水下冲击伤的特点及研究
综述与讲座
水下冲击伤的特点及研究进展
黄建松
(海军医学研究所,上海 200433)
[关键词] 冲击波;冲击伤;爆炸;防护;生物效应
[中图分类号] R846.2 [文献标识码] A [文章编号] 1009-0754(2004)02-0168-03
水雷、鱼雷、深水炸弹、航弹和导弹等武器在水
中爆炸的瞬间释放出巨大的能量,形成过热和高压
气泡,在周围水域产生强烈的冲击波。水下人员或
动物受此冲击波引起的各类损伤统称为水下冲击
伤。水下冲击伤为岛礁登陆作战时最常见的损伤之
一,第二次世界大战中就出现过数千例水下冲击伤
伤员1,2。
1 水下冲击波的特点
水的密度为空气的800倍,并具有相对的不可
压缩性,与空气冲击波相比,水下冲击波具有传播速
度快、传播距离远及无典型的压缩区和稀疏区等特
点,所以其致伤机制和损伤特点不同于空气冲击
波1,2。脉动冲击波传递到海底被反射或吸收的比
例因海底的性质不同而不同,如硬质海底小部分吸
收、大部分反射。一般说来,冲击波的压力可能与距
离成反比,与装药量的3次方根成正比。如密度为
1.6的TN T球形炸药在水中形成的冲击波超压P
可按库尔(COL E)经验公式(1)计算3:
P=533(3
Q
R
)1.13 (1)
…………………………
式中,P为冲击波超压(kg/cm2);Q为装药量(kg);R 为距离爆心位移(m)。
冲击波主要通过超压和动压造成人体损伤,它的负压也有一定致伤作用,如引起含气器官的扩张、组织过度机械性拉伸等4。当冲击波传至水底或其他刚性障碍物表面时会引起反射,加强冲击波效应;当水中冲击波传至水与空气的界面时,会在水中形成拉伸波,削减入射波的作用5。水下冲击波的物理参数表现为峰值压力高、持续时间短、前沿上升极快的特点6。2 水下冲击伤的研究方法
水下冲击损伤研究的最大困难是不能对活人进行有损伤性的实验研究,因此,目前世界各国都是采用动物试验来研究冲击伤,并将试验数据过渡到人体。在试验中多采用以下2种方法:①研制一种特制的冲击波发生器,即激波管,利用激波管产生的冲击波进行冲击伤实验研究5。②采用现场水下爆炸动物实验法,将实验动物静脉麻醉后,将动物颈部固定于距爆心一定距离的漂浮夹具,头露出水面,胸腹部及四肢垂直于水面并浸没于水中7。
实验动物有犬、大白鼠、家兔和羊等,大多数爆炸实验选用成年雄犬作研究对象。观察指标和方法有动物存活情况统计、大体解剖、光镜、电镜观察等。3 水下冲击伤的伤情特点与肺损伤机理
3.1 伤情特点
近年来,第三军医大学野战外科研究所在水下爆炸方面做了大量实验研究。研究结果和临床资料显示,肺是最易发生冲击损伤的器官,高强度冲击波直接作用于胸部造成严重的原发性损伤8。文献1,2表明,犬水下冲击伤主要表现为明显的肺出血,在光镜下观察,发现肺泡腔内充满大量血液及血浆,肺内多数血管充/淤血明显。统计表明,肺出血发生率为75%,肺水肿发生率为45%。病变程度与动物所承受的超压大小及距爆心的距离有密切关系,超压越大损伤越重;相同爆炸剂量时,距爆心越近损伤越重。
综合多个文献报道2,5,7～9,水下冲击伤的临床病理特点是:①死亡率高。由于冲击波在水中传播速度快、范围广,因此同质量炸药在水下爆炸是自由场空气冲击波损伤和致死范围的3倍10;②极少
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发生体表外伤。因为人员在水下通常不会碰撞到坚硬物体而发生损伤。③含气脏器损伤严重。由于肺组织中含有大量气体,极易发生损伤;肺损伤的发生率为84%,是动物早期死亡的主要原因。④腹部损伤发生率高且损伤严重。水下或俯卧于水面的人员,腹部与水直接接触,极易发生损伤。如消化道出血与穿孔等,这可能与水下冲击波的反射波和拉伸波有关。⑤实质和含液体脏器损伤发生率低且损伤较轻,如胆囊、膀胱、肾盂等损伤较少。⑥头部损伤多但较轻。可能与发生水下爆炸时多数人员的头部在水面以上有关。
一般情况下,水下冲击波只对暴露于水中的部位造成损伤,如果人员仅仅是腰以下部位浸没于水中,则其损伤部位仅局限于下半身,如出现肠损伤,而肺损伤可能不明显或不发生9。
3.2 肺损伤机理
肺是水下冲击波致伤和致死的“靶器官”。关于水下冲击波致肺损伤的机理,可用血液动力的变化、内爆效应、碎裂效应、惯性作用、肺内液相与气相压力差等方面的理论进行解释,但肺致伤的最基本机理是,当冲击波直接作用于机体时,体内的液体成分基本上不会被压缩,而气体成分却被大大压缩,由于胸腔内气体容积急剧减小,使局部的压力数十倍至数百倍地增大,超压作用后紧接着负压作用,受压缩的气泡又急剧膨胀,撕裂了气泡周围的毛细血管或微静脉,变成新的“爆炸源”,呈放射状向周围传播能量,从而使附近组织发生损伤,如导致肺泡壁、肺毛细血管撕裂、出血等5,6。
4 水下冲击伤的安全标准与防治
4.1 安全标准
人所能承受的冲击波是有一定限度的,这与人对冲击波的相对方位(站、坐、卧、面向、侧向、背向波平面)以及冲击波阵面的特征参数(峰值压力、峰值上升时间、压力持续时间)有关。文献3中水下爆炸冲击波作用于人体而不受伤的安全标准,用最小安全距离R表示,由公式(2)计算。
R≥731K1K23Q (2)
…………………………
式中,Q为炸药量(kg);K1为爆破方法修正系数,水中爆炸时K1=1;K2为河流弯通修正系数(α≥135°时K2=1,α≥90°时K2=0.88,α≥45°时K2=0.79,α<135°时K2= 0.83)
文献11报告,狗发生轻度肺损伤(斑块状出血)的压力为0.85～1.13kg/cm2,较严重损伤(小片状出血)时压力为1.41～2.11kg/cm2。推算到人,造成肺损伤的压力阈值为1.06kg/cm2(作用时间2 ms)。综合有关因素,水下人员的安全标准超压值为0.3kg/cm2或冲量小于0.14kg/(ms?cm2),人员致死的压力峰值为17.6kg/cm2。以此为依据,绘出了不同重量炸药爆炸时水下人员致死的距离曲线5。
4.2 水下冲击伤的防治
由于水下冲击波所致肺损伤最严重,是导致伤员早期死亡的主要原因,肠道损伤的发生率也较高,因此,在防护方面不仅应注意胸部防护,还应兼顾腹部防护。当可能遭受水下爆炸性武器袭击时,应尽快从深水区转移到浅水区,并将头和身体露出水面,从而减少水中拉伸波对胸腹部和头部的损伤1,7。
