Page 133 - 《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

在 t=63.33 μs 时，裂纹尖端及周围的等差条纹呈现出不对称性，判定为裂纹尖端受到 P 波在上水平边界
返回的反射 S 波（reflected S-wave，PrS 波）影响。在这之后，反射波完全传播经过裂纹尖端，等差条纹逐
渐恢复为具有对称性的蝴蝶状条纹。

3.2 裂纹运动特征

图 6 为试件裂纹的扩展速度（v）和加速度（a）随时间的变化曲线。一般来说，单孔爆破后，裂纹扩展
速度在爆炸应力波和爆生气体的共同作用下先升高，随着爆炸能量的耗散，裂纹扩展速度逐渐降低 [20] 。
本实验由于运动裂纹扩展过程中受到试件上下边界反射爆炸应力波的作用，裂纹扩展速度呈现出波动
性。按照反射爆炸应力波到达裂纹尖端的传播过程，将运动裂纹的扩展过程分为 3 个阶段：第 1 阶段
（40.00～50.00 μs），在此阶段爆炸应力波在试件上下边界反射形成的反射波尚未到达运动裂纹尖端；
第 2 阶段（＞50.00～70 μs），在此阶段上下边界反射爆炸应力波斜入射运动裂纹尖端，发生相互作用；
第 3 阶段（＞70.00～80 μs），在此阶段上下边界反射爆炸应力波远离运动裂纹。

PrP-wave PrS-wave

Tensile Compressive
stress stress

450 100
PrS-wave

375 50
v/(m·s −1 ) 300 0 a/(m·s −2 )

225 PrP-wave
stretching −50
PrP-wave
Ⅰ compression Ⅱ Ⅲ
150
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
t/µs
图 6 裂纹扩展速度和加速度变化曲线
Fig. 6 History curves of velocity and acceleration of crack propagation

在第 1 阶段，运动裂纹扩展速度呈波动状上升。在 t=43.30 μs 时，裂纹扩展速度达到 313 m/s，之后
逐渐降低；在 t=46.70 μs 时达到谷值，随后逐渐上升；在 t=50.00 μs 时，裂纹扩展速度达到 411 m/s。
在第 2 阶段，由于反射爆炸应力波 PrP 拉伸波的作用，产生拉应力，裂纹扩展速度从 341 m/s 缓慢上
升至 404 m/s。紧接着受到 PrP 压缩波的作用，产生压应力，裂纹扩展速度大幅下降到 304 m/s。PrP 波通
过后，裂纹扩展速度出现下降。随后，在反射 PrS 波的入射作用下，裂纹扩展速度发生明显的上下起伏，
峰值速度为 418 m/s，裂纹尖端受到剪切力，因此裂纹扩展速度峰值超过反射爆炸应力波作用前的峰值。
在第 3 阶段，试件上下边界第一次反射产生的反射应力波已完全通过运动裂纹。之后，反射爆炸应
力波在试件边界再次发生波形转换，整个试件受力状态复杂，爆炸产生的能量耗散。由于预制静止裂纹
对运动裂纹的抑制作用 [35-36] ，裂纹扩展速度呈波动状下降。
图 6 展示了裂纹扩展过程中加速度的变化特征。裂纹扩展加速度在 PrP 拉伸波作用下逐渐升高，
在 PrP 压缩波作用下逐渐降低，最后在 PrS 波的作用下在−58～50 m/s 区间内波动，变化趋势与裂纹扩展
2
速度类似。

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