Page 68 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 张世文，等： 空心炸药爆炸加载下单双层金属柱壳的膨胀断裂行为 第 9 期

from the inside to the outside, and delays the crack penetration until the complete fracture of the whole cylindrical shell. In
contrast to the widely investigated fracture behavior in a single-layer cylindrical shell, the detonation product leakage time is
delayed when the outer layer of the double-layer cylindrical shell expands. The fragment size of a double-layer shell is
obviously smaller than that of a single-layer shell. The distribution of the overflowing detonation product is relatively scattered
and rare, and the overall crack of the outer cylindrical shell is clearly visible. The results of SPH (smoothed particle
hydrodynamics) numerical simulations demonstrate that under certain conditions, the lower the spallation strength in single-
layer cylindrical shells, the later the residual fragments catch up with the spalled layer during secondary loading, the less likely
the occurrence of penetration fracture. Meanwhile, the interfacial gaps in double-layer cylindrical shells significantly inhibit the
penetration and propagation of cracks.
Keywords: impact dynamics; Doppler pins system array; high-speed photography; expansion fracture; double-layer shell;
smoothed particle hydrodynamics

爆炸加载下金属柱壳的膨胀断裂现象得到了大量研究，其中对柱壳膨胀断裂模式（拉伸断裂、纯剪
切断裂和拉剪混合型断裂等） [1-5] 、裂纹起始位置 [6-8] 、扩展路径 [8-10] 等方面的研究较多。不同断裂模式的
发展进程不同，进而影响柱壳的破裂时间，宏观上表现为爆轰产物从柱壳中泄漏的时间不同。根据柱壳
沿壁厚方向的裂纹起始位置和发展过程，徐皇兵 [11] 研究了双层、三层柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂过
程，通过人为设置分层界面进行阻断，延缓了柱壳整体的断裂过程，实验表明：在相同情况下，双层管的
破裂时间晚于单层圆管，但界面数量并非越多越好。研究人员还研究了不同装药模式对柱壳膨胀断裂
的影响。根据 gurney 理论，炸药与柱壳的质量比可以近似决定柱壳的终速度。在炸药种类或柱壳内径
确定的情况下，为降低柱壳的最终速度，人们常采用空心炸药开展柱壳膨胀断裂实验。这类实验与实心
[3]
[12]
炸药爆轰加载实验均属于传统爆轰加载下柱壳膨胀断裂研究范畴，如汤铁钢等 、禹富有等 、潘顺吉等 [13]
开展的空心炸药爆轰加载实验。柱壳膨胀断裂的影响因素主要为柱壳速度对应的应变率大小。然而，
空心炸药加载与实心炸药加载明显不同的是，两者的爆轰加载波形（包括爆轰波幅值和脉宽）差异较大，
仅通过高速摄影获取柱壳外表面膨胀断裂的分幅图像，无法推断内部柱壳膨胀断裂的演化过程及机理，
也不利于从结构设计上延缓柱壳膨胀断裂的进程。大量实验结果表明，空心炸药由于内壁为自由面反
射，压力更容易卸载到零，爆轰加载的卸载率更大，柱壳更容易产生层裂，层裂与断裂的耦合增加了柱壳
膨胀断裂过程的复杂性。
针对单点起爆实心炸药滑移爆轰加载下柱壳的膨胀断裂过程，研究人员获得了较多的高速摄影图
像或激光测速曲线。例如：汤铁钢等 [4,12] 、金山等 [7,14-15] 通过高速摄影技术获得了较清晰的图像，其幅间
距低至 0.5 μs；中物院流物所近十年针对柱壳膨胀断裂的研究，更多地同时采用了高速摄影和测速技术
获取柱壳的测速曲线 [16-17] ，在分析过程中，更多关注柱壳速度和位移大小，与柱壳断裂过程的关联研究相
对较少。2016 年以后，由于多普勒光纤探针系统（DPS，Doppler pins system）阵列通过多点测速的速度分
叉，可判断柱壳的破裂时刻 [18] ，为此张世文等 [19] 通过柱壳不同角度速度细微差异，研究了装配垫片对柱
壳膨胀断裂的影响，并与高速摄影结果进行了对比分析。目前，空心炸药加载下柱壳膨胀实验的观测方
法以高速摄影居多，关于速度测试结果的公开报道很少，缺乏对空心与实心炸药加载下柱壳膨胀断裂曲
线差异的系统研究。如何通过对测速曲线差异的解读，分析柱壳膨胀断裂进程，值得进一步研究。
因此，本研究采用不同直径光斑、不同角度间隔布置的 DPS 测速阵列以及高速摄影技术，开展爆轰
实验，获得空心装药爆轰加载对单、双层柱壳膨胀断裂的影响速度曲线，结合高速摄影动态演化图像分
析柱壳断裂的主要影响因素，深入对比单、双层柱壳在空心炸药加载下膨胀断裂影响因素的差异。

1 实验装置和测试布局

实验装置如图 1 所示，其中：单、双层柱壳材料均为 45 钢；单层柱壳的内、外径分别为 90、100 mm，
壁厚为 5 mm，高度为 210 mm；双层柱壳中，内层柱壳的内、外径分别为 90、 97.5 mm，壁厚为 3.75 mm，外

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