Page 25 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 姚术健，等： 等效模拟爆炸加载试验技术研究进展 第 4 期

实爆炸环境的特性方面存在局限，Skotak 等 [64] 筛选了 100 多篇冲击波相关的论文，发现超过 97% 的文献
报道了峰值超压这一参数。相比之下，持续时间（51%）、冲量（18%）和采样频率（46%）的报道较少，而超
压上升时间基本上被忽略了，仅占 2%。如果不仔细考虑所产生气体流动的特性，爆炸模拟器可能会产
生不正确、具有误导性的激波条件。而且，在高压气体驱动激波管的常见设计中出现的流动问题（图 5）
往往会引起各种流动异常 [65] ，这也会导致试件的加载和响应结果具有欺骗性。

C 1 S

R
1
2
Flow Stationary
1 C
2 separation R S r S 1
3
1
2
3a
Expanding R S r C S 1
1 turbulent
2 3c 3b backflow wake
Weak
1. Primary shock; 2. Recompression shock; S r C S 1
3. Corner reflection; 3a. Axis reflection
3b. Second wall reflection; M>1
3c. Second axis reflection.
(a) Transverse shock reflections (b) Separation of flow and the formation (c) Longitudinal wave anomalies
of turbulent boundary layer

图 5 高压气体气动激波管各种流动异常 [65]
Fig. 5 Various flow anomalies of high-pressure gas pneumatic shock tube [65]

气体驱动激波管系统以其安全性、可控性和可重复性等特点，被广泛应用于结构冲击动态响应领
域。加拿大渥太华大学的结构工程实验室配备的激波管系统 [66-67] ，其驱动段长度在 0.305～5.185 m 之间
可调节，扩张段由直径为 0.597 m 的圆形截面扩张到 2.032 m×2.032 m 的方形截面。当冲击波到达膨胀
段的后部时，通风口自动打开，将压力释放到大气中，从而产生负相位，并最大限度地减少管内发生的不
必要的第 3 次反射。美国内布拉斯加大学林肯分校拥有的方形激波管如图 6(a) [68] 所示，主要用于研究
爆炸荷载引起的脑部损伤。驱动器部分长 295 mm、直径 101 mm，过渡段的锥度为 5.9°，以减少边界层与
驱动段分离形成的湍流，驱动截面 230 mm×230 mm，长 6.2 m。使用氮气作为驱动气体，进行 3 组重复试
验，结果如图 6(b)～(c) [68] 所示，方管内不同测点位置的压力分布遵循 Friedlander 波形，当冲击波离开管
口后，峰值超压急剧下降。Leblancd 等 [69-72] 研制了一种圆锥形激波管，用来模拟一种平面水下冲击波的
扩散。通过该设备分别对玻璃纤维/环氧基树脂复合板、玻璃纤维/乙烯基酯复合板和玻璃纤维/乙烯基
酯弯曲复合板的冲击响应进行了研究，采用 LS-DYNA 软件进行了有限元仿真并与实验结果进行了对
比。Chennamsetty 等 [73] 使用美国罗德岛大学的激波管装置研究了 Hastelloy®X 板在正常和倾斜冲击载
荷 下 的 动 力 学 行 为 。 该 装 置 全 长 8 m ， 驱 动 部 分 内 含 高 压 氦 气 ； 从 动 部 分 为 渐 缩 段 ， 隔 膜 厚 度 为
0.254 mm。当气体压力差达到临界值时，膜片破裂，冲击波向下传播到从动部分，穿过管口作用于靶
板。周岳兰等 [39] 为准确模拟空中爆炸冲击波特点，对气体驱动激波管内压力脉冲演化特性进行了研究，
结合量纲分析，建立了形成模拟空中爆炸冲击波所需的最小低压段长度，以及所形成的激波峰值超压、
正压持续时间等特征参量与激波管内压力、长度等参数之间的关系。
为准确模拟爆炸冲击荷载，挪威科技大学的 Aune 等 [74-77] 设计了如图 7 所示的气体驱动激波管装
置。该装置能较好地模拟远场爆炸的正向脉冲的相关参数，但从图 7(d) 来看，并没有产生正确的负向冲
击或二次冲击。结合数值仿真与 DIC 技术，总结了铝板和钢板在爆炸荷载作用下的响应特性。德国弗
劳恩霍夫高速动力学研究所的 Stilz 等 [78] 也设计了与挪威科技大学类似的装置，通过调整激波管的初始
压力和高压段的长度来调节加载的冲击波强度，可精确再现爆炸波均匀且垂直作用于靶板表面的工

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