冲击波防护服的目的是在人体和冲击波之间设置一个介质层,用以抵挡和削弱冲击波对人体的直接作用。20世纪70年代采用石膏和塑料制品作胸部冲击波防护,但实际应用困难;80年代用泡沫塑料制防震服,但对强冲击波防护效果不佳; PHILL IPS等将Kevlar防弹背心用于冲击波防护,结果不仅不起防护作用,反而加重肺冲击伤12～14。因此,对强冲击波的个人防护至今仍是国内外未能解决的一个问题。
近年来,有人研究多孔介质发泡镍对肺冲击伤的防护效果和防护机理,结果表明12,13,经发泡镍防护的动物肺损伤程度较轻,多数为轻度和中度肺出血,未经防护的对照组动物肺损伤程度严重,表现为重度和极重度肺出血,并伴有肺水肿。可见,发泡镍可明显降低冲击波压力峰值,延长正压上升时间及缩短正压作用时间等,可以作为一种有效的防护材料,用于制作冲击防护装备。
在水下冲击伤伤员急救中,应保持伤员气道通畅、止血、给氧、骨折固定等;对有肺冲击伤表现的伤员应避免激烈运动,在转运中,应按需补液。高压氧治疗可能对肺冲击伤具有一定的效果14。
有人用大剂量地塞米松来治疗犬严重冲击伤。结果表明,大剂量地塞米松能通过稳定动物伤后血流动力学指标,减轻肺水肿程度等,对严重肺冲击伤有较好的治疗作用8。
5 水下冲击伤的研究趋势
上个世纪初,国外就有关于冲击伤的动物实验报告,我国在1964年爆炸了第1颗原子弹后才重视对冲击伤的研究。随着各式武器的推陈出新,冲击
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第2期 黄建松 水下冲击伤的特点及研究进展
伤的类型也不断增加,冲击伤同其他杀伤因素(如放射线、热辐射、机械力等)同时或相继作用于人体而造成的损伤,称为复合冲击伤,如放射性复合伤,烧冲复合伤、机械创伤复合冲击伤5等。
目前虽然在冲击损伤机理、生物力学响应、人的耐受性及人体防护研究等方面取得了重要成果,积累了一定的数据和经验,但在这些特定领域中都需要进一步深入研究,如头部损伤机制、关节的响应、身体各部分对冲击的耐受性水平的定量化、更加拟人的假人以及计算机模型的研制等等15。
冲击损伤力学是研究冲击过程中人体组织或器官损伤机理及其防护的一门交叉科学,常用的研究途径有事故调查、临床研究、志愿者实验、尸体实验、假人实验、动物实验、数学模型等。因为动物体的质量分布、形态特征、组织器官的生物力学特性与人体相比具有较大的差异,以及由于测试条件和测试技术的不同,得到的数据差异性较大,使得动物实验的定量结果难以推算到人体。因此,冲击损伤生物力学研究要利用多种途径进行综合研究才能得出适用于人的可靠结论15,16。
[参考文献]
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3 王中黔.关于水下爆破人身安全距离的探讨J.爆炸与冲击, 1982,2(1):109-115.
4 张均奎,王正国,冷华光,等.冲击波负压与肺损伤J.爆炸与冲击,1994,14(1):84-87.
5 王正国.冲击伤M.北京:人民军医出版社,1983.77-87. 6 李 铮.空气冲击波作用下人的安全距离J.爆炸与冲击, 1990,10(2):135-144.
7 杨志焕,朱佩芳,蒋建新,等.水下冲击伤损伤的特点的初步探讨J.中华创伤杂志,2003,19(2):111-114.
8 单佑安,蒋建新,杨志焕,等.大剂量地塞米松对犬严重肺冲击伤的治疗作用J.第三军医大学学报,2003,25(11):935-937.
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12 杨志焕,张均奎,王正国,等.复合材料对冲击伤防护效应的实验研究J.西南国防医药,1994,4(3):129-130.
13 李晓炎,杨志焕,王正国,等.发泡镍对肺冲击伤的防护效果及其机理研究J.西南国防医药,1995,5(6):333-334. 14 赵 敏.冲击伤J.解放军医学情报,1990,4(5):266-268.
15 刘炳坤.冲击损伤生物力学研究进展J.航天医学与医学工程,1999,12(1):62-65.
16 ALBERT I K.Progress of research on impact biomechanicsJ.
J of Bio Eng,1993,115(4B):582-587.
(收稿日期:2003-12-15)
(本文编辑:施 莼)
贫铀弹的危害及其防护
刘 琼,王海军(综述),范正平(审校)
(海军医学研究所,上海 200433)
[摘要] 贫铀弹是一种新武器,其爆炸后所弥散的贫铀将长时间影响人类的生存环境,对人体产生慢性伤害。为了了解贫铀弹,本文就其特性、危害及防护作一些简要综述。
[关键词] 贫铀;贫铀弹;危害;防护
[中图分类号] R818.73 [文献标识码] A [文章编号] 1009-0754(2004)02-0170-04
贫铀弹作为一种新式武器,不仅在战时增强了破坏力,而且战后对环境和人的健康也造成了长期危害,已经引起了世人的广泛关注。研究贫铀弹对健康的危害,对于应用和处置贫铀、防范贫铀事件的发生具有重要意义。目前,关于贫铀弹的研究已大量展开,并取得了初步成果。
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爆轰波与水下冲击波连续测量方法
爆轰波与水下冲击波连续测量方法 爆轰是十分复杂的化学、物理和力学过程,爆轰过程的高速、高压、高温给爆轰参数的测量带来困难,尤其水中爆炸时引起的物理现象更是复杂且难以准确定量描述的,所以实验和测量技术在爆轰物理研究中的重要作用是显而易见的。连续测量方法有着其独特的优越性,在爆轰波与水下冲击波速度的连续测量中有着非常好的应用前景。本文以现有的爆轰波连续测量方法为基础,研究了测量爆轰波与水下冲击波速度的连续压导探针,这种连续压导探针实现了在一次实验中就可以连续测量爆轰波与水下冲击波的传播过程,而且克服了其它连续测量探针的一些缺点。主要研究内容如下：1、根据现有的爆速连续测量方法,基于HanditrapⅡ连续爆速记录仪,研制一种连续压导探针可以在一次实验中实现同时测量爆轰波与水下冲击波的传播速度,并且阐述了这种探针的工作原理。 该方法不仅可以测量任意位置处爆速和水下冲击波速度,还可以扩展成炸药爆压测量的方法。2、炸药水中爆炸时,根据两种介质波阻抗的特点,会在炸药中反射冲击波或者稀疏波,而在水中必然形成冲击波。在C-J模型下,根据爆轰波与介质相互作用关系,推导出计算炸药爆压和介质中初始参数的冲击波反射公式与等熵加卸载公式,并与水箱法与JWL状态方程对比。3、选用黑索金与工业铵油炸药进行水下实验,对连续压导探针的可行性进行了初步探索；利用工程方法估算炸药的爆速,分析实验结果,对实测的炸药爆轰速度与计算值和文献记载数据进行对比分析,对连续压导探针的可信性进行了验证。 4、随着计算机技术的发展,数值计算成为了探讨和解决现实中各种复杂问题的重要途径,本文选用AUTODYN对黑索金和工业铵油炸药水下爆炸实验进行数值模拟,并与实验数据对比分析。对水下冲击波的衰减与传播规律进行了初步探索。
