爆炸力学进展与前沿——第460次香山科学会议综述

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　　编者按：本文为2013年召开的第460次香山科学会议的综述，本次会议以“爆炸力学的进展与前沿”为主题。本文在介绍该会议基本情况的基础上，围绕爆炸力学的学科前沿问题、应用技术以及新发展方向，总结了会议形成的几个方面共识性意见和建议。

　　爆炸力学是研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的利用和防护的学科。中国在爆炸力学的建立和发展过程中，发挥了奠基性的作用，同时为我国国防建设和国民经济发展做出了卓越的贡献。

　　在重大需求和科学探索好奇心的双重驱动下，爆炸力学的内涵不断丰富，从传统的以化学爆炸、核爆炸和穿破甲为主要研究对象，逐步拓展到对电爆炸、粒子束爆炸(也称辐射爆炸)、高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程进行研究。

　　自然界的雷电、地震、火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可以采用爆炸力学方法来解释。与此同时，爆炸力学的应用领域除了经典的武器效应与防护工程外，在先进材料加工技术、灾害预测与控制、基础设施建设，乃至宇宙探索等方面都扮演着重要的角色。

　　为深化和发展爆炸力学的理论和研究方法，拓展爆炸力学的应用领域，促进我国爆炸力学的发展战略和行动指南的制定，保持我国爆炸力学学科在国际上的竞争能力，第460次香山科学会议以“爆炸力学的进展与前沿”为主题，于2013年5月10-11日在北京香山饭店召开。

　　郑哲敏研究员、白以龙研究员、孙承纬研究员、周丰峻研究员、杨秀敏高级工程师为此次会议的执行主席。来自国家自然科学基金委员会、中科院力学所、中科院物理所、中科院国家天文台、中国工程物理研究院一所、四所、九所、总参工程兵三所、四所、西北核技术研究所、兵器204所、北京理工大学、清华大学、中国科技大学、大连理工大学、解放军理工大学、宁波大学等单位多学科、跨领域的专家学者共40余人，出席了此次会议。

　　会议邀请白以龙研究员作了题为“使我困惑的几个与爆炸力学相关的科学问题”的主题评述报告，探讨了爆炸力学领域的几个重要的基本问题，即：材料在高应变率下出现的“热硬化”是表观现象，反映了材料应变率效应的声机制、热机制在高应变率下的转换;失效波(failure wave)与现有应力波的特征不合，可能不是应力波，而只是失效区扩展的前阵面;爆轰中常见的C-J条件，可以推广到介质损伤、破坏等物理过程的描述等;地震是一类“力学爆炸”，虽然包含连续分叉和损伤局部化等复杂因素和过程，但可能有确定的力学前兆。

　　主题评述报告开阔了与会人员的思路，引起了对爆炸力学基本理论完备性、研究方法发展方向的思考与争鸣。会议围绕“爆炸力学方法及学科交叉”、“爆炸力学的理论、实验与数值模拟技术进展”、“爆炸力学的应用与发展”、“材料/结构的动态力学行为研究进展”等中心议题，邀请了24个学术报告。

　　会议系统展示了我国爆炸力学领域的主要进展，显示出爆炸力学学科强劲的生命力，提出了爆炸力学存在的理论和方法上的重大难题及生长点，倡导了爆炸力学与其它学科的交叉与融合。同时，会议还研讨了制约我国爆炸力学发展的体制和机制问题，以及应对的策略。

　　中心议题“爆炸力学方法及学科交叉”的报告中分别介绍了真实空气爆炸冲击波反射及其工程应用情况;展示了不同类型爆炸、不同加载条件区域中，流体弹塑性模型具有的广泛而深刻的描述能力;介绍了引力动力学在天文学中的应用，如测量系外行星、黑洞、星系的质量和空间分布，揭示它们的形成历史和起源等。

