第4讲 爆炸的破坏形式及破坏力

P − P = ρ0 (D −u0 )(u1 −u0 ) 1 0
（4 - 2 ）
由能量守恒定律： 由能量守恒定律：系统内能量的变化应等于 外力所做的功，介质的能量是其内能和动能之和。 外力所做的功，介质的能量是其内能和动能之和。
1 1 2 ρ1(D −u1)[e1 + (D −u1) ] − ρ0 (D −u0 )[e0 + (D −u0 )2 ] 2 2 （4 - 3 ） = P (D −u0 ) − P(D −u1) 0 1
它直接造成机械设备、装置、容器和建筑物 的毁坏和人员的伤亡，后果往往是严重的。 机械设备和建筑物被冲击后，会变成碎片飞 出。碎片一般在100m~500m内飞散，会在相当范 围内造成危险。在一些爆炸事故中。由于爆炸碎 片击中人体造成的伤亡常占较大的比例。
4.1.2 冲击波的破坏作用 冲击波的形 成 爆炸物质爆炸时．产生的高温高压气体产物 以极高的速度膨胀，象活塞一样挤压其周围空气， 把爆炸反应释放出的部分能量传给这压缩的空气 层，空气受冲击而发生扰动，使其压力、密度等 产生突跃变化，这种扰动在空气中传播就成为冲 击波。
单位时间内从右边流入波阵面的介质的能量： 单位时间内从右边流入波阵面的介质的能量：
1 ρ0 (D − u0 )[e0 + (D − u0 )2 ] 2
向左流出波阵面的介质能量为： 向左流出波阵面的介质能量为：
1 ρ1(D − u1)[e1 + (D − u1)2 ] 2
右边的未扰动的介质压力所做的功 P (D − u0 ) 0 左边介质压力所做的功
现分析每道波的波速。 现分析每道波的波速。
D = c0 + v0 1 道波： 第2道波： D2 = c1 + v1 道波： 第n道波： Dn = cn−1 + vn−1
第1道波： 道波： 根据压缩波特性，显然有： 根据压缩波特性，显然有：
vn−1 > ... > v2 > v1 > v0
∵c = kRT ,∴cn−1 > ... > c2 > c1 > c0
（2）冲击波的形成
当活塞从静止状态向右作等加速度运动 活塞右侧邻近的介质首先受到压缩， 时，活塞右侧邻近的介质首先受到压缩，压 力、密度增大，这种状态的变化向右传播开 密度增大， 形成一右行弱压缩波。 去，形成一右行弱压缩波。 当活塞再作等加速运动时， 当活塞再作等加速运动时，则在已经被 第一个弱压缩波扰动过的介质中又有一个新 的弱压缩波传播。 的弱压缩波传播。 显然，倘若活塞做连续等加速度运动， 显然，倘若活塞做连续等加速度运动， 便有一系列相应的弱压缩波向右传播， 便有一系列相应的弱压缩波向右传播，介质 状态发生连续的变化。 状态发生连续的变化。
超压∆ 超压∆Pk/105pa <0.2 0.2~0.3 0.3~0.5 0.5~1.0 >1.0 损伤程度 无伤 轻微挫伤 听觉器官损伤，中等挫伤骨折等 听觉器官损伤， 内脏严重挫伤，可引起死亡 内脏严重挫伤， 可大部分死亡 损伤等级 无伤 轻微 中等 严重 极严重
普通炸药在空气中爆炸，使人致死距离可按 下式估算：
（5）冲击波的超压 冲击波的波阵面上的超压与产生冲击波的能量 有关。在其它条件相同的情况下，气体爆炸能量越 有关。在其它条件相同的情况下， 冲击波强度越大，波阵面上的超压也越大。 大，冲击波强度越大，波阵面上的超压也越大。 在平坦地形条件下，可按下式计算超压： 在平坦地形条件下，可按下式计算超压：
其为理想气体的冲击波绝热方程或Hugoniot 其为理想气体的冲击波绝热方程或Hugoniot 方程。其中绝热指数， 一般取1.4. 方程。其中绝热指数， k = cp / cv，一般取1.4.