水下冲击伤的特点及研究
综述与讲座 水下冲击伤的特点及研究进展 黄建松 (海军医学研究所,上海 200433) [关键词] 冲击波;冲击伤;爆炸;防护;生物效应 [中图分类号] R846.2 [文献标识码] A [文章编号] 1009-0754(2004)02-0168-03 水雷、鱼雷、深水炸弹、航弹和导弹等武器在水 中爆炸的瞬间释放出巨大的能量,形成过热和高压 气泡,在周围水域产生强烈的冲击波。水下人员或 动物受此冲击波引起的各类损伤统称为水下冲击 伤。水下冲击伤为岛礁登陆作战时最常见的损伤之 一,第二次世界大战中就出现过数千例水下冲击伤 伤员1,2。 1 水下冲击波的特点 水的密度为空气的800倍,并具有相对的不可 压缩性,与空气冲击波相比,水下冲击波具有传播速 度快、传播距离远及无典型的压缩区和稀疏区等特 点,所以其致伤机制和损伤特点不同于空气冲击 波1,2。脉动冲击波传递到海底被反射或吸收的比 例因海底的性质不同而不同,如硬质海底小部分吸 收、大部分反射。一般说来,冲击波的压力可能与距 离成反比,与装药量的3次方根成正比。如密度为 1.6的TN T球形炸药在水中形成的冲击波超压P 可按库尔(COL E)经验公式(1)计算3: P=533(3 Q R )1.13 (1) ………………………… 式中,P为冲击波超压(kg/cm2);Q为装药量(kg);R 为距离爆心位移(m)。 冲击波主要通过超压和动压造成人体损伤,它的负压也有一定致伤作用,如引起含气器官的扩张、组织过度机械性拉伸等4。当冲击波传至水底或其他刚性障碍物表面时会引起反射,加强冲击波效应;当水中冲击波传至水与空气的界面时,会在水中形成拉伸波,削减入射波的作用5。水下冲击波的物理参数表现为峰值压力高、持续时间短、前沿上升极快的特点6。2 水下冲击伤的研究方法 水下冲击损伤研究的最大困难是不能对活人进行有损伤性的实验研究,因此,目前世界各国都是采用动物试验来研究冲击伤,并将试验数据过渡到人体。在试验中多采用以下2种方法:①研制一种特制的冲击波发生器,即激波管,利用激波管产生的冲击波进行冲击伤实验研究5。②采用现场水下爆炸动物实验法,将实验动物静脉麻醉后,将动物颈部固定于距爆心一定距离的漂浮夹具,头露出水面,胸腹部及四肢垂直于水面并浸没于水中7。 实验动物有犬、大白鼠、家兔和羊等,大多数爆炸实验选用成年雄犬作研究对象。观察指标和方法有动物存活情况统计、大体解剖、光镜、电镜观察等。3 水下冲击伤的伤情特点与肺损伤机理 3.1 伤情特点 近年来,第三军医大学野战外科研究所在水下爆炸方面做了大量实验研究。研究结果和临床资料显示,肺是最易发生冲击损伤的器官,高强度冲击波直接作用于胸部造成严重的原发性损伤8。文献1,2表明,犬水下冲击伤主要表现为明显的肺出血,在光镜下观察,发现肺泡腔内充满大量血液及血浆,肺内多数血管充/淤血明显。统计表明,肺出血发生率为75%,肺水肿发生率为45%。病变程度与动物所承受的超压大小及距爆心的距离有密切关系,超压越大损伤越重;相同爆炸剂量时,距爆心越近损伤越重。 综合多个文献报道2,5,7～9,水下冲击伤的临床病理特点是:①死亡率高。由于冲击波在水中传播速度快、范围广,因此同质量炸药在水下爆炸是自由场空气冲击波损伤和致死范围的3倍10;②极少 ? 8 6 1 ?海军医学杂志2004年6月第25卷第2期 Journal of Navy Medicine2004J un.Vol.25,No.2
水下爆炸冲击波的传播特性试验研究
水下爆炸冲击波的传播特性试验研究 水下爆炸对构筑物的破坏主要表现为冲击波和气泡脉动效应。一般而言,气泡脉动通常起附加破坏作用,而冲击波起决定性作用。水下爆炸冲击波的传播规律及其动力效应是水利水电工程、航运工程和爆破工程等领域关注的一个重要问题,直接关系到水下设施的安全和容器状构筑物爆破拆除参数的合理选取,因而具有重要的工程价值和理论意义。本文以水下爆炸冲击波效应为研究契机,在有限的钢板水箱水域内开展了水冲击波试验研究。 首先,通过现场试爆及其现象分析,得出了药包布置原则；其次,利用高速摄影技术再现了水下爆炸冲击波波阵面的动态传播过程,并得出波阵面传播速度及其传播规律；根据水冲击波波阵面传播速度,得出不同距离处的峰值压力,并对水冲击波峰值压力、传播距离及药量关系进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波压力计算经验公式。最后,选取水压爆破拆除工程实例,对试验结果进行验证,说明了药包布置原则的合理性、实用性。主要得出以下结论：(1)利用高速摄影技术来观测水下爆炸冲击波的传播过程及测试其峰值压力是切实可行的；(2)试验条件一定,水下爆炸冲击波波阵面传播速度从零急剧上升到某一值,随后以波动形式迅速衰减,最终趋向于某一稳定值；(3)相同试验条件下,药量越大,水冲击波波阵面传播速度上升及衰减越快,且二次波峰值压力越大：(4)根据冲击波波阵面水动力学量之间的关系,得出水下爆炸冲击波波阵面传播速度所对应的峰值压力,并对其峰值压力、传播距离及药量进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波峰值压力计算经验公式,即当比例半径r/r0>5.649 时,Pm=105.472(Q1/3/R)1.65；(5)在水压爆破工程中,对于开口式容器状构筑物,为提高炸药能量利用率,降低其能量损耗,则要求药包的入水深度h至少要大于容器内壁到爆心的距离R,即h>R；(6)药包布置位置要尽可能使冲击波波阵面同一时刻达到容器状构筑物侧壁,使容器状构筑物受力均匀为原则；(7)为减少自由水面卸载所造成的能量损失,条件适合时可在开口式容器状构筑物中注满水并对顶部做封闭措施。
