浅谈冲击动力学

冲击动力学航空科技重点实验室2020-11-08 10:02:18

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(3)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:(1)子弹、(2)沙袋、(3)刺刀、(4)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。

图3  一铁路铁路工人被车上扔下的慢走砸晕

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?


图4 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!



图 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~


图 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!

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。


图 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:


状态

历时

压力变化

核爆炸中心

几微秒

103~104GPa

炸药固体表面接触爆炸

几微秒

10GPa

子弹射击靶板

几十微秒

1~10GPa

这里稍微解析一下应力波:应力波是应力和应变扰动在固体种的传播形式;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。

图 水波


图 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:

(1)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。

(2)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。

图 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:

(1)材料的动态力学性能;

(2)应力波理论;

(3)冲击效能研究;

(4)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。

图 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。


图 舰船碰撞


图 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%。


图 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。


图 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。


图 卫星碰撞

2009.02.10,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12,000个太空垃圾。


图 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。


图 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。


图 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。

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:

图 钉钉子


图 冲击压路机


图 喷丸强化


图 定向爆破


图 冲击沉桩


图 冲击成型

  • 在军用方面的应用,举例如下:

图 穿甲弹


图 摧毁掩体


图 民机抗冲击吸能结构


图 古代攻城器械


图 各种导弹


六、总结

(1)冲击动力学主要研究瞬变、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,同时又在军民领用有广泛应用。


感谢:郭亚周,张宇两位同事,为本文的撰写提供了大量素材。

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