爆炸力学讲义

1爆炸力学讲义2第一章绪论§1.1爆炸力学的基本概念爆炸效应是多种多样的，包括物理、力学、化学等多个学科领域，如主要以力学的观点和方法来研究爆炸，则可称之为“爆炸力学”。郑哲敏教授和朱兆祥教授提出：“爆炸力学是力学的一个分支，是主要研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的应用和防护的学科”。爆炸力学从力学角度研究化学爆炸、核爆炸、电爆炸、粒子束爆炸(也称辐射爆炸)、高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程，以及由此产生的强冲击波(又称激波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。自然界的雷电、地震、火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可用爆炸力学方法来研究。爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科，在武器研制、交通运输和水利建设、矿藏开发、机械加工、安全生产等方面有广泛的应用。§1.2爆炸力学的发展历程人们知道利用爆炸能为自己服务已经有很长的历史了，可以说从炸药发明以后就开始了。黑火药是我国古代四大发明之一，这在我国是家喻户晓的常识，但在西方国家却不这么认为。丁儆教授在1980年参加美国国际烟火技术会议（IPS)，在会上作报告述及中国发明火药和烟火技术的事实，引起许多欧美学者的惊异，因为西方教材中都说火药是英国的罗吉•培根（RogerBacon）发明的，为了纠正西方的错误，丁儆教授回国后进行了中国古代火药和爆炸方面历史的研究，研究表明，大约在公元8世纪（唐朝），中国就出现了火药的原始配方，在十世纪已应用于军事，北宋初官修著的《武经总要》中记载有火炮、蒺藜火球和毒烟火球等几种实战武器的火药配方。宋代周密揆在《葵辛杂记》中记载了火药产生的爆炸事故：“……守兵百余人皆糜碎无余，盈栋皆寸裂，或为炮风崩至十余里外。”《宋史》记载元兵破静江时有：“……娄乃令所都人拥一火炮燃之，声如雷霆，震城土皆崩，烟气涨天外，兵多惊死者。”火药的知识由阿拉伯人传入欧洲，直到十三世纪，英国人罗吉•培根才涉及火药的配方和应用，他的工作比中国人晚300~500年。之后丁儆教授先后在日本（1987年）和美国（1989年、1990年）及很多不同的场合宣讲我国古代的成就，以历史的事实和科学的态度，纠正了西方的错误观点，捍卫了我国古代文明的贡献。尽管我国古代在爆炸领域做出过卓越的贡献，但是近代爆炸力学的基础是在19世纪以来由欧洲学者完成的。17世纪匈牙利开始有火药用于开矿的记载。19世纪中叶开始，欧美各国大力发展铁路建设和采矿事业，大量使用黑火药，工程师们总结出工程爆破药量计算的许多经验公式。1846年硝化甘油发明后，瑞典科学家诺贝尔制成了硝化甘油系列的几种混合炸药，并于1865年发明了雷管，实现了“爆轰”，开创了爆炸的新时期。随着两次世界大战以及爆炸的工业应用，爆炸力学的学科基础逐步形成。英国工程师兰金和法国炮兵军官雨贡纽研究了冲击波的性质，后者又完整地解决了冲击载荷下杆中弹性波传播问题。查普曼和儒盖（1899年、1905）各自独立地创立了平稳自持爆轰理论，后者还写出第一本爆炸力学著作《炸药的力学》。3对爆炸力学的研究与对许多其它先进技术的研究一样，首先是出于军事的需要。第一次和第二次世界大战，高能炸药已经得到了广泛的使用，出现了飞机、大炮和坦克等多种先进武器。为了控制破片的大小和方向，提高炮弹、导弹的杀伤力，人们开始研究炸药对金属的破碎机理；为了提高穿甲弹、破甲弹的穿深、威力，提高坦克的防御能力，人们研究了炸药对金属的动力学作用原理。第二次世界大战期间，爆炸的力学效应问题由于战时的需要引起许多著名科学家的重视。泰勒研究了炸药作用下弹壳的变形和飞散，并首先用不可压缩流体模型，研究锥形罩空心药柱形成的金属射流及其对装甲的侵彻作用。