参考文献：骨科冲击波原理和生物学作用
骨科冲击波原理和生物学作用 自从1979年德国Dornier公司研制成功第一台体外冲击波碎石机，并于1980年2月7日成功用于肾结石患者治疗以来，人们对冲击波的认识越来越深刻，同时对冲击波的应用也愈加广泛。人们对冲击波的物理学特性及其对组织的影响进行了广泛深入的研究；开始试图用高能冲击波来治疗骨不连、股骨头坏死、慢性肌腱炎和足跟痛。正如体外冲击波碎石机对尿路结石治疗产生了革命性的影响一样，体外冲击波将骨科疾病的治疗产生巨大的冲击。 冲击波原理 冲击波是压力急剧变化的产物。在短短的几纳秒内产生很高的压力幅度，这是冲击波独有的特性。压力急剧变化产生的冲击波具有很强的张应力和压应力，能够穿透任何弹性介质，如水、空气和软组织。应用于医学的体外冲击波按其震波源的不同一般分为三种：液电式、电磁式和压电式，每种都有其独特的原理。 压电式和电磁式系统冲击波的正向压力波上升较慢，传送的能量较低；而液电式系统正向压力波上升较快，产生能量较大。临床观察发现，液电式体外冲击波对泌尿系结石与骨科疾病的治疗效果更好。瑞士HMT公司生产的Osstron型碎石机也属于此型。 冲击波形成机制现在以液电式为例简要介绍一下冲击波的形成机制。该装置包括一对电极和一个半面是胶皮充满水的半椭圆型金属容器，电极位于充满水的半椭圆型金属容器的第一焦点处。两极间急剧升高的电压，使两极间产生极强的电场。在电场的作用下，两极间介质水的阳离子和阴离子（电子）分别向阴阳两极集聚，介质水开始电离，形成等离子体，阳离子和阴离子（电子）吸收能量并相互碰撞使等离子体温度升高，两极间及周围的介质水开始汽化膨胀，而液体介质的惯性企图阻止离子体气体的膨胀，使通道内气体有一个膨胀收缩的过程从而形成巨大的冲击波，同时产生火花，释放光能和声能，导致场发射形成高电导区。这一电极间在高场强下高速发展的放电过程称为流注放电，它的前部是不断加强的电场，尾部是高温高电导的等离子体。放电通道内汽化气体膨胀收缩产生压力波的过程称为汽泡过程。等离子体(Plasma)的瞬间产生，是冲击波产生的根本原因。等离子体是由大量相互作用的未受约束的带电粒子组成的宏观体系，是和固态、液态、气态同一层次的物质第四态。在电场的作用下，等离子体迅速膨胀到一定程度后急剧崩解，释放光能和声能，形成液体冲击波。用高速摄影术和声音检测技术可以发现，每一次放电，电极间都有汽化的等离子体泡在振荡，同时产生冲击波的2个波段：第1个急剧上升的波段是等离子体膨胀形成的；第2个则是空化气泡崩解震荡而引起的。一个典型的由体外冲击波碎石机产生的冲击波脉冲包括：前部由介质水汽化膨胀时形成的上升很快（几us内）的正向波段40Mpa和随后急剧崩解形成的迅速下降的负向波段-10Mpa，整个脉冲持续4us。在第一焦点产生的冲击波，经椭圆型的半球面反射，通过介质（水和人体），汇焦于第二焦点（结石）: 焦点 的有效范围大约为15mm。现用于临床的主要是这种型号。这种型号具有能量高、焦点作用范围广和安全可靠的优点，但电极要定期更换。 为什么冲击波能促进骨愈合呢？Wang等通过用能量密度为0.16mj/mm2的冲击波冲击骨髓间充质干细胞发现：连续作用500次，5min后冲击波可使细胞膜的电势发生超极化；30min后激活细胞内的网状激活系统[Ras]；6h后可促进BMSC向骨母细胞的分化，诱导转化生长因子 B1（TGFB1）的产生；2d后细胞增值；6d 后碱性磷酸酶增高，细胞内的特异性核成骨转录因子（Cbfa1）和I型胶原蛋白的表达增加；12d后骨钙蛋白的合成增加，最终诱导骨小节的形成。Steinbach和用冲击波作用前列腺癌PCA细胞系的细胞悬浮液发现，能量密度为0.12mj/mm2的冲击波可使细胞膜出现损害，0.33mj/mm2可使线粒体发生损害；0.5 mj/mm2能使细胞核损伤，
工业炸药水下爆炸能量测试方法
工业炸药水下爆炸能量测试方法 编制说明 （征求意见稿） 2018年12月
工业炸药水下爆炸能量测试方法 一、工作简况 （一）任务来源 工业和信息化部安全生产司于2010年向国家民用爆破器材质量监督检验中心下达了“工业炸药水下爆炸能量测试方法”的研究任务， 2012年6月该项目通过了工信部安全生产司组织的项目评审。2015年课题组编制工业炸药水下爆炸能量测试方法行业标准项目建议书并通过评审，2016年11月正式与中国爆破器材行业协会签订民用爆炸物品行业标准制（修）订合同书，承担的国家标准制修订项目《工业炸药水下爆炸能量测试方法》计划号为：20151662-T-339。 （二）工作概况 南京理工大学南京理工大学接到制订任务后，成立了标准制订小组。本标准制订主要由南京理工大学为主负责，参编单位有：四川雅化实业集团股份有限公司、贵州久联民爆器材发展股份有限公司、湖南南岭民用爆破器材股份有限公司、石家庄成功机电有限公司、西安近代化学研究所。 编制组成员具体分工见表1。 表1 参编单位及分工协作表 本项目工作情况如下：
（1）2010年10月-12月，确定了项目研究的基本内容，制定了研究大纲； （2）2011年1月~6月，完成了炸药水下爆炸能量测试的方法研究和校准； （3）2011年8月~9月，形成了工业炸药水下爆炸能量测试方法的研究总结，并于2012年6月通过了工信部安全生产司组织的项目评审； （4）2015年编制工业炸药水下爆炸能量测试方法行业标准项目建议书并通过评审，并于2016年11月正式签订民用爆炸物品行业标准制（修）订合同书。 （5）2016年11月到2017年11月成立标准编制组，选取了乳化炸药、膨化硝铵炸药、粉状硝铵炸药和粉状乳化炸药等常见工业炸药，进行了水下爆炸能量测试方法的研究，结合2011年的研究情况，编制组对炸药试样制备方式进行了改进，统一了散装炸药和包装工业炸药的测试方法。 （6）2017年12月完成工业炸药水下爆炸能量测试方法的标准送审稿。 二、编制原则和主要内容 （一）编制原则 目前国内对炸药作功能力测试方法主要采用铅壔法，铅壔法通过测量炸药在铅壔法中爆炸后的扩孔值来定性表征炸药的作功能力，但铅壔法的测试结果受铅的质量、铅壔制造工艺等因素的影响较大，且还造成铅污染（部分铅在炸药爆炸过程中进入空气），对试验人员健康产生影响。 水下爆炸法就克服了上述影响，水下爆炸法主要测量炸药在水中爆炸后产生的气泡能和冲击波能，能够比较直观地给出炸药的作功能量，且随着水下爆炸试验测试技术的发展，越来越多的国家开始研究采用水下爆炸法测试工业炸药能量来替代作功能力试验，尤其是国外发达国家更是走在前列。 该标准是以有关的水下爆炸测试的基础理论为依据，在分析研究国内外在水下爆炸测试方法的研究基础上，重点研究了试验条件（试验深度、测点位置和药量）对水下爆炸试验结果的影响，确定了水下爆炸最优的试验条件，形成了水下爆炸试验测试方法。本标准规定了用水下爆炸法测量工业炸药作功能力方法。 1.先进性 该测试方法采用水做介质进行炸药作功能力的测试，样本使用量大，测试数据与铅壔法相比更加实用、准确，所测数据可以直接应用于爆破设计。
