反射。 水中冲击波的波后状态也应在有机玻璃雨果尼 奥曲线镜像线上，同时还应在水的波直线上，故两者 的交点就是波后状态值，即为B 点。对比测量法所 作曲线如图5 所示，对比测量法得到的P 为2 ．3 0 G P a ．“为7 7 6m ／s ． 、 一 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 舟山o 、q 万方数据 5 8 ‘曝破器材 第4 6 卷第4 期 日 凸一 。 言 “／ k m 。s ’1 图5冲击波对比测量法所作曲线 F i g ．5 C u r v e su s e di nc o n t r a s tm e a s u r e m e n t o fs h o c kw a v e 根据美军军标M I L S T D 一1 7 5I Ⅲ中水中冲击 波速度与质点速度的关系可知 D w _ 1 ．4 8 3 2 5 3 0 66 l g 1 志 。 1 4 可反解出质点速度／Z 。的数值 D C 一14 8 3 M w 5 ．1 9 0 1 0 丽一1 。 1 5 根据式 1 5 解出M w 7 5 0m ／s ，代人式 1 3 得 到P 碡为2 ．2 3G P a 。“w 和P 蕊分别相差3 ．5 ％和 3 ．1 ％。表明该试验方案可以很好地对炸药中爆轰 波和有机玻璃中冲击波进行连续测量． 介质中冲击波阵面介质运动速度“w 和压强P 。 的试验结果如表1 所示。 表1介质运动速度和压强试验结果 T a b ．1M e d i u mv e l o c i t y “a n dp r e s s u r er e s u l t s 项目 有机玻璃．水界面 理论值 试验值差值／％ 3结论 1 实现了在一次柱状炸药爆炸中对爆轰波和 有机玻璃、水中冲击波的连续测量，获得了真实、有 效的试验数据。 2 对有机玻璃和水中近场冲击波速度和超压 分别运用公式和试验数据进行求解。结果表明，试 验数据基本反映了冲击波的真实情况，该试验方案 能很好地对爆轰波冲击波进行连续测量，得到了一 种简便、经济的现场测量爆轰波和冲击波速度的 方法。 3 该试验方法能够准确地对爆轰波冲击波进 行测量。在之后的试验中．可以将水替换成参数未 知的材料，在爆轰过程中通过参数已知的材料来确 定参数未知材料的参数。 参考文献 [ 1 罗松林，叶序双，顾文彬。等．水下爆炸研究现状[ J ] ． 工程爆破，1 9 9 9 ，5 1 8 4 _ 8 7 ，8 3 ． L U OSL ，Y EXS ，G UWB ，e ta 1 ．S u m m a r yo fp r e s e n t r e s e a r c hs i t u a t i o no fu n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，1 9 9 9 ，5 1 8 4 8 7 ，8 3 ． [ 2 ]肖川，宋浦，梁安定．炸药水中爆炸规律的研究进展 [ J ] ．火炸药学报。2 0 0 6 ，2 9 6 1 9 2 2 ． X I A OC ，S O N GP ，L I A N GAD ．R e s e a r c hd e v e l o p m e n t o fu n d e r w a t e re x p l o s i o nm e c h a n i s m [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o fE x p l o s i v e s ＆P r o p e l l a n t s ，2 0 0 6 ，2 9 6 1 9 2 2 ． [ 3 j 李晓杰，孙伟，闰鸿浩，等．水下爆炸焊接和压实[ J ] ． 爆炸与冲击，2 0 1 3 ，3 3 I 1 0 4 1 0 7 ． L IXJ ，S U NW ，Y A NHH ．e ta 1 ．U n d e r w a t e re x p l o s i v e w e l d i n ga n dc o m p a c t i n g [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ， 2 0 1 3 ，3 3 1 1 0 4 1 0 7 ． [ 4 ] 赵衡阳，梁云明．电磁法实验研究[ J ] ．爆炸与冲击， 1 9 8 1 1 6 7 7 6 ． Z H A OHY ．L I A N GYM ．E x p e r i m e n t a ls t u d yb ye l e c t r o m a g n e t i cm e a s u r i n gm e t h o d [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c k W a v e s ，1 9 8 1 1 6 7 7 6 ． [ 5 ]熊昌彦．电磁法和压阻法同日, - 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