Page 59 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 周 鑫，等： 混凝土中柱形装药的爆炸破坏分区及应力波衰减规律 第 9 期

中的爆炸应力波传播规律的研究相对较少。与空气冲击波相比，混凝土类介质中的应力波传播与衰减
规律更为复杂，其与介质受力特征及介质状态密切相关 [15] 。炸药起爆之后，在混凝土介质中产生应力波
并向外传播。在传播过程中应力波不断衰减，由初始的强间断冲击波衰减为弹塑性波 [10] ，混凝土介质状
态也由高应力拟流体状态向低应力固体弹塑性状态转变 [12-13] 。然而，现有的混凝土中应力波衰减规律的
研究鲜有考虑介质受力特征和介质状态对应力波衰减特征的影响；此外，在建立爆炸应力波峰值的实用
化计算公式时，已有研究多采用单一衰减指数来统一描述拟流体状态和弹塑性状态的混凝土中的应力

波衰减规律，其合理性和准确性有待商榷，需进一步探究。
本文中基于已有的柱形装药接触爆炸试验 ，利用 LS-DYNA 有限元软件开展数值模拟研究，依据
[7]
爆炸应力波特征对柱形装药周围混凝土介质破坏分区进行划分，分析不同破坏分区中的爆炸应力波衰
减规律，并综合考虑柱形装药长径比、破坏分区（介质状态与受力特征）以及装药埋深对峰值应力的影
响，提出柱形装药法向峰值应力实用化计算公式。研究结果可为混凝土中爆炸应力波分析及防护工程
抗爆设计提供参考。

1 数值模型及验证

基于 Gebbeken 等 [7] 开展的混凝土靶板接触爆炸试验，采用 LS-DYNA 软件建立精细化数值模型，并
对数值模拟方法和材料模型参数进行验证。

1.1 有限元模型
试验工况如图 1 所示，方形混凝土靶板边长为 100 cm，高度为 30 cm，混凝土水灰比为 0.45，单轴抗

3
压强度为 51.2 MPa，密度为 2.35 g/cm ；靶板内部共布置 6 个压力传感器，传感器分 3 层布置，同一层传感
器间隔 80 mm，上下层间隔 20 mm，首层传感器距靶体上表面 40 mm。圆柱形 PETN 炸药直径与高度均
为 75 mm，装药质量为 500 g，起爆点位于装药尾部中心正下方 10 mm 处。

75

PETN
75
PETN
40
Gauge 1 Gauge 4
20
300 Concrete plate 20 Gauge 3 Gauge 6
Gauge 2 Gauge 5
80

1 000 Concrete plate

图 1 试验布置（单位：mm）
Fig. 1 Schematic diagram of the experiment (unit: mm)

考虑到模型具有较好的对称性，为提高计算效率，采用二维轴对称方法建立有限元模型，模型尺寸
与试验一致，如图 2 所示。混凝土靶底面和侧面采用自由边界，空气域上表面和侧面采用透射边界。采
用多物质 ALE 算法（MMALE）进行数值模拟，其中炸药、空气和混凝土均采用 ALE 网格；相较于 Lagrange

算法和 Euler 算法，该方法既可以避免网格畸变问题，又可以较好地追踪物质界面，已广泛应用于侵彻爆
炸等问题的数值模拟 [16-19] 。

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