水下爆炸特征分析
水下爆炸特征分析 6.4.1水下爆炸试验特征分析 6.4.1.1水下爆炸试验背景 水下爆炸试验工程是指以确保完成水下爆炸试验任务为根本目的，为发展水下爆炸试验技术、具备水下爆炸试验能力而进行的科学技术研究活动。水下爆炸试验工程不能等同于实船爆炸试验任务。实船爆炸试验是水下爆炸试验工程的中心内容，也是检验水下爆炸工程的唯一标准，而水下爆炸工程既包含了实船爆炸试验，也包含了与实船爆炸试验相关的其他许多科学技术活动。水下爆炸试验工程是研究为达到不同试验目的的最佳试验方式，研究冲击响应测量的理论、技术和方法，研究兵器和舰艇在水下爆炸作用下的仿真与评估理论、技术和方法，研究涉及多单位、多学科且周期长、耗资大的试验工程理论、方法和技术。 6.4.1.2水下爆炸试验工程系统 水下爆炸试验工程是一项系统工程，它包含了许多子系统，这些子系统间既相互联系又相互制约。为了从总体上把握系统间互相联系、互相制约的要素及变化，首先应该研究该系统的结构和相互关系，充分利用和挖掘系统潜力，才能更好地完成水下爆炸试验。
6.4.1.2.1统结构及其相互关系 水下爆炸试验工程系统是一个集中控制的多层次结构，如下图所示。每个子系统又由若于更低层次的子系统组成，以此类推。一个子系统的功能是由其所属的下级子系统的功能共同实现的。这里所说“共同实现"的关系，可能是互相独立的“并联" 关系，也可能是互相依赖的“串联"关系。例如舰船冲击响应测量包括加速度测量、应变测量、速度测量等子系统，各子系统是“并联"关系，而组成每一参数测量子系统的传感器、信号调理模块和数据处理模块则为串联关系。 图4-1 海上爆炸试验工程系统功能结构 6.4.1.2.2系统功能结构关系 水下爆炸试验工程系统功能结构见图4-1。它是一个集科学、技术、工程为一体的系统。所谓系统功能结构是从技术层次上分析研究进行爆炸试验所必需的结构。从功能上说每个子系统至少完成一个确定的技术目标。由于每次爆炸试验的目的、规模、要求、试验方式各不相同，各级子系统与其所属下级子系统所需的
水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对周围环境影响研究
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6316814179.html, 水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对周围环境影响研究 作者：代显华 来源：《中国水运》2018年第03期 摘要：本文针对水下钻孔爆破的特点，为研究水下钻孔爆破水中冲击波有害效应影响规律，建立临近桥墩和临近船舶多孔水下钻孔爆破三维计算模型，采用ANSYS/LS-DYNA爆破模拟软件，获取水中结构速度、加速度、应力以及应变等动力响应特征，得到水下钻孔爆破水中冲击波有害效应影响规律，为现场实施提供理论参考。 关键词：水下钻孔爆破；水中冲击波；有害效应；周围环境；影响 中图分类号：X57 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0076-02 水下钻孔爆破产生的水中冲击波对周围的建筑群、船舶乃至渔业等都会产生比较大的影响。为了研究水下钻孔爆破水中冲击波有害效应，本文将以桥墩、船舶、鱼群等为研究内容，深入全面探讨水中冲击波的有害效应。 1 水中冲击波有害效应对桥墩影响分析 相对于陆地上的多种钻孔方式，水下钻孔爆破的钻孔方式比较单一，为了钻孔方便，水下钻孔爆破基本是垂直钻孔方式，此时炮孔内炸药产生的能量是向四周均匀的传播，水中冲击波传播规律具有对称性。水中冲击波对桥墩的影响是比较大的，它的有害效应，直接威胁着桥墩的整体安全与可靠性。 1.1 水中冲击波的传播规律 临近桥梁水下钻孔爆破不同时刻水中冲击波压力不同，柱状药包在0μs时刻由药卷中部起爆后；在t=49.935μs时刻，爆轰应力波迅速向药柱两端扩展；在t=99.958μs时刻，爆轰压力冲出炮孔，能量释放在水域中形成水中冲击波，在药柱两端爆轰压力是以球状向四周扩散，而中间以轴对称柱状向外扩散；在t=599.94μs之后，随着距离的增大，柱状药包爆轰压力逐渐变成球状向外扩散。炸药爆炸后，桥梁受到地震波与水中冲击波的协同作用，导致了桥墩端部明显的较大压力。因此，水下钻孔爆破有害效应对于桥梁结构安全的影响应该考虑两者的协同作用。 1.2 桥墩速度、加速度响应分析 由于桥墩受到地震波和水中冲击波的协同作用，协同作用下桥墩各个方向的响应均有不同程度的增大，而以沿水中冲击波的传播方向增大最多。由于冲击波本身具有瞬间脉冲响应的特
基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究
万方数据
