可使介质产生大的变形,甚至发生严重的破坏。需要设法防治爆炸波引起的破坏,也可利用爆炸波引起的后效作为工艺技术的手段。根据介质的不同,可分为空中爆炸波、水下爆炸波和固体中的爆炸波。
爆炸波
较短时间内释放出较大能量的爆炸时在周围介质中产生很强的冲击波(即激波)。
- 英文名称
- explosive wave
- 所属学科
- 力学
炸药、炮弹、炸弹和核弹头等在空气中爆炸后,形成冲击波,并向四周传播,碰到地面或其他介质或物体即发生反射及折射,使物体发生变形、破坏及改变性质。空气中的冲击波以超过当地声速的速度传播,并将前方未受扰动的空气的状态陡升到具有很高压力、密度、温度和质点速度的状态。这一陡变区很薄,可忽略其厚度而近似当作间断阵面。冲击波在传播过程中逐渐变弱,最后衰变成声波。冲击波到达时空气的压力陡升至最大值。把压力减去初始的大气压力
的差值称为超压
,阵面处的超压达到峰值
。阵面扫过后压力逐渐下降,先降至
,此时超压为0,接着继续降至最小值;然后压力回升,逐渐恢复至
。可把整个过程分为超压取正值的正相阶段及超压取负值的负相阶段,各自的持续时间为
及
。波阵面扫过时带动空气向前运动;而到了负相阶段,压力因为低于周围未受扰动的大气压力,空气质点运动的方向与冲击波的方向相反。冲击波作用到物体上引起的变形和破坏不仅取决于冲击波的压力变化,还与相应的速度变化有关,因为物体阻滞空气运动将产生反射波,作用于物体上的压力应是入射波和反射波的总效应。炸药空中爆炸在周围环境中产生的压力和持续时间符合几何相似律。药量为
的球形梯恩梯(TNT)炸药在距离
处的超压峰值
及正相持续时间
可用折算距离
来表示。当1米/千克1/3≤
≤10~15米/千克1/3时,有:
核弹头空中爆炸所形成的冲击波在衰变到数十个大气压以前,强度随距离的衰变规律可用G.I.泰勒和L.I.谢多夫独立提出的点爆炸理论来描述。
炸药、鱼雷、炸弹或核弹头等在水下爆炸后,形成向周围扩展并不断减弱的冲击波。爆炸产物形成的“气球”在水中膨胀然后回缩,进行振荡并不断上浮,同时向四周发出二次压力脉冲。当冲击波遇到物体时发生反射、折射和绕射,物体在冲击波和二次压力脉冲的作用下发生位移、变形或破坏。冲击波到达水面或气球突出水面后,在水面激起表面波。水下爆炸除用作武器效应外,还用于爆炸成型及水下爆破作业等。
在离爆心一定距离处,冲击波的压力随时间的变化一般按指数规律衰减,即:
式中为峰压,
为持续时间常数。水下爆炸波的效应也遵循几何相似律,可用小规模实验室实验来模拟现场实验。可将峰压和持续时间常数随炸药品种、药量
和离爆心距离
的变化关系的实测结果,整理成以下的幂次形式:
式中为有量纲常数;
为无量纲常数。表1给出几种球形药包诸常数的数值(适用范围:距离等于药包半径的7~900倍)。
炸药名称 | ||||
(装药密度,g/cm3) | ||||
TNT(1.52) | 53.4 | 1.13 | 0.110 | -0.24 |
特屈儿(0.93) | 52.0 | 1.15 | 1.121 | -0.17 |
50/50PETN/TNT(1.60) | 55.6 | 1.13 | 0.136 | -0.08 |
爆炸或冲击等动载荷在固体中造成的爆炸波可按强度分为强、次强及弱三种情况。强爆炸波在传播过程中强度逐渐变弱,衰变为次强以至弱波,最终蜕化为弹性波。
指波在固体介质中引起的高压大大超过介质的强度。爆炸源或高速碰撞源附近,可把该处的介质当作流体看待,冲击波的传播性质与空气或水中的爆炸冲击波类似,只不过描述介质体积变形的本构方程具有不同的形式,米‒格吕内森状态方程是其常用的一种,即:
式中为压力;
为比容;
为内能;
为格吕内森系数;
和
为反映晶体点阵的冷压和冷内能。
指波在固体介质中引起的体积变形小到可以忽略,只需考虑形状变化,又称为应力波。根据固体材料的性质,可分为与速率无关的材料中的弹性波、弹塑性波以及与速率有关的材料中的黏弹性波、黏弹塑性波等。
在与速率无关的材料中,强度不足以引起塑性变形的波称为弹性波。对于各向同性线弹性材料,弹性波有纵波和横波两种。纵波是指质点振动方向和波的传播方向一致的波,波速为:,式中
为密度;
和
为拉梅弹性常数;横波是指质点振动方向和波的传播方向垂直的波,波速为
。表2是某些典型材料的弹性波波速值。
钢 | 铜 | 铝 | 玻璃 | 橡胶 | |
纵波波速 | 5940 | 4560 | 6320 | 5800 | 1040 |
横波波速 | 3220 | 2250 | 3120 | 3350 | 27 |
应力波的幅值若大到引起塑性变形,则在介质中传播塑性波。塑性波的波速通常小于弹性波波速,所以塑性波总是尾随在弹性前驱波的后面。塑性变形的不可逆性意味着加载和卸载遵循不同的应力‒应变关系。实验表明,从塑性状态卸载时一般遵循胡克定律,因此卸载扰动以弹性波速传播。
在与速率相关的材料中,爆炸波的力学效应包括与速率无关的瞬态响应和与速率相关的非瞬态响应两部分,而各种非瞬态响应均由具有黏性性质的内耗散力所引起,主要体现为波在传播过程中的弥散现象(波速依赖于频率)和耗散现象(波幅随传播距离而衰减)。这样对于在弹性响应的基础上计及与速率相关的黏弹性介质(如高分子材料等),相应地有黏弹性波;而对于在弹塑性响应的基础上计及速率相关性的黏弹性介质,则相应地有黏弹塑性波。
这类波既引起介质的形状变化又需要考虑体积变化。可采用20世纪60年代发展起来的流体弹塑性体模型,来计算爆炸和冲击等引起的爆炸波的传播及其后效。