Page 120 - 《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

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Crack z
图 12 三维裂纹起裂力学模型
Fig. 12 Schematic diagram of 3D crack initiation mechanical model

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Mode Ⅰ σ x
Mode Ⅲ

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σ
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z σ
σ x
x Composite mode
Mode Ⅱ

图 13 裂纹扩展模式及裂纹特征
Fig. 13 Crack propagation mode and crack characteristics
通过观察裂纹扩展形态得到模式Ⅰ、Ⅱ情况下，炮孔一侧沿裂纹扩展方向的距离明显小于垂直于裂
纹扩展方向上的距离，其裂纹横纵长度比约在 0.5 以下。而模式Ⅲ和复合模式情况下，沿裂纹扩展方向
上的距离明显大于垂直裂纹扩展方向上的距离。由于试验过程中装药的轴向长度大于径向长度，整体
药柱呈柱状。爆炸气体和能量释放主要向炮孔延伸方向传递，因此轴向上的能量释放率较高，应力水平
高于径向，导致裂纹优先在此方向扩展。另外，在炮孔边缘和爆破近区应力集中同样会引起裂纹沿轴向
扩展，如图 13 所示。试验结果说明装药结构以及药柱形态对介质断裂和裂纹扩展有一定影响。现场生
产过程中，可通过合理改变装药结构和药柱形态达到改变爆破效果的目的。

5 结 论

采用 DDNP 炸药为试验提供爆破荷载，利用 PMMA 材料的脆性和透明特性，进行了多段爆破动态
断裂损伤试验，探究了多段爆破作用下脆性材料的裂纹扩展特性，借助高速摄影技术捕捉爆破过程中三
维裂纹的扩展行为，结合扫描点云技术得到不同区域裂纹的三维形貌特征，得到的结论如下。
(1) 多段起爆下，爆炸冲击波在首爆孔周围形成密集径向初始裂纹，后续爆破荷载驱动裂纹逐步贯
通。爆生气体在孔底区域诱发轴向裂纹快速扩展，是非装药区域材料破坏的主导因素。

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