?３８?哈尔滨工程大学学报第２７卷 限元动力分析软件（例如ＡＢＡＱＵＳ、ＬＳ—ＤＹＮＡ、ＭｓＣ／ＤＹＴ础Ｎ等），这使得有限元仿真成为计算舰船冲击响应的切实可行的办法．ＬＳ—ＤＹＮＡ和ＤＹＴ砘气Ｎ在分析舰船水下爆炸过程中均采用√蛆点算法，而ＡＢＡＱＵＳ采用声固耦合方法．ｍ正算法用状态方程描述流体和炸药，通过欧拉单元计算冲击波的传播过程；而声固耦合算法采用一种声学介质来描述流体，冲击波在声学单元中传播．国内用ＡＩ点算法研究水下爆炸的文献比较多［１ｑＪ，文中采用声固耦合方法模拟舰船水下爆炸． １水下爆炸特点 首先简单的介绍一下水下爆炸气泡的形成，水下爆炸一般呈现２个阶段，冲击波阶段和气泡脉动阶段［４］．在冲击波阶段，冲击波波头具有突跃的特点，幅值迅速达到最大，突越后紧接着近似于按指数规律衰减，衰减持续时间不超过数毫秒；当冲击波过后，水下爆炸进入气泡脉动阶段，爆炸的气体生成物（气泡）由于惯性的作用，以逐渐衰减的速度继续膨胀，气泡内压力不断减少直到小于环境压力．当气泡半径达到最大时，此时气泡内部压力最小，气泡开始收缩．由于此时环境比气泡内部压力大得多，气泡半径迅速缩至最小，随后气泡又开始膨胀，向外流场辐射二次压力波．在气泡半径第二次达到最大时，气泡又开始收缩．同样的膨胀收缩重复好几次．在气泡脉动期间，由于浮力的作用下气泡不断往上升，当气泡到达自由表面时气泡破灭，形成水冢．在冲击波阶段，水下爆炸容易造成舰船结构局部板的严重破损；在气泡脉动阶段，水下爆炸容易使船体产生振荡，从而造成严重的总体结构破损．并且，气泡脉动的周期、最大半径与药包的爆心和装药量有一定的关系． ２爆炸载荷作用下舰船的总体响应文中以某Ｉ型水面舰船为例分析舰船在爆炸载荷（包括冲击波载荷和气泡脉动载荷）作用下舰船的响应．计算的坐标系统为：原点为中纵剖面、中横剖面和基线的交点，ｚ轴正向指向船首方向，Ｙ轴正向指向左舷方向，ｚ轴正向为铅直向上，其有限元模型如图１所示． 鉴于仿真计算的实船模型节点个数达到了数十万个，要想将气泡作用的响应现象计算出来，至少在时间步上设置为１Ｓ，这样的计算量是极其巨大的，在目前的硬件条件下难以实现．于是将船体简化为一个箱形梁，内部设３层甲板，３个纵壁，３个横壁，通过调节各板厚，根据结构动力学相似原理，使得该箱形梁一阶垂向总振动频率与实船保持一致，均为１．１ＦＩｚ．所建立的箱型梁有限元模型如图２所示． 图１Ｉ型舰实船有限元模型 Ｆｉｇ．１Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ 图２箱型梁有限兀模型 Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ ２．１水下爆炸威力与气泡脉动频率之间的关系众所周知，当激励力频率与结构的固有频率接近时，就会引起结构共振，此时结构的破坏最为严重．通过公式Ｔ：２．１１罢芸ｂ３（ｗ为药包的装药量，ｋｇ；Ｚ。为药包与自由液面的垂直距离）可以估算出炸药爆炸后形成的气泡脉动周期．为了研究不同药包在不同水深爆炸时形成气泡脉动载荷对船体总纵强度的影响，假设一系列工况，药包均设置在船体的中下方，以考核该舰中横剖面的应力变化．定义： 口＝了Ｊ０，（１１ Ｊ１ 卢＝丁．Ｄ１，（２） ∑ｓｉ ｓｍ２｝?（３）式中：＾为气泡脉动压力的频率，＾舰船一阶垂向 固有频率，ｓ，为仅冲击波载荷作用下舰船中横剖面 万方数据
爆破冲击波的控制与防护(正式版)
文件编号：TP-AR-L6348 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编订：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 爆破冲击波的控制与防 护(正式版)
爆破冲击波的控制与防护(正式版) 使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 1)尽量避免采用裸露药包爆破或导爆索露天爆破，必须采用时，要覆盖砂土； 2)控制一次起爆炸药量,从“空间”（分散布药）和“时间”（分段起爆）两个方面，将爆区总药量均匀分布到各个爆破部位，使爆炸能量最大限度地有效利用，将耗于爆炸冲击波的无效能量减至最小限度。 3)选取合理的最小抵抗线方向和大小，优化爆破参数，改进装药结构（如采用空气间隔分段装药、垫层装药和不耦合装药等），确保填塞高度和质量等，使每个药包的爆炸能量都得到充分利用。
4)精心施工，抓住地形测量、地质勘查、竣工检查和爆破施工等四个环节，确保设计要求。 5）不在清晨、傍晚或露天等有利于空气冲击波传播的气象条件下实施爆破。 6）巷道中空气冲击波可采用“挡”的措施消弱其强度。例如在爆区附近垒砖墙、垒沙袋、砌石墙等构筑阻波墙。有些国家曾采用高强度的人造薄膜制成水包代替阻波墙。充满水的水包与巷道四周紧密接触，当冲击波来到时水包压力增大,即将其转移到巷道的两帮，增加了抗冲击波的能力。水力阻波墙造价低，制作快，防冲击波效果好，一般可减弱冲击波3/4以上，并能降低爆尘和有害气体。 7）水下爆破时，降低水下爆炸冲击波强度的有效措施是采用气泡帷幕防护技术。就是在爆源与保护对象之间的水底设置一套气泡发射装置。一般采用钢
水下爆炸冲击波的数值模拟研究
!第"#卷!第"期爆炸与冲击$%&’"#，(%’"! !"))#年*月+,-./01/(2(304/5672$+089:;<，"))#! 文章编号：=))=>=#??（"))#）)">)=@">)A 水下爆炸冲击波的数值模拟研究! 张振华，朱!锡，白雪飞 （海军工程大学船舶与海洋工程系，湖北武汉#*))**） !!摘要：应用商业有限元程序805’3BCD2(数值模拟了球形药包在无限水域中爆炸产生的冲击波。通过 和经验公式计算结果的比较，证明采用合理的计算参数和有限元模型能够较好地模拟水下爆炸冲击波的传 播过程。通过调整水的状态方程参数，达到了提升冲击波峰值应力的效果，从而有效地降低了单元数量和计 算时间。 !!关键词：爆炸力学；水下爆炸；数值模拟；冲击波；805’3BCD2( !!中图分类号：/*@"’=；EFA#’A)*!!!国标学科代码：=*)?*?")!!!文献标志码：2 !"引"言 !!对水下爆炸冲击波的研究一直是舰船抗爆防护的重点，然而由于其复杂性，该领域一直主要以实验研究为主［=G#］。近年来随着计算机技术和计算理论的快速发展，使得人们可以通过数值模拟的方法对水下爆炸的各种现象进行预报。世界上相继开发了一些大型商业有限元程序（如(20CD2(、231(2、3B(2*3、2062、3BCD2(等），其中不少程序，尤其是805’3BCD2(取得了较为广泛的应用。该软件具有流体>结构相互作用的不同的描述方式，流体可以用+H&I:J9K单元描述，固体则采用.9L:9KLI单元模拟。美国、日本和意大利都曾考核了计算软件模拟水下爆炸的可行性，认为805’3BCD2(是一种合适的计算分析软件［?］。可见805’3BCD2(代表了当今世界上比较先进的爆炸力学计算程序，同时可以利用商业有限元程序强大的前后处理功能，有可能真实地再现水下爆炸冲击波产生和传播的过程。!!水中爆炸冲击波的数值模拟是进一步研究结构在水下爆炸载荷作用下动态响应的基础。