趣谈什么是冲击动力学

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　　一、冲击动力学的基本内涵

　　冲击动力学 —— 研究材料或结构在短时快速变化的冲击载荷作用下产生波动(应力波传播)，并使固体材料产生运动、变形和破坏的规律，涉及固体中弹塑性波的传播和相互作用的动力学分支学科。

　　什么玩意，一脸懵逼有没有。来点通俗易懂的，“骑马射箭”、“枪械射击”、“汽车碰撞”、“炸弹爆炸”这些贴近生活的情景总知道吧，这些都是典型的冲击动力学问题。冲击动力学，其实就是研究诸如此类的瞬变、动载荷动态作用下，结构的动态响应过程。

　　“原来'突然怼了一下'就是冲击动力学?”

　　“咳!咳!这是你的理解，我这么严(装)谨(X)的人才不会那么说。”

　　二、冲击动力学的典型特征

　　言归正传，冲击过程和静力过程，到底有什么区别?

　　还是上图吧，请看图1(a)~(c)，图1(a)中的胖喵靠体型取胜，这是静力问题;图1(b)中的两喵比拼的是速度，快者取胜，这就是冲击问题;图1(c)中的傻喵摇头晃脑，这是疲劳问题(说不定这只喵在治疗颈椎病)。

　　总结一下(注意一下，划考点了)：静力学，载荷作用过程是恒定的，不随时间变化;冲击动力学，载荷作用的时间很短，高速高能量;疲劳问题，载荷持续周期作用。

　　图1(a) 我压死你(静力学问题)

　　图1(b)我拍死你(冲击问题)

　　图1(c)这么晃你不吐吗(疲劳问题)

　　那冲击动力学到底有什么特点?

　　对于这个问题，继续上图。图2给出四个战场上常见的四个物件，分别是：子弹、沙袋、刺刀、钢盔。刀剑可以轻而易举的刺穿柔软的沙袋，但是沙袋能轻易拦住速度为1000m/s的子弹;刺刀最多能在鬼子的钢盔上留下一道印痕，而子弹却能轻易击穿头盔并爆了小鬼子的头(有效射程、垂直击中)。

　　你肯能会问”胡扯吧你，那带头盔有个卵用?”

　　“不要暴露你的无知，头盔主要用来挡崩飞的碎石、破片的，也能把斜射子弹崩飞。当然对我国的土掉渣的汉阳造也有很强的抵挡作用。”

　　很神奇有没有，和“棒子-老虎-鸡-虫子”一模一样嘛!“一物降一物”，万物相生相克，不仅在自然界适用，科学领域同样也是适用有木有?

　　图 2沙袋、 钢盔、 枪械、 刺刀关系图

　　再来说说冲击动力学的特点，直接上图，大家自己体会吧。

　　一铁路铁路工人被车上扔下的慢头砸晕

　　简直就是一个馒头引发的血案啊!

　　天下武功，无坚不摧，唯快不破!

　　以快制胜的武林高手，其口头禅会是— —信不信我一个馒头砸死你?

　　高空跳水

　　据报道，俄罗斯一小伙高空跳水，因入水姿势不对，被湖面拍死。

　　有关研究表明，从50m高空跳水，以平趴或平仰姿势触水，瞬时冲击力和砸在水泥地上的效果没有本质区别。

　　武功绝学，以刚制柔，柔中带刚!

　　子弹打击厚壁钢面过程

　　高速冲击过程，材料呈现流体动力学特性，性质与水类似。

　　子弹君，打人的时候你不挺硬气的吗?也有软的时候?

　　刚中带柔!只是柔没有克得住刚~

　　鸟撞飞机后的惨烈后果

　　一只7公斤的大鸟撞在时速960公里的飞机上，冲击力将达到144吨;一只麻雀就足以撞毁降落时的飞机的发动机。


　　自1988年来，已超过200人由于鸟撞飞机丧生。

　　心中无敌，无敌于天下!不解释了，脑补下图!

　　飞机鸟撞场景

　　水中射击

　　子弹在水中的阻力大致是空气中阻力的800倍(和速度有关)，一般水中射击距离不会超过2m。

　　遭受恐怖袭击时，躲在水里相对是安全的，前提是你憋气时间够长;电影里那些射击水里敌人后窜出一朵血花的场景都是艺术效果。

　　牛顿碰碰球

　　动量守恒、能量守恒是表象，弹性应力波的传递、反射与投射才是牛顿碰碰球来回摆动的微观实质。

　　隔山打牛，借力打力!又是一种武功绝学。

　　总结一下冲击动力学相对静力学的特点：

　　1、惯性效应、阻尼效应和应变率效应都不可忽略，冲击速度越大越显著;静力学不需要考虑三者的影响。

　　2、冲击过程，能量是首位的，冲击能量越高，动响应越显著;静力作用，载荷是首位的，载荷越大，变形越显著，越有可能引起结构破坏。

　　3、高速冲击过程，材料除形状会发生改变，物质状态(流体、固体、气体)、物质种类(化学反应)都将可能发生显著改变;而静力加载，一般仅体现出变形和断裂。

　　4、冲击动力学更体现为一个短暂过程，应力波传递和结构响应随时间变化的过程;静力学更体现为一种状态，约束和载荷综合作用与结构时，结构处于一种平衡状态，内部无应力波传递。

