Page 74 - 《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

裂时，其破片尺寸明显小于单层柱壳破裂尺寸。对图 7 指定高度位置（即 DPS 阵列对应高度）的破片宽
度进行统计，结果显示，在 37 μs 时，单、双层柱壳的破片数分别为 24、32（包含即将形成的破片），双层柱
壳形成的破片宽度小于单层柱壳。
单、双层柱壳在起爆 35 μs 后的飞行姿态如图 8 所示。单层柱壳未完全层裂时，其剩余残片在不到
2 μs 迅速追上层裂片。双层柱壳由于内、外层柱壳无法承受拉应力，在爆轰加载下迅速分离，且两层之
间的间隙远大于单层柱壳因未完全层裂产生的距离。两者状态的不同进一步影响柱壳膨胀断裂进程。
针对双层柱壳，外层柱壳与内层柱壳长时间分离，一是可以阻断裂纹沿着与厚度方向呈 0°（拉伸断裂）或
45°（剪切断裂）扩展，二是当爆轰产物从内层柱壳溢出后，在内外层之间的空腔内逐渐弥散，产物喷射速
度大幅度下降，对外层柱壳内界面的冲击下降，降低外层柱壳内界面裂纹的萌芽和起始时间，外层柱
壳可在无内压或少量爆轰产物的冲击下自由膨胀，损伤成核点较为分散和均匀，可充分发挥材料延展性好
的优势。针对单层柱壳，裂纹的扩展可以跨过内界面附近产生的损伤、界面加工缺陷产生的损伤，甚至
还能穿越已经处于疏松状态的损伤区 。特别地，当爆轰产物从内界面侵入单层柱壳基体后，裂纹两侧
[3]
受到挤入爆轰产物向两边扩张的压力作用，进一步提高了裂尖应力集中程度，加快了裂纹的扩展速度，
使得单层柱壳更容易产生贯穿性断裂。单、双层柱壳裂纹扩展对破片尺寸的影响如图 9 所示：单层柱壳
已经充分扩展的裂纹抑制了旁侧裂纹的扩展；双层柱壳的外柱壳主要表现为自由径向膨胀，受内层柱壳
裂纹扩展的影响较少，其破片宽度与应变率及柱壳膨胀量有关。单层柱壳仅有部分裂纹扩展至外层，另
一部分裂纹的发展被抑制，导致单层柱壳的破片宽度大于双层柱壳、破片数目相对较少的实验现象。

Density/(g·cm ) G19
−3
7.86 G20 G21 G22 G23
7.15
G6 G7
6.41 G8
G9
5.67 G10
4.93 G11
G12
4.19 G13 G14 G15 G16

3.45 G17 G18 G19 G20 G21 G22 G23
2.71
1.98

(a) Single-layer shell
Density/(g·cm )
−3
7.87
7.31 G6 G7 G8
6.76 G9 G10
6.20 G11 G12
5.64 G13 G14 G15 G16
5.08 G17 G18 G19 G20
4.52 G21 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G28
3.97
3.41
2.85
2.29
(b) Double-layer shell

图 8 单、双层柱壳在起爆 35 μs 后的飞行姿态
Fig. 8 Flight attitudes of single- and double-layer cylindrical shells at 35 μs after detonation

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