在本文中，探讨了采用805’3BCD2(进行水中爆炸冲击波数值模拟的相关问题，计算结果表明，采用合适的计算参数和有限元模型，能够较好地模拟水中爆炸冲击波的各状态参量。同时研究了网格密度和药包大小对计算结果的影响。最后通过调整计算参数提升冲击波峰值压力，大大减少了水单元数量和计算所需时间，同时分析了这种方法的利弊。 #"水下爆炸冲击波的数值模拟 #$!"欧拉求解器简介 !!805’3BCD2(中包含拉格朗日求解器和欧拉求解器，其中欧拉求解器主要用于流体流动问题的分析以及固体材料发生很大变形的情况。当采用欧拉方法时，节点固定在空间中，由相关节点连接而成的单元仅仅是空间的划分，分析对象的材料在网格中流动，材料的质量、动量和能量从一个单元流向另一个单元。因而对于水中爆炸现象，采用欧拉方法求解要合适一些。805’3BCD2(中的欧拉求解器在空间上的离散采用控制容积法，在时间域上的离散采用显式积分法。采用显式积分法的优点是不需要作矩阵分解，稳定性与积分的时间步长无关。但是对于显式积分法，要保持计算的稳定，积分步长必须小于网格的最小固有周期，即时间步长必须小于应力波跨越网格中最小元素的时间。3BCD2(程 !收稿日期："))*>)?>"F；修回日期："))*>==>"@ !!!作者简介：张振华（=MAF—!），男，博士研究生，讲师。 万方数据
舰艇水下爆炸冲击信号拟合及应用
振动与冲击 第２９卷第３期ＪＯＵＲＮＡｌ．ＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶ０１．２９Ｎｏ．３２０１０ 舰艇水下爆炸冲击信号拟合及应用 杜志鹏１，汪玉１，杨洋１，华宏星２，史少华１ （１．海军装备研究院，北京１００１６１；２．上海交通大学，上海２０００３０） 捅要：舰载设备在进行抗水下爆炸冲击设计时首先需要确定基础冲击时域信号作为输入载荷。相关标准规范给出的设计冲击谱不能反映实船水下爆炸冲击信号的动态特性。而实船试验测试数据又不具备标准性。为获取舰载设备仿真校核评估的冲击输入载荷，提出一种舰艇水下爆炸冲击信号拟合方法。根据标准设计冲击谱，通过傅里叶变换对实测信号进行修正。采用这种方法得到的冲击信号同时包含了设备安装部位的冲击特性和标准设计谱的冲击量值，能够更准确地反映舰载设备在特定安装部位处的标准冲击环境。 关键词：水下爆炸；冲击信号；冲击谱；傅里叶变换 中图分类号：Ｕ６６６．１６文献标识码：Ａ 舰艇战时易受水下非接触爆炸武器攻击，导致舰载设备和系统在强烈的冲击下失效，影响总体作战性能和生命力。在舰艇设计阶段采用有限元方法对舰载设备、轴系、管系进行冲击动力学分析是一种行之有效的舰艇抗冲击辅助设计手段¨“ｊ。在进行建模仿真分析时首先要确定冲击输入载荷。我国相关标准和规范给出了舰载设备的设计冲击谱作为抗冲击设计和校核计算的输入载荷一Ｊ。设计谱是对大量实船水下爆炸试验得到的时域冲击信号转换成频域冲击响应谱再经圆整而成的。这种设计谱综合反映了舰艇在水下爆炸下舰载设备基础处的冲击烈度效应。但是，时域冲击信号到冲击谱的转换过程丢失了相位信息∞Ｊ。因此在逆变换时就无法准确再现时域冲击特征。工程上的变换方法有很多，总体思路是保证变换前后冲击能量一致。比如ＢＶ０４３标准介绍的变换方法将设计谱转换为正、负三角组合波形或正弦波形加速度时域曲线ｏ７１。但是这种加速度时域波形和脉冲时间与实际冲击波形有着显著的差异。如果采用舰艇水下爆炸试验测量的冲击信号作为计算的输入载荷可以反映舰载设备实际所受的冲击特征。但是这种实测信号的幅值会受到爆源、爆距、水深、海流和测量误差等多种不确定因素的影响，而变得随机性很强，无法作仿真校核评估的标准载荷。 为了给仿真提供可靠、有效的数据支持，近年来发展了各种冲击谱计算、冲击信号生成、拟合和修正方法。刘洪英等［ｓ１针对冲击响应谱试验规范的特点，研制开发了一套基于ＰＣ机下的冲击响应谱控制系统。王炅等一１通过对实测冲击信号的傅里叶谱进行统计分析，结合随机数的产生法，生成了满足时域特性的随机冲击信号。为仿真引信虚拟样机模型在冲击环境下的 基金项目：国家自然科学基金项目（１０６７２１８１） 收稿Ｅｔ期：２００８—０８—１５修改稿收到日期：２００９—０４—１８ 第一作者杜志鹏男，博士，１９７７年生动态特性分析提供可靠的数据支持。曹源等¨叫以正弦衰减基波组合的形式对冲击信号的拟合进行了研究，并与遗传算法的结合，对其在频域内进行拟合优化，得到优化的信号拟合形式。刘洪英和马爱军¨¨利用合成小波ＷＡＶＳＹＮ，研究了时域合成的方法，为电动振动台实现模拟爆炸冲击环境提供一种有效的在线时域合成方法。目前的研究一方面是根据规范给出的冲击谱生成时域冲击信号，另一方面是利用实测冲击信号进行修正，生成冲击谱或者优化的时域信号。 本文提出了一种舰艇水下爆炸冲击信号拟合方法，通过修正实测冲击信号的ＦＦＴｒ变换，使其与标准设计谱一致，再进行ＦＦｌ、逆变换，得到同时具备标准性与实船冲击特性的时域冲击信号。最后给出了这种冲击信号拟合方法在冲击响应仿真中的应用实例。 １冲击谱与傅里叶谱的关系 固有频率为∞。的无阻尼线性系统，受到来自基础的冲击加速度激励，产生的相对位移响应６由Ｄｕｈａｍｅｌ积分得出： ６（％￡）２瓤互（ｆ）ｓｉｎｔｏ。（ｔ一丁）ｄ下 通过变换［５］，可将上式改写为： ６（∞。，ｔ）＝，ｔ－．－－Ｆ（ｔｏ。，ｔ）ｓｉｎ［∞。￡＋０（ｃｃ，。，ｔ）］ Ⅲ＾ 式中，Ｆ（∞。，ｔ）和ｐ（∞。，ｔ）是连续傅里叶谱币（∞。，ｔ）＝【茹（ｒ）ｅ巾一曲的幅值和相位。注意到当ｓｉｎＥｔｏ。￡＋０（ｃ￡，。，ｔ）］＝１时８（∞。，ｔ）取最大值，因此∞。对应的相对位移冲击谱６一（∞。，ｔ）等于傅里叶谱幅值的ｌ几。倍： ６～（１０。，ｔ）＝＇－－－Ｆ（ａ，。，ｔ） Ⅲｎ 舰艇设计冲击谱通常用四对数坐标下的伪速度谱表示。伪速度冲击谱秽。。（∞。，ｔ）等于相对位移谱的∞。倍，因此伪速度冲击谱等于傅里叶幅值谱： 万方数据
实验七.水中爆炸冲击波压力测量
