爆炸和沖擊波理論基礎(chǔ)概述 1.1類型爆炸有三種分類方式，分別是按初始能量分，按反應(yīng)相分，按燃燒速度分。具體分類如下：按初始能量分：分為核爆炸，化學(xué)爆照，電爆炸，物理爆炸，高速爆炸，激光、X射線或其他高能粒子束照射引起的爆炸，如下圖。\o"點(diǎn)擊查看大圖"圖2.1爆炸有三種分類方式按照爆炸反應(yīng)的相的不同，爆炸可分為氣相爆炸、液相爆炸和固相爆炸。氣相爆炸。包括可燃性氣體和助燃性氣體混合物的爆炸；氣體的分解爆炸；液體被噴成霧狀物引起的爆炸；飛揚(yáng)懸浮于空氣中的可燃粉塵引起的爆炸等。液相爆炸。包括聚合爆炸、蒸發(fā)爆炸以及由不同液體混合所引起的爆炸。例如，硝酸和油脂，液氧和煤粉等混合時(shí)引起的爆炸；熔融的礦渣與水接觸或鋼水包與水接觸時(shí)，由于過熱發(fā)生快速蒸發(fā)引起的蒸汽爆炸等。固相爆炸。包括爆炸性化合物及其他爆炸性物質(zhì)的爆炸(如乙炔銅的爆炸)；導(dǎo)線因電流過載，由于過熱，金屬迅速氣化而引起的爆炸等。按燃燒速度分，可分為輕爆、爆炸和爆轟。輕爆。物質(zhì)爆炸時(shí)的燃燒速度為每秒數(shù)米，爆炸時(shí)無多大破壞力，聲響也不太大。如無煙火藥在空氣中的快速燃燒，可燃?xì)怏w混合物在接近爆炸濃度上限或下限時(shí)的爆炸即屬于此類。爆炸。物質(zhì)爆炸時(shí)的燃燒速度為每秒十幾米至數(shù)百米，爆炸時(shí)能在爆炸點(diǎn)引起壓力激增，有較大的破壞力，有震耳的聲響。可燃性氣體混合物在多數(shù)情況下的爆炸，以及火藥遇火源引起的爆炸等即屬于此類。爆轟。物質(zhì)爆炸的燃燒速度為爆轟時(shí)能在爆炸點(diǎn)突然引起極高壓力，并產(chǎn)生超音速的“沖擊波”。由于在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的燃燒產(chǎn)物急速膨脹，像活塞一樣擠壓其周圍氣體，反應(yīng)所產(chǎn)生的能量有一部分傳給被壓縮的氣體層，于是形成的沖擊波由它本身的能量所支持，迅速傳播并能遠(yuǎn)離爆轟的發(fā)源地而獨(dú)立存在，同時(shí)可引起該處的其他爆炸性氣體混合物或炸藥發(fā)生爆炸，從而發(fā)生一種“殉爆”現(xiàn)象。沖擊波是\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"核武器的主要?dú)茐囊蛩?。沖擊波對(duì)人的殺傷作用分為兩種：一是直接殺傷，即沖擊波直接作用與人體所引起的傷害。二是間接殺傷，指沖擊波破壞的物體或\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"拋射的物體對(duì)人造成的傷害，如建筑物倒塌使人體受到傷害等。因此，當(dāng)遇到核襲擊時(shí)，應(yīng)就近選低洼處臥倒趴下，不要到建筑物內(nèi)或建筑物后躲藏，以免受到間接傷害。 1.2形成機(jī)理沖擊波（shockwave）是指\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"擾動(dòng)在\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"非線性介質(zhì)中傳播。若它的\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"馬赫數(shù)和\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"雷諾數(shù)足夠大，，該面的兩側(cè)有關(guān)\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"物理量產(chǎn)生躍變，間斷面的運(yùn)動(dòng)形成沖擊波。有很多擾動(dòng)可形成沖擊波，如\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"爆炸波、彈道波、雷擊聲以及飛機(jī)轟鳴等。一個(gè)\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"正弦式擾動(dòng)所形成的黎曼–厄恩肖波最終形成沖擊波即為一個(gè)數(shù)學(xué)描述的例子（見\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"非線性聲學(xué)）。馬赫數(shù)大于1時(shí)擾動(dòng)只限于\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"錐體內(nèi)，其表面可當(dāng)作間斷面。