　　击中典型冲击过程的持续事件如下表：

　　稍微解析一下应力波：
　　应力波是应力和应变扰动在固体中的传播形式，主要包括：弹性波、塑性波和冲击波等表现形式。波动经过的区域，应力水平会出现显著压力差，推动冲击动量/能量由近及远地传播。冲击波是一种特殊的应力波，波阵面的压力是强间断的。

　　做个不太严谨的解释，不必细追究。应力波和水波、声波类似，传播形式相同。不同之处，在于传播的地介质，水波作用于水面，声波常见地作用于空气，应力波主要作用于固体。

　　水波

　　声波

　　三、冲击动力学的研究领域

　　概括来说，冲击动力学主要研究两类基本问题、四大研究方向。

　　两类基本问题，分别是指：

　　应力波传播理论
　　将冲击过程看成局部扰动的形成和传播问题，结构响应仅视为应力波传播过程的宏观体现。弹性波、塑性波、冲击波等应力波方面均建立了较为成熟的理论体系，并建立了科学可靠的测试方法。

　　结构/材料的动态响应
　　忽略扰动传播过程，研究结构变形、断裂及其与时间的关系。根据关注点不同，又可以分为“冲击效能”和“冲击防护”，二者是矛与盾的关系。冲击效能是使矛更锐，以保证能穿透盾的防护;冲击防护是使盾更硬，以保证能抗的住的矛的攻击。

　　冲击效能与冲击防护的关系

　　上述三者，再加上材料动力学研究，就构成了冲击动力学的四大研究方向，分别为：

　　    · 材料的动态力学性能;

　　    · 应力波理论;


　　    · 冲击效能研究;


　　    ·冲击防护研究。

　　四、因冲击导致的灾难性事故

　　随着人类文明进步和科学技术的提高，人类能操纵的能量等级越来越高，给人类带来巨大便利的同时，由冲击现象导致的生命损失和经济损失也越来越严重。

　　下面列举一些代表性的灾难性事故：

　　汽车碰撞

　　据统计，仅在中国，每年因汽车碰撞事故而导致的死亡人数就多大10万人。

　　舰船碰撞

　　飞机坠撞

　　每年全球出现数百起军民机坠撞事故。据统计，民机坠撞的死亡率高达46%。

　　火车碰撞

　　2011年7月23日20时30分05秒，两辆高铁在温州境内发生追尾事故，造成40人死亡、172人受伤，直接经济损失1.94亿元。

　　哥伦比亚号航天飞机失事

　　2003年1月16日，哥伦比亚号航天飞机失事，七名航天员丧生。原因是火箭燃料箱的隔热泡沫脱落时撞击了航天飞机的左机翼，导致左机翼被撞出一个25公分开口。航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂隙处进入"哥伦比亚"号机体，造成航天飞机解体。

　　卫星碰撞

　　2009年2月10日，美国一颗商用通信卫星与俄罗斯一颗报废军用通信卫星在太空碰撞，两颗卫星均完全损毁，产生约12000个太空垃圾。

　　911事件

　　2001年9月11日，美国遭遇了迄今为止人类历史上最为严重的恐怖袭击。纽约五角大楼先后遭到恐怖主义分子劫持的波音757、767飞机猛烈撞击，导致世贸双塔轰然倒塌，共造成3000多人死亡和失踪。

　　核弹爆炸

　　1945年，美国在日本广岛和长崎投放两颗原子弹，原子弹爆炸导致数十万人死亡，两座城市几乎夷为平地。

　　陨石撞地球

　　6500万年前一颗直径10千米的陨石撞击地球，导致恐龙灭绝。据相关专家估计，直径在一二百米的陨石会造成毁灭性的气候巨变，造成至少90%的人类死亡。

　　五、冲击动力学在工程上的应用

　　冲击动力学在日常生活中，也得到广泛应用。在民用领域，主要应用于生产;而在军事应用领域主要用于破坏或防护。

　　在民用领域的应用，举例如下：

　　钉钉子

　　冲击压路机

　　喷丸强化

　　定向爆破

　　冲击沉桩

　　冲击成型

　　在军用方面的应用，举例如下：

　　穿甲弹

　　摧毁掩体

　　民机抗冲击吸能结构

　　古代攻城器械

　　各种导弹

　　六、总结

　　1、冲击动力学是主要研究瞬变、动载荷作用下，应力波传播及结构响应的一门固体力学学科;

　　2、冲击动力学的标签：惯性效应、阻尼效应、应变率效应、高速高能量、固体流变、化学反应、应力波、侵彻……;

　　3、冲击动力学研究的两类基本问题：应力波传播、结构动态响应;

　　4、冲击载荷严重威胁人类安全，同时又在军民领域有广泛应用。

　　(原文注：感谢郭亚周，张宇为本文的撰写提供了大量素材。)
　　来源：ANSYS学习与应用(ID：use_ansys)
　　作者：刘小川 王计真