爆炸载荷下玻璃破坏的研究

李 昂

（中国刑事警察学院 辽宁 沈阳 110035）

0 引言

玻璃具有美观、易塑性、成本低等优点，早已在建筑建材选择、工艺品制作和特殊行业应用等方面普及，广泛出现在日常生活中，但面对生活场景中也存在着易碎、密度大、保暖性不足等问题和针对专业领域的特殊问题。而玻璃制作工艺的提升和玻璃结构方式的丰富，为不同适用场景的具体需求提供保障，丰富了当今玻璃制品门类、扩大了玻璃制品的适用范围，但也致使不同材料种类和结构方式玻璃的抗爆性能等材料性能差别较大。通过研究爆炸载荷下玻璃破坏情况，分析玻璃破碎与炸药量、装药距离的关系规律，能够为今后爆炸领域的科学研究和爆炸现场重建等公安实践工作提供相应的理论支持。因此，玻璃介质破坏研究已成为爆炸现场勘查的重要研究方面。

1 研究现状

1.1 理论研究

依据基本的力学原理对介质结构进行理论分析，可以较精确地给出介质结构在爆炸荷载下的反应。但由于爆炸冲击波荷载、材料特性以及边界条件的复杂性和不确定性，使得理论分析法在实际应用中主要解决一般性的问题。目前国内外对理论分析法的研究方面主要包括炸药爆轰特性、失效波现象和玻璃碎片飞溅模型。

1.1.1 炸药爆轰特性

爆炸现场中，炸药在一定的外界能量作用下完成高速化学反应，通过释放大量能量对外界产生破坏。其种类繁多，以黑索金、硝化甘油、TNT、硝酸铵或氯酸盐为主体的混合炸药较为常见。炸药的主要技术指标包括感度、威力、猛度、殉爆、氧平衡、爆速和安定性等。不同种类炸药药量的换算，可通过爆热值换算公式（1）进行，一般换算为对应的TNT炸药的炸药量。

式中：W非，非TNT炸药的炸药量；

WTNT，TNT炸药的炸药量；

Q非，非TNT炸药的爆热值；

QTNT，TNT炸药的爆热值。

王树有等[1]应用水悬浮法、采用热压成型工艺压制药柱，并根据GJB772A-1997《炸药试验方法》进行CL‐20基压装混合炸药爆炸驱动特性实验，系统考察爆炸驱动性能差异，证实了密度为1.95 g/cm3的CL-20基炸药在爆速、爆压、格尼系数、驱动预制破片速度和静穿甲能力均有不同程度的提升。

1.1.2 失效波现象

失效波现象最初在玻璃材料实验中发现：在冲击载荷作用下，玻璃材料发生延迟于冲击波的破碎，并且破碎界面从碰撞面起始逐渐向内部传播的现象。失效波是指这一运动的破碎界面，在低于并接近材料Hugoniot弹性极限时产生，与传统的材料破坏认识存在矛盾，是的一种独特的动态损伤机制,材料内部微裂纹的不均衡扩展是失效波现象的形成机理。熊迅等[2]使用PFC进行石英玻璃杆的Taylor撞击实验，动态显示出杆中失效区域的演化过程，对压缩失效区域的阵面结构等相关问题进行分析，在验证以往研究成果的基础上，为进一步解释失效波问题提供实验数据和理论分析支持。

1.1.3 玻璃碎片飞溅模型

爆炸载荷下，玻璃破碎后飞溅的玻璃碎片对人具有较强杀伤性且能为爆炸案件的分析提供依据。濮勇等[3]借助金相显微系统和高速摄影等，针对冲击载荷下夹层玻璃开裂及碎片过程进行观测，系统研究开裂性能、裂纹形成模式、碎片介观（10-3mm）模式和碎片飞溅速度与飞溅能量，为下一步关联介观尺度与宏观尺度、分析其影响因素提供技术支持。

1.2 试验研究

试验研究是具有较强的直观性和准确性，为理论分析中推导公式和方程提供实际试验数据的支撑。但同时，爆炸试验具有实施难度大、安全要求高、人力物力耗费多的特点及在实际操作中各方面的限制因素，所以当前所做的关于爆炸载荷下玻璃破坏的试验较少。试验研究方法包括现场爆炸试验、激波管试验等。

1.2.1 现场爆炸试验法

现场爆炸试验即是一般意义上的实际爆炸试验。当前现场爆炸试验主要对炸药的爆炸特性和玻璃在爆炸载荷下的冲击波毁伤阈值等方面进行研究。

虽然在理论上，炸药爆炸的一般规律得到反复证实，但对于特定炸药的爆炸威力及爆轰机理仍需实际测量和分析。Ming Yang等[4]将RDX粉末和大量GMs引入乳液基质中，提高爆破性能，通过爆轰速度、临界厚度和水下爆炸实验，系统研究了RDX含量对混合物爆破性能的影响，证实了水下爆炸的所有能量输出参数随着RDX含量的增加而增加；Fang Hua等[5]将空心微珠加入乳液基质作为敏化剂来制备空心微珠敏化乳液炸药，研究空心微珠含量和粒径对乳化炸药爆破性能的影响，进而确定最佳配比，提出空心微珠可能在未来成为乳化炸药的有效物理敏化剂；周国安等[6]以黏土颗粒为惰性剂，研究低爆速乳化炸药的爆炸性能及爆轰机理，实现了通过改变黏土颗粒量对炸药参数及能量结构的调节；王波等[7]测试贮氢玻璃微球含量的不同对贮氢玻璃微球敏化乳化炸药猛度和爆速的影响，提升贮氢玻璃微球敏化乳化炸药的爆炸威力。

