Page 131 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 周星源，等： 反射爆炸应力波作用下动静裂纹的贯通机理 第 6 期

预制裂纹长度 L =30 mm，宽度为 0.3 mm，预制裂纹与水平方向的夹角 α=90°。试件预制一个炮孔，炮孔
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半径 R=3 mm。为了爆炸后在特定方向形成爆生主裂纹，在炮孔两侧预制 V 形切槽，切槽角度为 60°，深
度为 1 mm。炮孔中心位于试件形心右侧 15 mm 处，预制裂纹中心位于试件形心左侧 15 mm 处，预制裂
纹距离炮孔中心的垂直距离 L =30 mm。选用单质炸药叠氮化铅（PbN ）作为起爆炸药，装药量为 50 mg。
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将动光弹系统调整为圆偏振光场明场进行爆炸实验。由于爆炸是一个瞬间完成的过程，准确控制
实验系统各部分的触发顺序和时间间隔是完整记录爆炸实验过程的关键。利用同步控制器输出触发信
号 1 开启闪光灯，闪光灯光线依次穿过光弹仪 1、试件、光弹仪 2 和凸透镜，最后汇聚到高速相机镜头
中；间隔 200 μs 后，输出触发信号 2 开启高速相机；再间隔 200 μs 后，输出触发信号 3 开启起爆器引爆炮
孔 A 中的炸药，在试件中产生沿水平方向扩展的运动裂纹。高速相机的拍摄频率设置为 6×10 s ，裂纹
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扩展停止之后，将高速相机采集到的图像保存到电脑中。

3 实验结果与分析

3.1 光弹等差条纹图

图 4 为爆炸应力波传播的光弹等差条纹系列图片。单孔爆破后，爆炸应力波首先以炮孔为中心向
外传播。由于 P 波和 S 波存在速度差，因此爆炸应力波在传播过程中，会出现 P 波与 S 波分离的现象。
速 度 较 快 的 P 波 传 播 到 预 制 裂 纹 处 ， 在 裂 纹 尖 端 发 生 了 不 同 程 度 的 绕 射 、 反 射 和 衍 射 [ 7 ] 。 在
t=23.33～28.33 μs 期间，P 波抵达预制裂纹面并发生反射，随后与从爆源传播而来的 S 波相互影响形成锥
形头波 [34] 。在 t=30.00 μs 时，P 波在预制裂纹尖端发生绕射产生高应力集中而出现蝴蝶状的等差条纹，
0.5 级条纹远离炮孔一侧（外侧）的扇形区域大于靠近的一侧（内侧）。在 t=31.67 μs 时，S 波抵达预制裂纹
尖端发生衍射和绕射，P 波波阵面完全越过预制裂纹面，预制裂纹尖端的应力场受 S 波主控，此时预制裂
纹尖端的等差条纹级数开始降低，应力集中逐渐减弱。在 t=35.00 μs 时，在切槽处诱发的微裂纹萌生，在
拉应力的作用下，沿着水平方向不断扩展，在裂纹尖端形成等差条纹。

P-wave Reflected
P-wave

S-wave

Incident
10 mm 10 mm 10 mm 10 mm S-wave
t=23.33 µs t=25.00 µs t=26.67 µs t=28.33 µs
µs

Superposition zone

10 mm 10 mm 10 mm 10 mm
t=30.00 µs t=31.67 µs t=33.33 µs t=35.00 µs

图 4 爆炸应力波传播过程的光弹等差条纹系列图片
Fig. 4 Photoelastic fringes of single-hole blasting process

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