V0 V
将方程（ 3B）绘在P 将方程（4-3B）绘在P-V图，得到一向上凹的曲线， 得到一向上凹的曲线， 称为空气冲击波绝热曲线。 称为空气冲击波绝热曲线。 将方程（ 2A）绘在P 将方程（4-2A）绘在P-V图，得到一直线，称为波速线。 得到一直线，称为波速线。 冲击波绝热曲线是不 冲击波绝热曲线是不 同强度的冲击波通过同一 介质初态时， 介质初态时，所达到的一 系列终态点联成的曲线， 系列终态点联成的曲线， 而不是过程线。 而不是过程线。 冲击波的波速线是相 冲击波的波速线是相 同的冲击波传过具有同一 初始状态的不同介质所达 到的终点状态的连线 冲击绝热曲线方程和波速线
为比容： 其中 V为比容：V = 1/ ρ
如果介质为理想气体，则其状态方程为： 如果介质为理想气体，则其状态方程为：
PV = RT
理想气体的内能为： 理想气体的内能为：
（4 - 4 ）
代入（ 3A） 代入（4-3A）得：PV e=ຫໍສະໝຸດ k −1（4-3B） 3B）
P (k +1)V0 − (k −1)V 1 1 = P (k +1)V − (k −1)V0 0 1
（3）冲击波的基本方程
平面正冲击波的传播
根据质量守恒定律， 根据质量守恒定律，单位时间内流入与 流出波阵面的物质的质量相等。 流出波阵面的物质的质量相等。即：
ρ0 (D −u0 ) = ρ1(D −u1)
（4 - 1 ）
根据动量守恒定律， 根据动量守恒定律，运动物体动量的变 化等于外力作用的冲量。： 化等于外力作用的冲量。：
所以
Dn−1 > ... > D2 > D > D0 1
如果这时活塞速度不变，继续向右运动， 如果这时活塞速度不变，继续向右运动， 则波阵面压力、波速等冲击波参数保持恒定， 则波阵面压力、波速等冲击波参数保持恒定， 即冲击波定常传播。但是，若活塞停止运动， 即冲击波定常传播。但是，若活塞停止运动， 冲击波的传播不能连续得到外部能量的支持， 冲击波的传播不能连续得到外部能量的支持， 即形成冲击波的自由传播。这时， 即形成冲击波的自由传播。这时，在冲击波 传播过程中，波速即行下降， 传播过程中，波速即行下降，波阵面压力等 参数相应衰减，直至变成为声波（ 参数相应衰减，直至变成为声波（或应力 波）。 由此得出， 由此得出，冲击波传播过程中要保持其 固定的波速和波阵面的压力， 固定的波速和波阵面的压力，则必须不断从 外部获得能量的补充。 外部获得能量的补充。
冲击波的破 坏 冲击波的传播速度极快，它可以在周围环境 中的固体、液体、气体介质(如金属、岩石、建 筑材料、水、空气等)中传播。 在传播过程中，可以对周围环境中的机械设 备和建筑物产生破坏作用和使人员伤亡。冲击波 还可以在它的作用区域内产生震荡作用，使物体 因震荡而松散甚至破坏。
冲击被的破坏作用主要是由其波阵面上的超 压引起的。在爆炸中心附近，空气冲击被波阵面 上的超压可达几个甚至十几个大气压。冲击波在 传播过程中超压降低很快。
§4.2 冲击波 （1）压缩波的基本概念
P P P1 扰 P0 x 动 区
未扰动区
P0 x
F
在无限长气筒活塞右侧充满压力为P0的气体， 当活塞在压力F的作用下向右运动时，会在活塞 中产生一个自左向右传播的波， 扰动传播后， 使介质状态参数(P、ρ、T)增加，这样的波称为 压缩波。反之，波阵面过后使介质状态参数(P、 ρ、T)降低的波，称为稀疏波。 声波——扰动区内介质质点运动是振动的， dp c= 即有周期性，有压缩也有稀疏， dρ 所以既不是压缩波也不是稀疏波。
为防止冲击波对周围建筑物的破坏，可确 定一个距爆炸物质存放地点的安全距离。安全距 离可参考下式进行计算：
Rs = K W b
Rs—周围建筑物距爆炸物质的安全距离，m； Wb —炸药重量（kg） K一安全系数。安全系数K的值决定于建筑物 所要求的安全等级及周围有无防爆土围墙。K值参 见表3-11。
通过动物试验得知，冲击波对人体的伤害作用 主要是破坏人体血管、肺细胞及支气管，亦能伤害 胃肠及隔膜。 冲击波对人损伤程度
爆炸气体产生的冲击波是主体冲击波， 爆炸气体产生的冲击波是主体冲击波，它以爆 炸点为中心，以球面向外扩展传播。随半径增大， 炸点为中心，以球面向外扩展传播。随半径增大， 波阵面表面积增大，超压逐渐减弱，最后超压( 波阵面表面积增大，超压逐渐减弱，最后超压(△P) 趋向于零，冲击波变成声波。 趋向于零，冲击波变成声波。
空气冲击波压力曲线
表3-10 不同超压冲击波对建筑物的破坏程度
破坏 等级 1 2 3 4 5 6 7 8 砖木结构完全破坏 砖墙部分倒塌或缺裂、土房倒塌 砖墙部分倒塌或缺裂、 木结构梁柱倾倒，部分折断，砖结构屋顶掀掉， 木结构梁柱倾倒，部分折断，砖结构屋顶掀掉，墙部 分移动或裂缝， 分移动或裂缝，土墙开列或部分倒塌 木板隔墙破坏，木屋架折断，顶棚部分破坏 木板隔墙破坏，木屋架折断， 门窗破坏，屋面瓦大部分掀掉， 门窗破坏，屋面瓦大部分掀掉，顶棚部分破坏 门窗部分破坏，玻璃破碎，屋面瓦部分掀掉， 门窗部分破坏，玻璃破碎，屋面瓦部分掀掉，顶棚抹 灰脱落 砖墙部分破坏，屋面瓦部分翻动， 砖墙部分破坏，屋面瓦部分翻动，顶棚抹灰部分脱落 房屋玻璃完全无损 建筑物破坏程度 超压∆ 超压∆Pk/105pa >2.0 1.0~2.0 0.5~1.0 0.3~0.5 0.15~0.3 0.07~0.15 0.02~0.07 0.001~0.05
（4）冲击波特点： 冲击波特点： （1）冲击波波阵面前后介质状态在极小范围 内发生突跃变化，其差值为有限量； 内发生突跃变化，其差值为有限量； （2）冲击波传播速度永远大于未扰动介质中 的声速；对于已扰动介质， 的声速；对于已扰动介质，其传播速度小于该 介质当地声波速度； 介质当地声波速度； 冲击波波速与其强度有很大关系， （3）冲击波波速与其强度有很大关系，而声 波则不然。 波则不然。 没有外界能量的支持， （4）没有外界能量的支持，冲击波传播因消 耗能量而逐渐衰减为音波而趋于消失。 耗能量而逐渐衰减为音波而趋于消失。
−P(D −u1) 1
整理经变换之后，可得冲击波基本方程： 整理经变换之后，可得冲击波基本方程：