玻璃在爆炸载荷下的冲击波毁伤阈值研究为划定安全距离、分析炸药量和重建爆炸现场提供支撑，对于安全防范和现场勘查领域具有重要意义。如图1所示，钟巍等[8-10]通过对10 mm厚无夹层钢化玻璃和PVB夹层钢化玻璃在爆炸载荷下的毁伤效应进行研究，分析玻璃的不同安装方式对冲击波毁伤阈值的影响，确定不同玻璃的冲击波毁伤超压阈值和冲量阈值；牛欢欢等[11]应用爆炸实验系统，对不同尺寸的中空钢化夹层玻璃进行试验研究，重点考察玻璃本身的PVB胶层、空气层尺寸对抗爆性能的影响，分析得出炸药量的多少和爆心距的远近是影响爆炸作用强度的决定性因素。

1.2.2 激波管试验法

激波管冲击试验采用压缩机压缩空气的方式，使激波管内产生冲击波冲击实验目标物。激波管冲击试验使爆炸试验更为可控和简化。虽然激波管冲击试验法产生冲击波的总体爆炸冲击与实际爆炸大体相当，但由于冲击波的特征和持续时间等存在差别，所以激波管试验在一定程度上是现场爆炸试验的简化和近似。

2 数值模拟研究

数值模拟方法是利用有限元分析软件ANSYS/LSDYNA、ABAQUS和ANSYS/AUTODYN等有限元分析软件，对毁伤目标和炸药等材料建模，并对实验模型进行数值分析。相较于试验研究，数值模拟法能够准确建立理想模型，对预期条件进行精准设置，且效率高、干扰因素少，还能对实验全部过程进行动态显示、输出相关实验参数，具有极强的实用性。目前，有限元分析软件在爆炸领域应用广泛，多使用爆炸荷载简化和流固耦合法进行实验。

2.1 流固耦合法

流固耦合法在有限元分析软件建立二维或三维的1/2模型、1/4模型或全部模型等，使用拉格朗日算法定义玻璃等固体目标物，使用欧拉算法定义空气和炸药，并利用CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字将爆炸冲击波作用于固体目标物上，实现爆炸载荷的加载。

张文岚等[12]针对列车车窗进行研究，对此类结构复杂的三维有限元模型，单一的爆炸荷载简化法无法完成完整模型的构建，必须使用到流固耦合法，通过建立如图2和3所示模型，开展超压峰值验证、不同爆距下玻璃板心冲击波时程曲线、车窗内外层玻璃破坏特征和外层玻璃板心的动力响应等，为分析车窗玻璃在爆炸载荷下的损伤研究、优化车窗玻璃抗爆设计提供参考。

2.2 爆炸荷载简化法

爆炸荷载简化实质是将预设的爆炸冲击波直接加载在固体目标物上，不需要构建炸药和空气部分，便于操作、计算速度快，适用于精度要求不高、比例距离较大、实验设置条件简单、计算量大等情况。

如图4所示，钟巍等[10]对现场爆炸试验的试验结果和CONWEP程序计算结果进行对比，发现得到的超压值、冲击波到达时间、超压作用时间和冲量等爆炸冲击波参数基本一致，在比例距离较大的情况下能够加快计算效率，但在计算精度方面弱于流固耦合法，且不能适用于存在冲击波绕射等复杂情况。Ziyuan Li等[13]针对爆炸载荷下浮法玻璃动力响应，借助有限元模拟方法结合应力理论建立模型。数值模拟结果与理论结果之间的误差率仅为1.90%，证明了所提出的理论表达式在计算爆炸荷载作用下单浮法玻璃有效应力的可靠性。

3 展望

当前，爆炸载荷下玻璃破坏的研究主要集中在防爆抗爆设计、玻璃材料特性和炸药爆炸威力方面，与公安实战中的爆炸现场勘查有一定距离，难以直接运用于公安实战。同时，由于玻璃制作工艺的提升和玻璃结构方式的丰富，不同材料种类和结构方式玻璃的抗爆性能差别较大，公安实战领域以往在爆炸现场勘察中玻璃相关理论和方法面临巨大考验。

爆炸载荷下玻璃破坏研究的关键点在于炸药、玻璃介质和爆炸环境。实际爆炸事件中的炸药以民用炸药为主，结合炸药爆轰特性等研究成果，利用爆热值换算公式换算得出标准TNT当量。玻璃介质需要考虑玻璃材质、结构和尺寸等因素，当前已经有学者针对特定玻璃进行系列实验，但仍需进一步覆盖常见玻璃材质、结构和尺寸研究范围，也可利用曲线拟合方法获取一般性规律。爆炸环境分类众多，包括悬空爆炸、近地爆炸、接触爆炸及水域爆炸等。目前研究大多忽略反射波问题，实验模型以悬空爆炸居多。实际爆炸事件中爆炸环境复杂，多为近地爆炸，在今后的研究中可进一步考虑反射波因素的影响效果。

依据爆炸理论研究，通过数值模拟实验和实际试验相结合的研究思路，考察不同材料种类、结构方式、玻璃尺寸等因素对玻璃破坏情况的影响，进而直接借助爆心距概念分析玻璃破碎与炸药量、装药距离的关系规律，为爆炸领域的科学研究和爆炸现场重建等公安实践工作提供相应的理论支持。