Visualization of High-velocity Phenomena under Explosion and Impulsive Pressure Assisted by Numerical Simulation

Abstract

1．は じ め に 著者らはこれまで，主に爆薬を用いた材料加工に関して 研究を行ってきた．この種の加工は爆発加工と呼ばれ，か つては板材の爆発成形や爆発硬化などの技術が実用化さ れ，現在は爆発圧接技術が工業的に広く利用されてい る 1) ．高速の材料加工を実現するために用いるエネルギー 源は爆薬に限る必要はなく，大容量のコンデンサーにため た電気を瞬間的に放出する衝撃大電流を用いて電磁成形 2) や放電成形 3) といった技術に利用することもできる．これ らの技術を総称して，高エネルギー速度加工と呼ばれるこ ともある．この技術で用いられる速度は最低でも数十 m/ s 程度であり，爆発圧接では数百 m/s の速度が必要であ る．250 m/s が 900 km/h であるから，爆発圧接はジェッ ト旅客機の最高速度かそれ以上の速度での現象を利用して いるといえる．地球物理，宇宙工学の分野ではさらに高い 速度が要求されるので，2 段衝撃銃といった特殊な超高圧 発生装置を用いることになる． このような超高速現象は撮影のタイミングがずれると現 象を撮影できないので光学計測には経験と忍耐を要し，直 接現象を観察することが難しい場合も多い．そこでわれわ れは，超高速で生じている現象を解明するために，光学計 測による可視化と数値シミュレーションを併用しながら研 究を行っている．ここでは，われわれがこれまで行ってき た研究の例をいくつか紹介することを通じて，高エネルギ ー速度加工に関連する可視化の状況を理解していただくと ともに，この特殊な加工技術の可能性についても解説して みたい． 2．光 学 計 測 法 爆薬の爆轟過程そのものや爆轟ガスによる金属の変形過 程の光学計測は，熊本大学パルスパワー科学研究所(従来 の衝撃・極限環境研究センターが他センターと融合して 2013 年 4 月に設置)にある爆発ピットを利用して実験を 行っている．光学計測は，図 1 に示すようなシステムを 用いて実施される．われわれが主に実施している計測はシ ャドーグラフ法といわれ，物体の移動によって背光が遮ら れた部分の影を観察していることになる．光学計測には， 主に 1 μs ごとに 100 コマの連続撮影(モノクロ)が可能 な高速度ビデオカメラを使用しており，関連する現象の可 視化には極めて有効な装置である．最近はもう少しスペッ クが改良された機種も存在するようである． 爆薬の爆轟に伴う金属の変形を撮影するときに多く生じ る問題として，爆薬の爆轟ガスの膨張が変形より極めて早 く，可視化が難しいことがある．このためわれわれは十分 に大きな金属板を用意して，爆轟ガスの先行による遮光を 防ぎながら光学計測を行うなどの工夫をして実験を行って いる．図 2 に，金属板の中心部上方に一定厚さの爆薬を 設置して，板の中心から起爆したときに生じる金属板の変 形形状を光学観察した結果を示す．この場合，起爆された 中心から金属板が円錐形状を呈しながら高速変形している 状況が観察されている． 626