微觀時間尺度研究方法在炸藥爆炸理論教學(xué)中的應(yīng)用

蘇洪 龔悅 汪泉

摘 要為了使學(xué)生充分理解《炸藥爆炸理論》課程內(nèi)容，在傳統(tǒng)教學(xué)方法基礎(chǔ)上引入高速相機和數(shù)值模擬等微觀時間尺度研究方法。教學(xué)實踐表明：高速相機和數(shù)值模擬的引入不僅可以使同學(xué)們深入、全面、直觀理解課程內(nèi)容，還可以活躍課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生學(xué)習積極性，取得了良好的教學(xué)效果，對爆炸相關(guān)課程的教學(xué)具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞數(shù)值模擬;高速相機;爆炸;精品課程

0 引言

《炸藥爆炸理論》是安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)創(chuàng)辦以來最早開設(shè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，也是最重要的核心課程之一。本課程主要講授的內(nèi)容為爆炸與炸藥的概念和分類、化學(xué)爆炸三要素、爆炸熱化學(xué)、炸藥熱分解及熱安定性、沖擊波和爆轟波基本理論、炸藥性能、炸藥起爆和感度以及炸藥爆炸作用等方面的內(nèi)容。其任務(wù)是讓學(xué)生充分掌握與爆炸、燃燒現(xiàn)象相關(guān)的基本概念、基本原理和理論知識，為后續(xù)課程作很好的知識準備。爆炸和燃燒概念不僅抽象，其過程是超動態(tài)，學(xué)生對有些知識點理解有一定困難。

作為全國培養(yǎng)民用爆破人才的最大搖籃，安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)在人才培養(yǎng)方面有自己的特色。筆者作為彈藥專業(yè)教師從事爆炸作用及效應(yīng)方面研究，結(jié)合《炸藥爆炸理論》教學(xué)，談一談微觀時間尺度研究方法在教學(xué)中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有教學(xué)中存在的問題

《炸藥爆炸理論》講授內(nèi)容均為爆炸相關(guān)知識，爆炸過程由于時間非常短為微秒級，很難通過普通方法捕捉到爆炸過程呈現(xiàn)給學(xué)生以直觀感受。再加上講授內(nèi)容較為抽象難懂，公式較多，如應(yīng)力波、沖擊波傳播，爆破破巖等知識點，使得學(xué)生學(xué)習效果較差。微觀時間尺度研究方法可以彌補上述教學(xué)中的不足，微觀時間尺度研究方法包括超高速相機、數(shù)值模擬等方法。

2 超高速相機在教學(xué)中的優(yōu)勢

彈藥工程與爆炸技術(shù)系擁有日本生產(chǎn)的NAC Memrecam HX-3高速攝像機，該相機配備尼康長短焦鏡頭，可滿足多種爆炸試驗需求，最大拍攝速度為130萬fps。高速相機可以在微秒級別捕捉爆炸細節(jié)，以視頻和圖片的形式展示，不僅使學(xué)生直觀感受爆炸過程，并且可以活躍課堂氣氛，增加學(xué)生學(xué)習興趣。圖1為高速相機拍攝爆破破巖過程，從圖中可以很清晰看出炸藥爆炸后巖石如何形成裂紋，首先炸藥爆炸產(chǎn)生初始裂紋，隨后爆炸產(chǎn)生的爆生氣體快速擴散到初始裂紋面處，形成“氣楔”作用，驅(qū)動裂紋擴展，學(xué)生在課堂上看到氣體驅(qū)動裂紋擴展的圖片和視頻，便能很容易理解爆生氣體動作用破巖。高速相機的應(yīng)用，使同學(xué)們觀察到超動態(tài)的爆炸過程成為可能，使同學(xué)們更容易理解知識難點。

3 數(shù)值模擬在教學(xué)中的優(yōu)勢

國際上研究爆炸力學(xué)、高速沖擊碰撞領(lǐng)域研究的著名數(shù)值模擬軟件主要有AUTODYN和LS-DYNA，這類數(shù)值軟件通過構(gòu)建數(shù)值模型，結(jié)合有限元和有限差分法，可以直觀呈現(xiàn)爆炸宏觀變化過程，還可以監(jiān)測高速相機無法捕捉的數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)[2]。數(shù)值模擬結(jié)果具有直觀、形象、生動等特點，還可以使同學(xué)們直觀感受爆炸理論知識，增加學(xué)生知識面，調(diào)動學(xué)生學(xué)習興趣。

《炸藥爆炸理論》中，重難點可以通過數(shù)值模擬方法輔助教學(xué)。以護壁爆破知識點為例介紹。傳統(tǒng)教學(xué)模式介紹護壁爆破知識點時，只能通過語言和畫圖介紹護壁爆破通過在護壁方向加入護壁材料達到保護巖體目的，學(xué)生很難真正理解護壁機理。利用數(shù)值模擬軟件AUTODYN，課前我們可以構(gòu)建護壁爆破模型，模擬護壁藥包在巖體中爆破。模擬結(jié)果可以以圖片或視頻方式展示給學(xué)生，如圖2和圖3為護壁藥包爆炸護壁孔內(nèi)爆轟流程演化過程和護壁炮孔圍巖損傷演化過程。老師可以在講護壁知識點時，給同學(xué)們展示模擬圖片，并結(jié)合模擬結(jié)果解釋護壁爆破破巖機理，使同學(xué)更好理解護壁爆破知識點。

4 結(jié)論

《炸藥爆炸理論》是彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)核心課程，大部分內(nèi)容涉及高溫高壓超高速的爆炸過程，使得同學(xué)們理解專業(yè)知識較困難。如何使同學(xué)們輕松且深入理解掌握知識點是我們授課老師奮斗目標。本文針對上述問題，提出可以借助高速相機、數(shù)值模擬等微觀時間尺度研究方法輔助教學(xué)，通過筆者實踐，發(fā)現(xiàn)上述方法可以使超動態(tài)的爆炸過程以視頻或圖片形式呈現(xiàn)給學(xué)生，監(jiān)測爆炸過程中各種數(shù)據(jù)變化，使同學(xué)加深對專業(yè)知識的理解，同時可以活躍課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習積極性，對傳統(tǒng)教學(xué)有輔助作用。

參考文獻

[1]姜琳琳.切縫藥包定向斷裂爆破機理與應(yīng)用研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)（北京）， 2010.

[2]李磊.基于正交試驗法的多面聚能效應(yīng)的數(shù)值模擬與應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013.

[3]楊仁樹，蘇洪.基于動態(tài)焦散線實驗的護壁藥包機理研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2019（3）：467-473.