泰勒、卡门、拉赫马图林各自独立创建了塑性波理论，发展了测定冲击载荷下材料的力学性能的方法。泽利多维奇和诺伊曼研究了爆轰波的内部结构，使爆轰理论得到巨大的进展。朗道和斯坦纽科维奇等研究了爆轰产物的状态方程，并推进了非定常气体动力学的发展。科克伍德等建立了水下爆炸波的传播理论。原子武器的研制大大促进了凝聚态炸药爆轰、固体中的激波和高压状态方程以及强爆炸理论的研究。泰勒、诺伊曼和谢多夫各自建立了点源强爆炸的自模拟理论，以麦奎因为代表的美国科学家对固体材料在高压下的物理力学性能作了系统的研究。经过这一时期的工作，爆炸力学作为一门具有自己特点的学科终于形成。当然，当时这些研究都是秘密进行的，又由于当时科技条件的限制，开始时人们对炸药在高温、高压、高速下对金属的动态作用过程和行为的研究进展很缓慢。爆炸力学真正独立成为一门学科，还是近六、七十年的事，随着科学技术的发展，特别是随着x光摄影技术、高速摄影技术、瞬态示波器、计算机等先进仪器的出现，为爆炸力学的研究提供了极其有利的条件，通过这些仪器设备，人们可以观察、记录爆炸作用下介质材料内部和外部的变化情况。x光摄影机，可以记录固体介质材料（如金属、岩石、混凝土等）在爆炸作用下内部裂纹发展和破坏的情况；高速摄影机，可以在炸药爆炸整个过程，记录爆炸作用下介质材料（固体、液体）的运动和外部破坏情况。目前好的高速相机可达500万幅/秒；示波器可以记录某一观察点在爆炸作用下瞬间的压力、速度、温度等变化历程，目前好的示波器可以记录纳秒（10-9）甚至皮秒（10-12）量极发生的变化，大量的第一手资料，使爆炸力学很快发展和充实起来。第二次世界大战后，核武器和常规武器的效应及其防护措施的研究继续有所发展。同时炸药在民用方面的应用越来越广泛，人们除了使用炸药进行传统的开山炸石、采矿、采煤、筑路、修坝外，还应用炸药进行爆炸焊接、爆炸切割、爆炸成型、爆炸合成和定向爆破。特别是第二次世界大战以后，大量需要拆除的危旧楼房，使定向爆破技术迅速发展了起来。同这些新技术发展相适应，爆炸力学也就发展成为包括有爆轰学、冲击波理论、应力波理论、材料动力学、空中爆炸和水中爆炸力学、高速碰撞动力学(包括穿甲力学、终点弹道学)、粒子束高能量密度动力学、爆破工程力学、爆炸工艺力学、爆炸结构动力学、瞬态力学测量技术等分支学科和研究领域。4§1.3爆炸力学的研究内容和应用爆炸力学的一个基本特点是研究高功率密度的能量转化过程，大量能量通过高速的波动来传递，历时特短，强度特大。其次，爆炸力学中的研究，常需要考虑力学因素和化学物理因素的耦合、流体特性和固体特性的耦合、载荷和介质的耦合等，因此，多学科的渗透和结合成为爆炸力学发展的必要条件。爆炸研究促进了流体和固体介质中冲击波理论、流体弹塑性理论、粘塑性固体动力学的发展。爆炸在固体中产生的高应变率、大变形、高压和热效应等推动了凝聚态物质高压状态方程、非线性本构关系、动态断裂理论和热塑不稳定性理论的研究。爆炸的瞬变过程的研究则推动了各种快速采样的实验技术，其中包括高速摄影、脉冲x射线照相、瞬态波形记录和数据处理技术的发展。爆炸力学还促进了二维、三维、具有各种分界面的非定常计算力学的发展。爆炸力学在军事科学技术中起重要作用。在发展核武器、进行核试验、研究核爆炸防护措施方面，爆炸力学是重要工具。在各种常规武器弹药的研制、防御方面，炸药爆轰理论、应力波传播理论和材料的动态特性理论等都是理论基础。激光武器和粒子束武器也需要从爆炸力学的角度进行研制，爆炸力学研究还为航天工程提供多种轻便可靠的控制装置。爆炸力学实验技术(如冲击波高压技术)为冲击载荷下材料的力学性能的研究提供了方法和工具。在矿业、水利和交通运输工程中，用炸药爆破岩石(爆破工程)是必不可少的传统方法。现在光面爆破、预裂爆破技术的应用日益广泛。在城市改造、国土整治中，控制爆破技术更是十分重要。爆炸在机械加工方面也有广泛的应用，如爆炸成型、爆炸焊接、爆炸合成金刚石、爆炸硬化等。目前全世界每年消耗炸药几千万吨，我国每年炸药的消耗也有几百万吨之巨，80%以上都是民用消耗。工程爆破的规模小到几毫克，大到万吨级的都有。