如果介質(zhì)存在\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"耗散（如\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"黏滯、\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"熱傳導(dǎo)等），\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"間斷不是出現(xiàn)在一個(gè)\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"面上，而是在一個(gè)\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"薄層內(nèi)，后者稱為間斷層。

沖擊波是一種不連續(xù)\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"峰在介質(zhì)中的傳播，這個(gè)峰導(dǎo)致介質(zhì)的壓強(qiáng)、溫度、密度等物理性質(zhì)的跳躍式改變。在自然界，所有的爆發(fā)情況都伴有沖擊波，沖擊波總是在物質(zhì)膨脹速度變得大于局域\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"聲速時(shí)發(fā)生。當(dāng)位于S1點(diǎn)的波源以超波速的速度Vs向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"波源（物體）本身的運(yùn)動(dòng)會(huì)激起介質(zhì)的\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"擾動(dòng)，從而激起另一種\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"波。這時(shí)的運(yùn)動(dòng)物體充當(dāng)了另一種波的波源，這種波是一種以遠(yuǎn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡為中心的一系列\(zhòng)t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"球面波。由于球面波的波速u比物體的速度Vs小，所以就會(huì)形成以波源為頂點(diǎn)的V字形波，這種波就是沖擊波。通常指\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"核爆炸時(shí)，爆炸中心\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"壓力急劇升高，使周圍空氣猛烈\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"震蕩而形成的\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"波動(dòng)。沖擊波以\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"超音速的速度從爆炸中心向周圍沖擊，具有很大的破壞力，是核爆炸重要的殺傷破壞因素之一，亦作\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"爆炸波。也可以指由超音速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈\t"/item/%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%B3%A2/_blank"壓縮氣流。比喻為使某種事物受到影響的強(qiáng)大力量而受到?jīng)_擊。1、物理爆炸原理：物理性爆炸是由物理變化(溫度、體積和壓力等因素)引起的，在爆炸的前后，爆炸物質(zhì)的性質(zhì)及化學(xué)成分均不改變。物理爆炸的能量主要來自于甩縮能、相變能、運(yùn)動(dòng)能、流體能、熱能和電能等。圖2.2物理爆炸原理氣體的非化學(xué)過程的過壓爆炸、液相的氣化爆炸、液化氣體和過熱液體的爆炸、溶解熱、稀釋熱、吸附熱、外來熱引起的爆炸、流體運(yùn)動(dòng)引起的爆炸、過流爆炸以及放電區(qū)引起的空氣爆炸等都屬于物理爆炸。圖2.3物理爆炸2、化學(xué)爆炸原理：化學(xué)爆炸是由化學(xué)變化造成的?；瘜W(xué)爆炸的物質(zhì)不論是可燃物質(zhì)與空氣的混合物，還是爆炸性物質(zhì)(如炸.藥)，都是一種相對(duì)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，在外界一定強(qiáng)度的能量作用下，能產(chǎn)生劇烈的放熱反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓和沖擊波，從而引起強(qiáng)烈的破壞作用。