CONWEP法中不同爆炸类型的区别

引言

上篇文章系统阐述了CONWEP（Conventional Weapons Effects Program）方法的理论基础、工程应用背景及其在LS-DYNA显式动力学分析软件中的数值实现过程。基于前文的理论框架，本节课将重点深入探讨CONWEP方法中不同类型爆炸载荷的特征差异，具体包括：自由空气爆炸（Free Air Burst）；地表爆炸（Surface Burst）;3.非球形波阵面（non-spherical, moving air burst）；4.考虑马赫波情况。为直观展示这些理论差异，课程将通过一个典型的爆炸冲击模拟案例，系统分析不同类型爆炸载荷作用下结构表面超压时程曲线的特征区别，包括峰值压力、正压作用时间以及冲击波到达时间等关键参数的对比研究。该案例将采用LS-DYNA软件平台，通过参数化建模方法，实现对不同爆炸场景下结构动态响应的精细化模拟，为工程防护设计提供数据支撑。

CONWEP法中不同爆炸类型介绍

自由空气爆炸（Free Air Burst）

在LS-DYNA中BLAST=2对应着自由空气爆炸（Free Air Burst），作为爆炸载荷分析中最基础的爆炸类型，其爆轰波传播具有典型的球对称特征。在这种爆炸模式下，爆轰波前沿以爆心为原点，呈完美的球面波形式向三维空间均匀扩展。需要特别指出的是，该方法的核心理论假设是忽略爆轰波与地面之间的反射、绕射等相互作用效应，因此其存在条件限制：爆炸中心需距离地面一定的高度，具体数值需根据相关文献资料来判断，当爆炸高度较高时地面效应的影响可控制在工程允许的误差范围内。这一特性使得自由空气爆炸模型特别适用于空爆武器、高空爆炸装置等远离地面的爆炸场景模拟。

地表爆炸（Surface Burst）

在LS-DYNA中BLAST=1对应着地表爆炸（Surface Burst），在该爆轰类型中爆炸位置位于地面，所以爆轰波在空间内以半球的方式传播。

该模型通过引入镜像源法，将地面视为刚性反射面，使得地表附近的冲击波超压值达到自由空气爆炸的1.8-2.2倍。在参数设置方面，地表爆炸模型需要特别考虑装药接触地面的耦合效应，其冲击波参数均采用经地面修正的经验公式计算。与自由空气爆炸相比，地表爆炸在近场区域会产生更复杂的马赫波系结构，这对评估地面军事设施和地下结构的毁伤效应具有重要工程意义。需要注意的是，该模型基于刚性地面假设，即认为地表是完美的刚性反射面，冲击波在此界面发生全反射而不会透射进入地下介质。

非球形波阵面（non-spherical, moving air burst）

在LS-DYNA中BLAST=3对应着非球形波阵面爆炸（Non-Spherical, Moving Air Burst），该模型突破了传统球形冲击波的假设限制，专门用于模拟运动爆炸源或非对称爆炸产生的复杂冲击波场。该模型通过引入运动修正因子和方向性参数，能够准确表征高速运动爆炸源（如巡航导弹、火箭等）产生的多普勒效应，以及非对称装药结构导致的冲击波强度空间分布差异。其核心算法采用矢量叠加原理，综合考虑了爆炸源运动速度、运动轨迹与冲击波传播方向的夹角等因素对波阵面形状和压力分布的影响。

在软件中当选择该爆轰类型时需要在关键字卡片3中输入爆轰阵面的长宽比（RATIO）、弹头速度(VEL)以及速度方向(VID)。其中当RATIO值小于1时，爆轰阵面呈现出扁球形的状态，适用于导弹、RPG等具有聚能药罩的结构。当RATIO值大于1时，适用于管式炸药、炮弹等圆柱形装药的情况。

考虑马赫波情况

在LS-DYNA中BLAST=4对应着考虑马赫杆效应的爆轰情况，该爆轰类型与地面爆炸不同，在BLAST=4时默认爆炸点位于空中而非地面。

上图为典型的马赫杆效应（Mach Stem Effect），主要发生在斜冲击波与刚性表面相互作用时。当冲击波以30°-90°的入射角撞击地面时，入射波与反射波在近地区域发生相干叠加，形成近乎垂直的合成冲击波前沿（马赫杆），其压力峰值可达自由场的2-3倍。该效应最显著的特征是形成包含入射波、反射波和马赫杆的三波点结构，其发展高度随距离的增大而增大。在该爆轰类型中压力值会出现一段明显的上升，该现象的产生就是由合成冲击波导致。

不同爆轰类型对蜂窝夹层轻装甲冲击对比

变形对比

地面爆炸：

空爆

非球形阵面爆炸 R＞1

非球形阵面爆炸 R＞1

近地爆炸

装甲板表面压力曲线对比

压力时程曲线分析表明，不同类型爆炸载荷呈现出显著的特征差异。当地面爆炸（Surface Burst）发生时，由于冲击波与地面的反射叠加效应，其峰值超压达到自由空爆（Free Air Burst）的约2倍，这一现象验证了镜像源理论的有效性。对于非球形爆炸（Non-Spherical Burst）情形，爆轰波阵面的几何形态会显著影响压力分布：长椭球型爆阵面（长宽比RATIO>1）因其法向与轴向夹角小于90度，产生压力聚焦效应，导致爆轰压力较标准空爆提升15-25%；反之，扁椭球型爆阵面（RATIO<1）则因能量发散作用使压力波强度降低约10-20%。当考虑马赫杆效应时，压力曲线在中期阶段会出现明显的阶跃式增长，这对应于入射波与反射波相干叠加形成合成压力波的关键物理过程。

总结

本文系统阐述了CONWEP方法中四种典型爆炸类型（自由空爆、地表爆炸、非球形爆炸和马赫杆效应）的理论原理及其在LS-DYNA中的实现方法。通过轻装甲抗爆冲击的对比模拟，定量分析了不同类型爆炸载荷下爆轰压力场的分布特征及其对结构响应的影响规律。研究成果为工程人员针对不同爆炸场景（如空爆武器、地面爆炸装置、运动战斗部等）选择适当的数值模拟方法提供了理论依据和技术指导，有助于提高爆炸冲击模拟的准确性和工程适用性。