如用炸药碎石治疗膀胱结石的方法，用药量一般在2~20毫克，1992年12月28日珠海大爆破的总装药量达到1.2万吨，爆破总方量1085.2万立方米。进行如此规模的爆破，需要复杂的爆破设计和高难度的技术，仅靠经验是不行的。这就要求我们对炸药爆炸作用下介质的动力学性质有足够的了解和掌握，事先要进行精确的计算和设计（当然这里所说的精确是相对我们的要求来说的，并不是绝对的精确。）所以要求我们研究爆炸在除金属以外，在一般介质中的传播和作用机理。而我们所要学习的爆炸力学方面的知识，主要就是着重于民用爆破理论的研究，主要是学习炸药爆炸后，其爆炸波在空气、岩石、土、混凝土、水等的传播和作用机理。爆炸力学是一门交叉科学，它涉及流体动力学、气体动力学、固体力学、物理学和化学动力学等多学科的知识。通过爆炸力学的学习，使同学们看一般爆破设计时都知道其理论依据，毕业后再加上一定的实际工作经验，很快就能独立地进行爆破工程设计，对爆破过程中出现的一些问题和现象有一个思路，知道应该从哪个方面去解决爆炸现象十分复杂，并不要求对所有因素都进行精确的描述，因此抓住主要矛盾进行实验和建立简化模型。特别是运用和发展各种相似律或模型律，具有重要意义。5爆炸力学近几十年来虽然发展很快，但它还不能算是一门成熟的学科。在爆炸力学的许多问题上还都有争议，各有各的一套理论和数据、公式。其中许多公式都不是纯理论推导的，而是建立在实验之上的经验和半经验公式。因为是以实验为基础的，由于各自的实验条件不同，再加上爆炸本身具有一定的不确定性，所以个人得出的数据就不尽相同，因此对同一个参数具有不同的公式表达形式。有些你也不能说谁对谁错，因为它们各自都有各自的使用条件。所以希望同学们学习了爆炸力学后，掌握一些爆炸力学的理论和研究方法，出去后通过自己的实验数据来建立一套适合我国地质条件或适合各种特殊地质条件地下的公式。炸药爆炸后，爆炸作用是以爆炸波的形式在介质中传播的，因此在讲爆炸对介质的作用之前有必要讲一些应力波的基本知识。6第二章固体中的应力波理论§2.1概述固体中的应力波主要是研究当固体物质突然受到冲击载荷的作用时，其内部应力、应变的变化情况。材料受到冲击载荷的例子很多，如炸药的爆炸作用、子弹、汽车的高速碰撞等。甚至我们日常生活中用锤子击打钉子时，锤子与钉子的作用，飞掷石块，石块与接触物的作用等都属于冲击载荷，只是载荷强度小些而已。物体在冲击载荷的作用下，材料内部的运动、变形和断裂机理与静态实验的结果有很大区别。静力学理论所研究的是处于静态平衡状态下的固体介质，常规静态实验中载荷随时间的变化不显著，材料的应变率一般在10-5~10-1秒-1量级。这时可以忽略介质微元的惯性，以前我们在普通物理、材料力学、弹性力学、理论力学等学科中所接触的力学问题都属于静力学的范畴，它们在处理问题时都不考虑介质微元的惯性，不考虑随时间变化材料内部状态的变化情况。而当物体受到冲击在和作用时，情况就不同了。冲击载荷的特征就是历时短，也就是说冲击载荷的作用时间很短，它使物体的运动参数在毫秒、微秒，甚至毫微秒的短暂时间内就发生了显著的变化。例如，子弹以102~103米/秒的速度打在靶板上，炸药与固体物体接触爆炸，在历时几个，十几个微秒的时间内，压力就升高到十几，几十万个大气压，此时，材料的应变率一般在102~105秒-1，有时甚至高达107秒-1，比静态高得多，在这样的动载荷作用下，介质微元所受的力处于随时间迅速变化着的动态过程，对此就要考虑介质微元的惯性。大量的实验表明，在应变率不同时，材料的力学性能也往往不同。通常表现为随着应变率的提高，材料的屈服极限提高（y）、强度极限提高（u）、延伸率降低（LLL），屈服滞后和断裂滞后等现象变得明显起来。其原因，一个是由于介质质点的惯性作用，另一个重要因素就是材料本身的本构关系和应变率有关。从热力学角度来讲，静态条件下，应力、应变关系接近于等温过程，而高应变率条件下的动态应力、应变关系接近于绝热过程，为了研究冲击载荷作用下力的作用过程，就引入了应力波的研究。事实上，当外载荷作用于固体介质某部分时，如图2.1所示，一开始只有那些直接受到外载荷作用的那部分介质质点离