圖2.4化學(xué)爆炸3、爆炸必須具備五個(gè)條件：提供能量的可燃性物質(zhì)，即爆炸性物質(zhì)；輔助燃燒的助燃劑（氧化劑）如氧氣、空氣；可燃物質(zhì)與助燃劑的均勻混合；混合物放在相對(duì)封閉的空間（包圍體）；足夠能量的點(diǎn)燃源。爆炸簡介：“爆炸”指在較短時(shí)間和較小空間內(nèi)，能量從一種形式向另一種或幾種形式轉(zhuǎn)化并伴有強(qiáng)烈機(jī)械效應(yīng)的過程。爆炸是一種極為迅速的物理或化學(xué)的能量釋放過程。在此過程中，空間內(nèi)的物質(zhì)以極快的速度把其內(nèi)部所含有的能量釋放出來，轉(zhuǎn)變成機(jī)械功、光和熱等能量形態(tài)。所以一旦失控，發(fā)生爆炸事故，就會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞作用。爆炸發(fā)生破壞作用的根本原因是構(gòu)成爆炸的體系內(nèi)存有高壓氣體或在爆炸瞬間生成的高溫高壓氣體。爆炸體系和它周圍的介質(zhì)之間發(fā)生急劇的壓力突變是爆炸的最重要特征，這種壓力差的急劇變化是產(chǎn)生爆炸破壞作用的直接原因。

1.3爆炸載荷爆炸是指在極短時(shí)間內(nèi)由高能物質(zhì)(如炸藥等)釋放出大量能量，并產(chǎn)生高溫高壓，對(duì)周圍介質(zhì)的物理狀態(tài)產(chǎn)生急劇的變化。爆炸所產(chǎn)生的能量主要以沖擊波的形式進(jìn)行傳播;沖擊波作為主要載荷形式，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞與爆點(diǎn)位置、結(jié)構(gòu)形式、材料、裝藥量和裝藥形狀等因素有關(guān)。研究爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)、評(píng)估結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力，首先需要研究爆炸所產(chǎn)生的沖擊載荷，分析爆炸沖擊波傳播規(guī)律，是結(jié)構(gòu)破壞分析和防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的首要條件。目前主要的方法有流固藕合及Conwep方法計(jì)算爆炸載荷。在LS-Dyna和Abaqus爆炸效應(yīng)計(jì)算中，通常采用Conwep加載，而無需做爆炸過程的歐拉分析、流固藕合計(jì)算等。將爆炸載荷直接作用在結(jié)構(gòu)上，可以節(jié)省計(jì)算周期，而且不會(huì)產(chǎn)生流固計(jì)算導(dǎo)致的誤差。本文通過歐拉數(shù)值模擬分析爆炸沖擊波傳播，在此基礎(chǔ)上獲得爆炸波模型參數(shù)，構(gòu)建Conwep算法，并通過對(duì)爆炸作用下鋁板的計(jì)算及與試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了本文的ConWep算法。爆炸沖擊波特點(diǎn)爆炸一般分為兩個(gè)過程:物質(zhì)內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能過程以及機(jī)械能對(duì)外界環(huán)境膨脹做功的過程。在第二個(gè)過程中，爆炸點(diǎn)周圍的壓力急劇上升，是產(chǎn)生破壞的主要因素。爆炸沖擊波所到之處，形成陡峭的強(qiáng)間斷波陣面，迅速壓縮當(dāng)?shù)亟橘|(zhì)，使波前壓力迅速提升，波后壓力為超壓。在沖擊波傳播過程中，將波前空氣壓縮成一高壓薄層，形成空氣沖擊波。典型的空中爆炸沖擊波傳播過程中波陣面壓力變化情況如圖1所示。在外部空氣壓力和沖擊波自身慣性的作用下，爆炸沖擊波發(fā)生周期性的壓縮與膨脹，壓力也呈現(xiàn)周期性變化。同時(shí)，在傳播過程中，由于對(duì)空氣做功和波陣面厚度的增大，沖擊波本身能量密度不斷下降，其壓力等參數(shù)也整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨著傳播越來越遠(yuǎn)，其最終衰減為聲波。圖2.5爆炸超壓在給定時(shí)刻隨距離分布示意圖在美國防護(hù)設(shè)計(jì)手冊(cè)TM5-1300(1990)中，根據(jù)裝藥情況，將作用在結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載可分為無約束爆炸和約束爆炸。約束爆炸情況比較復(fù)雜，在本文研究中，主要涉及無約束爆炸，該爆炸情況有自由空中爆炸和半球型地面爆炸。自由空爆指的是爆炸發(fā)生在自由空氣場中，不需要考慮地面對(duì)沖擊波的反射作用;與自由空