Page 70 - 《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

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Material location
Inner shell

TNT

PBX
Detonator
Outer shell
x

图 3 空心炸药驱动柱壳计算模型
Fig. 3 Calculation model of cylindrical shell driving by hollow explosive

3 实验结果和数值模拟对比分析

3.1 激光测速结果及分析

A～D 区 4 种（不同直径光斑、不同布局角度）测速探头在单、双层柱壳膨胀断裂实验中的测速曲线
如图 4 所示。在同一高度上（与起爆点的轴向距离为 102 mm）的测速探头测得的速度曲线基本重合，同
一类测速探头之间的分叉隐含了柱壳的膨胀断裂过程，携带了柱壳破裂时刻及破片尺寸等信息 [22] ，可以
与高速摄影图像联合解读分析。由图 4 可知，对于 A～D 区 4 种类型或布局的测试探头，双层柱壳速度
分叉时间较单层柱壳晚 2～3 μs，表明双层柱壳的破裂时间晚于单层柱壳。
针对单、双层柱壳膨胀速度曲线的差异，以 B3 测速探头为例进行分析。如图 5 所示，单、双层柱壳
的自由面速度曲线具有明显的回跳现象，其中实验和计算速度曲线中自由面速度最大值与第 1 次反弹
时自由面速度最小值之差 Δu 代表典型的层裂特征。单层柱壳在靠近外表面约 2/5 处产生层裂，持续时
间为 1.18 μs（17.51～18.69 μs）。单层柱壳剩余主体经过 1.89 μs 后（19.67～21.56 μs）迅速追上外层层裂柱
壳并产生二次冲击加载，双层柱壳的内、外层柱壳之间因无法承受拉应力而迅速分离，外层柱壳自由径
向膨胀，内层柱壳则继续在爆轰加载下响应，经过 26.13 μs（18.86～44.99 μs）的径向膨胀后，内层柱壳追
上外层柱壳并进行二次加载。单、双层柱壳膨胀实验中二次加载时间的差异显著。
图 5 给出了单、双层柱壳外壳距起爆端 102 mm 处的测速曲线，其中，计算结果为起爆 15 μs 到达
G20 点，15.57 μs 到达 G21 点（考虑到雷管作用时间和传爆药传播时间导致的速度起跳差，将 G21 点计算
结果顺延 1.59 μs 与实验结果对应，即计算结果 15.57 μs 对应实验结果 17.16 μs）。计算和实验结果对比
显示，单层柱壳的速度曲线在 17～28 μs 内吻合较好，双层柱壳在 17～45 μs 内吻合较好。后期计算结果
与实验结果的差异可能由 3 个因素引起。
(1) 目前炸药 JWL 状态方程的 CJ 等熵线方程含有 3 项： Ae −R 1 v 、Be −R 2 v 和Cv −(ω+1) ，它们依次在高、中、
低的压力范围内起主要作用。常用软件中的 JWL 状态方程常常省略第 3 项的相关参数 C 的输入，这虽
然对于中、高压段的炸药驱动做功模拟能够获得足够高的精度，但针对本实验，由于炸药为空心结构，引
爆炸药 TNT 的爆轰产物做功在低压段会经历足够长的加载时间，因此低压段对柱壳的驱动加速不可忽
略，它将影响爆轰产物对柱壳后期的缓慢加载过程：补充炸药低压段能量，内层柱壳飞行速度将会提高，
更容易追上外层柱壳，产生二次加载。为提高模拟的准确性，需对 JWL 状态方程进行修改，并嵌入商用
程序或自编程序。
(2) 在建模时忽略了 2 个因素：一是起爆端压盖对该部位爆轰产物的弱约束，造成爆轰产物压力衰
减过快，二是装置底座对爆轰产物的反射作用，爆轰产物在 25 μs 到达底座，在底座的弱约束下反射回
来，将会增加驱动内层柱壳中间段的加载压力，提高内层柱壳速度，缩短内层柱壳追上外层柱壳的时间。
(3) 由于柱壳底部嵌入装置底座约 1 cm，外柱壳底端的膨胀受到限制，并进一步影响外壳其余部位

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