趣谈冲击动力学~

趣谈冲击动力学~

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)。

图2 沙袋、 钢盔、 枪械、 刺刀关系图

“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?

再来说说冲击动力学的特点,直接上图。

一铁路铁路工人被车上扔下的馒头砸晕

高速冲击过程,材料呈现流体动力学特性,性质与水类似。

子弹打击厚壁钢面过程

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。

鸟撞飞机场景

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。

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约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。

来源:ANSYS学习与应用返回搜狐,查看更多

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