实验七. 水中爆炸冲击波压力测量 一实验名称：水中爆炸冲击波压力测量 二实验目的：练习并掌握用电测法测量水中爆炸冲击波压力。 三实验内容：用冲击大电流通过金属丝产生水中冲击波，用压力传感器检测压力信号，用数字示波器记录某位置的水中 冲击波压力历程。 四实验设备：冲击大电流装置、同步高压脉冲发生器、传感器及适配器、数字示波器 五实验原理 （一）水下爆炸物理过程炸药装药在水下爆炸时，瞬间变成高温高压的爆炸产物，压迫周围的水产生冲击波并迅速向周围传播。炸药放出的能量一部分随冲击波传出，称为冲击波能。剩下的能量留在爆炸产物中，称为气泡能。高压下的爆炸产物迅速向外膨胀形成气泡，气泡膨胀过程中反抗静水压而作功。当气泡膨胀到压力与静水压相等时，因为惯性的作用，膨胀并不停止而作过度膨胀，当膨胀到最大体积时，气泡内的压力降至静水压的1/5~1/10，此后由于外界压力的作用而使气泡收缩，同样因为惯性的原因，当压缩到压力等于静水压后仍继续收缩，直至最小体积时又开始膨胀，同时产生压力波，如此反覆膨胀收缩形成气泡脉动。 （二）对水下爆炸用测压传感器的要求 1，传感器应具有尽量高的频率响应，以便准确地捕捉到压力的迅速变化 一般谐振谐率应不小于250kHz。 2，传感器应有足够的强度和压力测量范围。 3，为了减小因测压传感器的放置而对压力流场产生严重的扰动和畸变，传 感器的体积应尽量小，外形应为流线性。 4，传感器的联接电缆在水中受到强度较大冲击波的作用，由于电缆内、外芯的摩擦将出现静电电荷（即所谓“电缆效应”）这种摩擦电荷是一个相当可观的虚假讯号，因此传感器应有减小电缆效应的有效措施。 5，传感器具有良好的防潮、密封和较好的防腐蚀能力，特别是当传感器的输出讯号是高输出阻抗的讯号。其绝缘电阻一般在1010~1012Ω，受潮后绝缘电阻降低将造成零点飘移。 （三） PCB W138A02型压电传感器性能特点 1，该传感器将一片作为敏感元件的电气石置于盛满硅油的塑胶管中，因而密封、防潮性能良好。同时该传感器是一种体积敏感型传感器，传感器没有方向性，任何方向传来的压力波作用在管壁上都可以被传感器的电气石晶体准确接受，而不需要象其他传感器那样将传感器正对爆心安装。
水下爆炸冲击问题的物质点法研究
水下爆炸冲击问题的物质点法研究 开展水下爆炸以及结构在水下爆炸载荷作用下的动力响应研究在军事国防 和民用建设领域均具有重要意义。水下爆炸及其结构的冲击响应研究是十分复杂的问题，它涉及爆轰物理学、冲击动力学、流固耦合、弹塑性动力学等诸多学科，对其进行理论分析和实验研究是一个巨大的挑战。近年来，随着计算机技术的不断提高以及各种数值方法的迅速发展，数值模拟已经成为水下爆炸问题研究领域中的重要研究手段。流场或结构的极大变形、运动物质交界面、多相介质耦合作用以及自由表面等特性存在于水下爆炸整个过程中，这使得采用传统基于网格的数值方法对水下爆炸问题进行研究成为一项非常困难的工作。 物质点法（Material Point Method, MPM）是一种新型的无网格粒子算法，它结合了基于物质描述的拉格朗日方法和基于空间描述的欧拉方法二者的优点，在处理大变形时不存在基于网格的数值方法出现的网格畸变问题，而且物质点法能方便的跟踪材料的变形历史以及实现对物质界面的精确描述，这些优点使物质点法在冲击动力学诸多领域中得到了广泛应用。本文在前人研究的基础上，进一步发展了物质点算法，并将物质点法扩展到水下爆炸冲击研究领域中。推导了物质点法控制方程的空间以及时间离散格式，给出了物质点法显式积分算法，编写了基于物质点法基本理论的计算程序。建立了高能炸药爆轰计算模型，采用物质点法数值模拟了高能炸药爆轰过程，计算得到的爆轰波主要表征参数与解析解和实验数据吻合较好，为下一步水下爆炸冲击问题研究奠定了基础。 针对水下爆炸冲击波在自由场中传播具有球面对称性质这一特点，本文提出了球对称形式的物质点法，为了验证所提方法的准确性，对球形炸药水下爆炸问题进行了数值计算，计算结果与实验数据以及经验公式计算结果吻合较好。在此基础上提出了基于物质点法的重映射算法，采用此方法可有效提高三维水下爆炸问题的求解效率。建立了二维水下爆炸计算模型，数值模拟了二维水下爆炸问题，数值计算结果与光滑粒子流体动力学方法（Smoothed ParticleHydronamics, SPH）计算结果以及经验公式计算结果进行了比较，结果吻合较好，物质点法与SPH 算法计算精度相当，但在物质交界面的处理上物质点法具有明显的优势。对近自由面水下爆炸一系列物理现象进行了数值模拟。 给出了物质点法多介质耦合求解过程，研究了自由表面对冲击波的切断现象，
水下钻孔爆破地震波与水击波协同作用下桥墩动力响应特征研究
水下钻孔爆破地震波与水击波协同作用下桥墩动力响应特征研 究 随着我国对于内河航运通航要求的逐步提高,水下炸礁工程呈现大体积、大药量的趋势,城镇化的不断推进导致爆破区域环境的日趋复杂,对控制水下钻孔爆破地震波与水击波有害效应的要求也更加严格。桥梁作为航道炸礁重要的保护对象,其桥墩结构处于基岩之上、水域之中。当桥墩紧邻爆破区域时,必将承受水下钻孔爆破地震波与水击波协同作用,使结构产生动力响应,若控制不当极易形成损伤,将对桥梁整体稳定性造成影响。因此,水下钻孔爆破地震波与水击波的协同作用效应和协同作用下桥墩动力响应特征及演化机制成为水下爆破领域亟待解决的课题。 目前对于水下钻孔爆破地震波与水击波有害效应的研究主要集中在地震波传播规律及对岸边建(构)筑物的影响,水击波传播规律及对船舶和鱼类的影响,和水下钻孔爆破控制技术等方面。而对于水下钻孔爆破地震波与水击波协同作用效应,承受地震波与水击波协同作用的桥墩结构动力响应特征研究则存在明显不足。因此,迫切需要对水下钻孔爆破地震波与水击波协同作用效应及桥墩动力响应特征展开详细研究,以便更好地指导水下钻孔爆破设计、施工,进而丰富完善水下钻孔爆破安全控制理论体系。本文以水下钻孔爆破地震波与水击波协同作用效应为研究核心,以紧邻桥墩水下钻孔爆破环境为工程背景,以长江上游九龙坡至朝天门河段航道建设工程为工程对象,采用现场调查、理论分析、现场监测、现场试验和数值模拟等研究手段,开展水下钻孔爆破地震波与水击波协同作用下桥墩动力响应特征研究。 论文主要研究工作包括以下几个方面:(1)水下钻孔爆破地震波特性及传播规律研究:分别从“爆破地震波特征参数、爆破地震波信号分析技术、水下钻孔爆地震波能量特性、水下钻孔爆地震波传播规律及预测”四个方面,对水下钻孔爆破地震波能量特性及传播规律进行了研究。以地震波能量为主要特征指标,采用时频分析技术提取水下钻孔爆破地震波信号的时频特征,分析实测爆破地震波信号的时频域局部化特征、时频分辨率和交叉项抑制情况,获得最优水下钻孔爆破地震波时频分析方法。结合小波分解及重构技术,揭示不同因素对水下钻孔爆破地震波能量特性的影响;并通过量纲分析,建立地震波能量预测公式。(2)水下