Page 112 - 《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

Explosion
center

Conical annular crack at
the bottom of the blast
hole
(a) 0 ms (b) 0.2 ms (c) 0.4 ms (d) 0.8 ms

Ear-shaped
crack
development
and
expansion Axial crack
Axial crack penetrates to
growth
the model
boundary
(e) 10.0 ms (f) 10.2 ms (g) 10.4 ms (h) 10.8 ms

Groove formation
Radial cracks continue
to develop and form
through fractures

(i) 20.0 ms (j) 20.2 ms (k) 20.4 ms (l) 20.8 ms
图 3 PMMA 爆破裂纹扩展演化过程
Fig. 3 Crack growth process of PMMA during blasting

2.2 裂纹的三维形态
多段起爆下爆炸能量持续作用在介质上，裂纹存在着多次被激发、扩展的情况 [19-20] 。如图 4(a) 所
示，在多段起爆条件下，初始裂纹迅速在炮孔壁周围产生，爆生气体驱动裂纹继续扩展，形成圆弧状或耳
状裂纹。由于模型边界效应等因素影响，轴向主裂纹贯穿整个模型并形成破裂面。对裂纹进行编号，如
图 4(b) 所示。在第 2 段炮孔爆破作用下，1 号裂纹和 2 号裂纹连接并扩展至整个模型边界，形成最大的
破裂面。同时，在 1 号裂纹起始区域形成衍生裂纹 3 号和 4 号，衍生裂纹长度明显小于 1 号主裂纹长
度。由于前序炮孔爆破在模型内部已经产生大量的贯穿式裂纹，第 3 段炮孔起爆后，部分爆炸能量从裂
纹处逃逸，导致炮孔周围裂纹扩展较短，如 5 号、6 号裂纹。
炸药爆炸引起的断裂过程可分为 2 个阶段。第 1 阶段冲击波作用阶段。炸药爆炸瞬间，以冲击波
形式向周围释放大量能量，作用于介质，在炮孔周围形成放射鳞片状的初始裂纹。这类裂纹主要集中于
炮孔附近，裂纹长度较短，但单位区域内裂纹数密度较高，呈现密集分布的网状形态。在本次试验中，经
过图像测量得知，炮孔周围初始裂纹长度主要集中在 3～8 mm 之间，如图 4(c)～(d) 所示。第 2 阶段爆生
气体驱动阶段。在高压气体持续加载下，初始裂纹得以扩展，同时诱导远场产生新的裂纹。
爆生气体驱动阶段主要形成 2 类典型裂纹形态。一类为整体形态呈圆弧状的裂纹，从炮孔位置沿
径向向外扩展，形似耳朵，裂纹长度较长，边界相对光滑。此类裂纹多形成于爆炸中心周围应力波多向
叠加区域，反映出强烈的局部张应力控制作用，常见于第 2 段和第 3 段爆炸耦合作用显著的区域。另一
类为形似匕首的裂纹，通常起始于初始裂纹，在爆生气体定向驱动下向远场延伸，具有明显的裂纹尖
端。该类裂纹的路径较长，扩展方向性强，端部呈半圆形或楔形尖端，单位区域密度较低。匕首形裂纹
是爆炸裂纹贯穿发展的主要路径，对介质的结构性破坏具有决定性作用，如图 4(d) 所示。

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