Page 111 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 陶子豪，等： 爆破荷载作用下透明脆性材料的三维裂纹扩展行为 第 9 期

20 cm
Empty
hole

Blast
Blast holeØ: 4 mm hole

20 cm

Empty hole Ø: 8 mm

First blast hole Secondary blast hole
Rear blast hole
(c) Layout of gun holes (d) Actual drug loading effect
图 2 PMMA 爆破模型试验系统、模型尺寸及装药示意图
Fig. 2 PMMA blasting test system, model size and charge diagrams

2 材料的失效

2.1 裂纹演化过程
试验过程中利用固定装置控制各孔炸药在同一水平，以保证爆破能量集中释放。同时，将同段起爆
炮孔串联至同一起爆通道，不同段炮孔并联至不同起爆通道。当爆炸荷载作用至炮孔孔壁时，炮孔周围
径向裂纹萌生并向周围扩展，扩展过程如图 3 所示。
随着首爆孔的起爆，爆炸能量迅速充斥整个炮孔，如图 3(a) 所示。在 0.2 ms 时，炮孔周围开始形成
径向裂纹，如图 3(b) 所示。在爆生气体的进一步驱动下，部分裂纹扩展至空孔并形成贯穿裂纹面，形成
初始槽腔。随后，在炮孔底部形成轴向扇面状裂纹，随着深度的增加，夹制作用增大，导致轴向裂纹面扩
展范围明显小于径向裂纹。在 20.8 ms 时，裂纹扩展的能量迅速释放，裂纹扩展停止，爆炸产生的裂纹最
后分布形态如图 3(l) 所示。
首爆孔爆破时，炮孔底部会向下形成一个锥形的环状三维裂纹，如图 3(c) 所示。在 10.0～10.8 ms 时
段内，第 2 段爆孔起爆释放能量继续作用在裂纹上，应力波和爆生气体的联合作用导致炮孔周围径向裂
纹迅速扩展，形成破裂块体，如图 3(e)～(h) 所示。其中，径向裂纹扩展范围明显小于轴向裂纹，径向裂纹
扩展速度也相对较小。由于首爆孔在模型上部形成贯穿裂纹，第 2 段炮孔起爆后，部分能量通过贯穿裂
纹溢出，导致炮孔上部径向裂纹扩展范围小、速度较低。当第 2 段炮孔起爆后，爆炸作用在裂纹尖端，进
而导致轴向裂纹迅速扩展并贯穿至试件边界。炮孔底部仅有爆生气体驱动产生的裂纹，说明在此装药
条件下，爆炸产生的高压气体是炮孔底部区域损伤破坏的主要原因。
第 3 段炮孔起爆后，爆炸能量继续推进径向裂纹扩展，并形成倒三角状裂纹群，裂纹贯穿整个掏槽
区域并形成最终的爆破槽腔。在 20.4 ms 时，由于轴向破裂面已经形成，爆炸能量迅速从破裂面处外泄，
导致炮孔周围垂直于破裂面方向仅有少量裂纹产生，如图 3(k) 所示。

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