　　在“爆炸力学的理论、实验与数值模拟技术进展”中心议题，主要有“磁驱动等熵加载技术及其加载下材料动力学性能研究进展”、“流体弹塑性理论及其在核爆与穿破甲中的应用”、“泡沫金属冲击响应的多尺度模拟和一种新的率敏感性机理”、沫铝材料在冲击加载下坍塌失稳界面的扩展、含能材料多尺度动力学行为和点火起爆响应特性等、引起了广泛的兴趣和深入的讨论。

　　围绕“爆炸力学应用与发展”中心议题，共有“超高速碰撞产生的电磁辐射”、“防护结构抗侵彻计算研究进展”、“爆轰驱动问题的数值模拟研究”、“大型桥梁抗船舶碰撞防护技术研究”、“钨纤维增强Zr基金属玻璃复合材料长杆弹侵彻Q235钢靶试验研究”、“爆炸加工技术的新进展”和“拆除爆破技术进展及存在的问题”等7个报告。内容涵盖了武器效应、防护工程、爆炸加工、爆破工程等技术领域的新理论、新方法和新进展。

　　在“材料/结构的动态力学行为研究进展”中心议题，会议安排了“大块非晶合金：涌现的材料不稳定现象”、“冲击相变的研究进展”、“汽车碰撞安全和人体碰撞保护中的冲击力学前沿问题”、“卸载波在冲击碎裂过程中的作用”、“爆炸激波管改进及在飞行器研制中的应用”、“激光冲击强化的力学效应与机理”等6个报告。

　　两天的会议，围绕爆炸力学的学科前沿问题、应用技术以及新发展方向，进行了深入的交流与热烈的讨论，在如下几个方面形成共识性的意见和建议：

　　1. 材料动态力学行为研究是爆炸力学发展的基础，应当重点关注和优先支持。

　　此次会议上，材料对象，从传统的各类合金钢、岩土等拓展到了非晶材料、单晶材料、散体体系材料、复合材料、含能材料、智能材料、生物材料等;加载特征，从传统的爆轰驱动和高速碰撞条件，拓展到了超高速撞击、等熵加载、强激光冲击加载等;研究的关注点，从传统的确定本构关系和状态方程，拓展到了更加深入的物理过程，如相变、塑性变形、损伤、失稳、碎裂、灾变等。

　　各种新的材料体系在更加极端的加载条件下展现出了丰富而有趣的现象，其物理机制的解释，有待更加精细的观察和测量。

　　从爆炸力学学科的建立和发展历程来看，材料动力学行为研究是爆炸力学效应分析的前提，是爆炸力学理论和思想突破的主要源泉。同时，它孕育着爆炸力学应用的新技术方向。

　　2. 武器效应仍然是爆炸力学发展的主要牵引力。同时，爆炸力学在地质灾害、先进加工工艺、交通安全、空间碎片防护、行星撞击与探测等领域显现出强大的发展潜力，是爆炸力学应用拓展的主要方向。

　　目前看来，各类先进战斗部，以及与之抗衡的各类防护技术，是爆炸力学应用最为活跃的分支，也是学科发展最主要的推动力。会议围绕钻地武器的结构、装药、弹道、侵彻速度和侵彻介质的影响、爆轰波及其爆轰产物的效应等方面展开了充分的讨论。会议认为，武器效应的研究，应继续发挥带动学科进步的目的，并加强与气动力学、化学反应动力学等学科的交叉与结合，在提高武器效应与防护技术水平的同时，丰富爆炸力学的内涵和手段。

　　此次会议上，关于爆炸力学在国民经济和社会发展中的应用，除了相对经典的爆炸加工、爆破工程以外，地质灾害的预警与防治、材料加工工艺、汽车的安全防护、航天器空间碎片防护、行星撞击等问题，呈现了快速的发展态势，并引起与会专家的高度兴趣。爆炸与高速碰撞等是高能量释放率的过程，如何规避其危险，利用其优势，极具挑战性。真正做到对爆炸与冲击效应的驾驭，将会为相关工程领域的发展提供全新的思路和办法。上世纪中后期，我国自主发展的爆炸成形技术、爆炸清淤筑堤技术等为此类工作的发展提供了典范。

