Page 176 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 李 展，等： 甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅰ：几何形式与结构设计 第 11 期

agreement with the testing data. Taking the errors of overpressure peak value and arrival time as indicators, the quantitative
evaluation of overpressure load uniformity on the loading area is achieved. Considering the balance between technical and
economic factors, the developed blast wave simulator is designed with a symmetrically configured expansion section 3 m in
length. The length of the conditioning section can be extended as much as the actual investment allows. Based on the numerical
results, the wall thickness of both the expansion and conditioning sections is determined to be 30 mm. The height and spacing
of the stiffeners are both recommended to be 150 mm. The results of validation tests confirm that the geometric and structural
design meets the requirements of blast loads and structural resistance, and the developed simulator is suitable for component-
level tests.
Keywords: blast wave simulator; expansion section; conditioning section; LS-DYNA; structural design

原型与大比例尺试验是研究工程结构与构件抗爆性能的重要手段 [1-3] 。实验室条件下，常以高压气
体、炸药或可燃气体爆轰等为驱动，利用爆炸荷载模拟装置实现对试件的平面波加载。为适应原型或大
比例尺结构/构件的试验需求，该类装置需具备足够大的加载面积；同时，出于安全、可控与操作便利的
考虑，又要求其驱动段截面尽可能小。因此，如何设计扩大段（截面由驱动段尺寸扩大到加载面尺寸的
过渡段）和整形段（截面恒定、使冲击波阵面趋于平整的等截面段）这一变截面结构并确保装置自身具备
良好的抗爆性能，是爆炸荷载模拟装置研制的核心技术问题。
为实现不同驱动形式下爆炸荷载的模拟，变截面结构的使用和几何设计备受关注。对于扩大段，多
依据驱动段尺寸和试验对象需要的加载面尺寸，通过数值计算确定其长度或出口角度。Ahmed 等 [4] 基
于 ANSYS Fluent 建立了三维数值模型，分析了扩大段长度（4～6 m）对超压峰值、冲量及正压作用时间
的影响，并实际建设了 4、7 和 7 m 三节扩大段，成功将加载面直径从 1.40 m 逐级增大至 4.24 m。张坤玉等 [5]
借助 ANSYS/LS-DYNA 研究了扩大段角度对加载面超压分布的影响，并提出了相应的设计建议。基于
ANSYS Fluent，郭丁等 研究了氢氧爆轰驱动下大型激波管变截面出口角度对冲击波参数的影响。
[6]
在扩大段实现尺寸过渡的基础上，必要时需增设整形段并通过其长度变化进一步调整爆炸荷载。
Gan 等 [7-9] 利用 ANSYS Fluent 对乙炔-氧气爆轰过程进行了数值模拟，分析了整形段长度对超压峰值、冲
量与持续时间的影响。刘瑞朝等 [10-11] 通过数值模拟确定了 TNT 爆炸驱动的等截面爆炸荷载模拟装置出
口段的最优长度。美国陆军工程兵团工程研究与发展中心 [12-13] 通过扩大段和整形段的分段、串联和组
合，实现了加载面从圆形向方形的过渡以及爆炸荷载的灵活调控。也有学者关注了驱动段截面形状对
加载面爆炸荷载的影响。程帅等 [14] 通过数值计算研究了变截面驱动段内的流场特性，提出了通过驱动
段构型控制冲击波超压衰减历程的方法。张仕忠等 [15] 通过数值计算开发出了结合锥形驱动截面与氢氧
爆轰技术的近场爆炸冲击波模拟装置。可以发现，当前研究者多采用数值计算与试验相结合的方式，确
定变截面结构的设计方案。需要注意的是，已有研究多关注爆炸荷载峰值、冲量、持时等指标，对爆炸
荷载在加载面上的分布关注相对不足。同时，如何发展更安全、经济的新型驱动技术并建立系统的定量
设计方法，实现多种荷载的模拟，一直以来是爆炸荷载模拟装置研发面临的挑战。
针对以上现状，本文拟研发一种甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置，探索可能的驱动技术和
装置设计方法，主要开展装置扩大段和整形段的几何与结构设计。基于已有试验装置 [16-17] 、大尺寸激波
管试验数据和 LS-DYNA 软件，建立并验证爆炸荷载模拟装置内爆炸波传播的数值计算模型，提出加载
面处超压荷载均匀性的定量评估方法，分析扩大段形状、长度及整形段长度等关键参数对加载面超压分
布均匀性的影响，确定扩大段和整形段的最优几何构型，开展设计方案的验证试验。

1 爆炸荷载模拟装置内爆炸波传播的数值模拟

1.1 爆炸荷载模拟装置简介

Gan 等 [7] 研制了一种可实现压缩气体与气体爆轰双模驱动的试验装置，如图 1 [7] 所示。该装置由
驱动段、被驱动段和扩散室 3 部分组成，其中被驱动段进一步划分为过渡段 1、过渡段 2 和试验段。

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