微观时间尺度研究方法在炸药爆炸理论教学中的应用

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　　摘 要为了使学生充分理解《炸药爆炸理论》课程内容，在传统教学方法基础上引入高速相机和数值模拟等微观时间尺度研究方法。教学实践表明：高速相机和数值模拟的引入不仅可以使同学们深入、全面、直观理解课程内容，还可以活跃课堂气氛，调动学生学习积极性，取得了良好的教学效果，对爆炸相关课程的教学具有一定指导意义。
　　关键词数值模拟;高速相机;爆炸;精品课程
　　0 引言
　　《炸药爆炸理论》是安徽理工大學弹药工程与爆炸技术专业创办以来最早开设的专业技术基础课程之一，也是最重要的核心课程之一。本课程主要讲授的内容为爆炸与炸药的概念和分类、化学爆炸三要素、爆炸热化学、炸药热分解及热安定性、冲击波和爆轰波基本理论、炸药性能、炸药起爆和感度以及炸药爆炸作用等方面的内容。其任务是让学生充分掌握与爆炸、燃烧现象相关的基本概念、基本原理和理论知识，为后续课程作很好的知识准备。爆炸和燃烧概念不仅抽象，其过程是超动态，学生对有些知识点理解有一定困难。
　　作为全国培养民用爆破人才的最大摇篮，安徽理工大学弹药工程与爆炸技术专业在人才培养方面有自己的特色。笔者作为弹药专业教师从事爆炸作用及效应方面研究，结合《炸药爆炸理论》教学，谈一谈微观时间尺度研究方法在教学中的应用。
　　1 现有教学中存在的问题
　　《炸药爆炸理论》讲授内容均为爆炸相关知识，爆炸过程由于时间非常短为微秒级，很难通过普通方法捕捉到爆炸过程呈现给学生以直观感受。再加上讲授内容较为抽象难懂，公式较多，如应力波、冲击波传播，爆破破岩等知识点，使得学生学习效果较差。微观时间尺度研究方法可以弥补上述教学中的不足，微观时间尺度研究方法包括超高速相机、数值模拟等方法。
　　2 超高速相机在教学中的优势
　　弹药工程与爆炸技术系拥有日本生产的NAC Memrecam HX-3高速摄像机，该相机配备尼康长短焦镜头，可满足多种爆炸试验需求，最大拍摄速度为130万fps。高速相机可以在微秒级别捕捉爆炸细节，以视频和图片的形式展示，不仅使学生直观感受爆炸过程，并且可以活跃课堂气氛，增加学生学习兴趣。图1为高速相机拍摄爆破破岩过程，从图中可以很清晰看出炸药爆炸后岩石如何形成裂纹，首先炸药爆炸产生初始裂纹，随后爆炸产生的爆生气体快速扩散到初始裂纹面处，形成“气楔”作用，驱动裂纹扩展，学生在课堂上看到气体驱动裂纹扩展的图片和视频，便能很容易理解爆生气体动作用破岩。高速相机的应用，使同学们观察到超动态的爆炸过程成为可能，使同学们更容易理解知识难点。
　　3 数值模拟在教学中的优势
　　国际上研究爆炸力学、高速冲击碰撞领域研究的著名数值模拟软件主要有AUTODYN和LS-DYNA，这类数值软件通过构建数值模型，结合有限元和有限差分法，可以直观呈现爆炸宏观变化过程，还可以监测高速相机无法捕捉的数据，如应力、应变等数据[2]。数值模拟结果具有直观、形象、生动等特点，还可以使同学们直观感受爆炸理论知识，增加学生知识面，调动学生学习兴趣。
　　《炸药爆炸理论》中，重难点可以通过数值模拟方法辅助教学。以护壁爆破知识点为例介绍。传统教学模式介绍护壁爆破知识点时，只能通过语言和画图介绍护壁爆破通过在护壁方向加入护壁材料达到保护岩体目的，学生很难真正理解护壁机理。利用数值模拟软件AUTODYN，课前我们可以构建护壁爆破模型，模拟护壁药包在岩体中爆破。模拟结果可以以图片或视频方式展示给学生，如图2和图3为护壁药包爆炸护壁孔内爆轰流程演化过程和护壁炮孔围岩损伤演化过程。老师可以在讲护壁知识点时，给同学们展示模拟图片，并结合模拟结果解释护壁爆破破岩机理，使同学更好理解护壁爆破知识点。
　　4 结论
　　《炸药爆炸理论》是弹药工程与爆炸技术专业核心课程，大部分内容涉及高温高压超高速的爆炸过程，使得同学们理解专业知识较困难。如何使同学们轻松且深入理解掌握知识点是我们授课老师奋斗目标。本文针对上述问题，提出可以借助高速相机、数值模拟等微观时间尺度研究方法辅助教学，通过笔者实践，发现上述方法可以使超动态的爆炸过程以视频或图片形式呈现给学生，监测爆炸过程中各种数据变化，使同学加深对专业知识的理解，同时可以活跃课堂气氛，调动学生主动学习积极性，对传统教学有辅助作用。
　　参考文献
　　[1]姜琳琳.切缝药包定向断裂爆破机理与应用研究[D].中国矿业大学（北京）， 2010.
　　[2]李磊.基于正交试验法的多面聚能效应的数值模拟与应用研究[D].中国科学技术大学，2013.
　　[3]杨仁树，苏洪.基于动态焦散线实验的护壁药包机理研究[J].中国矿业大学学报， 2019（3）：467-473.
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