　　3. 爆炸力学还需要进一步发现、提炼、认清重大科学问题。

　　此次会议上提出，地震作为地层内储藏的巨量变形能的快速释放过程，可以看作与核爆、化爆、电磁爆炸并列的一种爆炸，不妨称之为“力学爆炸”。与传统爆炸不同，其启动时刻、释放方式与效应具有强烈的不确定性。这些不确定性又主要源于地层储能的大尺度、非均匀和介质力学性能的随机分布。能否基于统计、分叉、局部化、灾变理论的引入，获取具有一定鲁棒性的前兆特征?这是充满魅力的、对力学经典研究思想的挑战。

　　4. 爆炸力学的学科发展，离不开原始创新的重大装置。这是提出前沿问题、解决重大问题、验证现有理论和计算软件的基本要求。

　　总体来看，我国从事爆炸力学研究的相关单位，已经形成了相对完备的实验装置和测试仪器，从加载能力到各种响应测试的精度来，基本上与国际先进水平同步。一些新型的加载和测试技术，如等熵压缩驱动、强激光加载、自由表面质点速度测量、瞬态温度测量等，近年来都有了长足的发展。

　　但是，应该看到我国爆炸力学实验装置与测试技术，仍然处于模仿、跟踪和局部创新的阶段。如何针对爆炸力学的重大应用和学科前沿，发展新原理的实验和测试技术构成了实验爆炸力学的主要挑战。在实验装置上，主要的趋势应该是更加极端和更加复杂条件的营造。在测试技术上，应该更快吸收光电等技术领域的新进展，发展更高时、空分辨力的，多物理场综合测试手段。

　　5. 爆炸力学的发展和应用，需要建立起我国自己的能够解决复杂问题的大型软件和大的数据库。软件的研制必须以可靠的物理模型和先进的算法为基础，但应该更加重视验证和确认的问题(Verification and Validation)。

　　由于爆炸现象及其效应的强非线性和瞬时特征，数值模拟成为了爆炸力学定量化研究的主要手段之一，也是爆炸力学应用领域提高研制水平和效率的关键。爆炸力学软件，可以分为两大类：一是满足工程研制需要的大型计算软件，以较强的通用性和稳定性、较全面的物理模型和算法、较便捷的用户界面等为特征;二是满足爆炸力学基本问题研究需要的计算软件，以揭示基本的物理现象和规律为目标，以多尺度、多物理场计算方法为主要内涵。

　　对于科学研究软件而言，目前的重点在于算法的发展，以弥补基于第一性原理计算、分子动力学方法在时间/空间尺度上与宏观尺度的鸿沟。各种粗粒化方法、宏微观界面连接技术、多时间步长方法等是研究的热点。

　　应该注意到，物理模型库、材料参数库、实验效应数据库的建立与共享，对于我国爆炸力学软件的进步，将会起到决定性的作用。相关数据库的建立，一方面，为算法和软件的改进提供了方向;另一方面，它们是各类软件的验证和确认的基础。在这个关键的问题上，由于体制、机制、保密等方面的限制，发展前景不容乐观，这势必会导致大量的人力、物力浪费，以及学科和工程技术发展的迟滞。

　　会议建议，由中国科学院力学研究所联合中国力学学会及相关单位，建立起我国爆炸力学的发展论坛，实现研究思想、科学软件、实验现象和数据、实验装置的共享。在此基础上，形成重大的、有望解决和实现的科学问题、科学装置和科学软件计划，凝聚力量，在国家有关部门的支持下，推动爆炸力学学科的整体发展和进步。

　　本文来源于百度文库《爆炸力学的进展与前沿》