一、沖擊動(dòng)力學(xué)的基本內(nèi)涵
沖擊動(dòng)力學(xué) —— 研究材料或結(jié)構(gòu)在短時(shí)快速變化的沖擊載荷作用下產(chǎn)生波動(dòng)（應(yīng)力波傳播），并使固體材料產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、變形和破壞的規(guī)律，涉及固體中彈塑性波的傳播和相互作用的動(dòng)力學(xué)分支學(xué)科。 來(lái)點(diǎn)通俗易懂的，“騎馬射箭”、“槍械射擊”、“汽車(chē)碰撞”、“炸彈爆炸”這些貼近生活的情景總知道吧，這些都是典型的沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。沖擊動(dòng)力學(xué)，其實(shí)就是研究諸如此類(lèi)的瞬變、動(dòng)載荷動(dòng)態(tài)作用下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。 二、沖擊動(dòng)力學(xué)的典型特征 沖擊過(guò)程和靜力過(guò)程，到底有什么區(qū)別？還是上圖吧，請(qǐng)看圖1(a)~(c)，圖1(a)中的胖喵靠體型取勝，這是靜力問(wèn)題；圖1(b)中的兩喵比拼的是速度，快者取勝，這就是沖擊問(wèn)題；圖1(c)中的傻喵搖頭晃腦，這是疲勞問(wèn)題。 總結(jié)一下：靜力學(xué)，載荷作用過(guò)程是恒定的，不隨時(shí)間變化；沖擊動(dòng)力學(xué)，載荷作用的時(shí)間很短，高速高能量；疲勞問(wèn)題，載荷持續(xù)周期作用。 圖1(a) 我壓死你（靜力學(xué)問(wèn)題） 圖1(b)我拍死你（沖擊問(wèn)題） 圖1(c) 這么晃你不吐嗎（疲勞問(wèn)題） 那沖擊動(dòng)力學(xué)到底有什么特點(diǎn)？ 對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，繼續(xù)上圖。圖2給出四個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)上常見(jiàn)的四個(gè)物件，分別是：子彈、沙袋、刺刀、鋼盔。刀劍可以輕而易舉的刺穿柔軟的沙袋，但是沙袋能輕易攔住速度為1000m/s的子彈；刺刀最多能在鬼子的鋼盔上留下一道印痕，而子彈卻能輕易擊穿頭盔并爆了小鬼子的頭（有效射程、垂直擊中）。 圖2 沙袋、 鋼盔、 槍械、 刺刀關(guān)系圖 “一物降一物”，萬(wàn)物相生相克，不僅在自然界適用，科學(xué)領(lǐng)域同樣也是適用有木有？ 再來(lái)說(shuō)說(shuō)沖擊動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，直接上圖。 一鐵路鐵路工人被車(chē)上扔下的饅頭砸暈 高速?zèng)_擊過(guò)程，材料呈現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)特性，性質(zhì)與水類(lèi)似。 子彈打擊厚壁鋼面過(guò)程 鳥(niǎo)撞飛機(jī)后的慘烈后果 一只7公斤的大鳥(niǎo)撞在時(shí)速960公里的飛機(jī)上，沖擊力將達(dá)到144噸；一只麻雀就足以撞毀降落時(shí)的飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。自1988年來(lái)，已超過(guò)200人由于鳥(niǎo)撞飛機(jī)喪生。 鳥(niǎo)撞飛機(jī)場(chǎng)景 水中射擊 子彈在水中的阻力大致是空氣中阻力的800倍（和速度有關(guān)），一般水中射擊距離不會(huì)超過(guò)2m。 遭受恐怖襲擊時(shí)，躲在水里相對(duì)是安全的，前提是你憋氣時(shí)間夠長(zhǎng)；電影里那些射擊水里敵人后竄出一朵血花的場(chǎng)景都是藝術(shù)效果。 牛頓碰碰球 動(dòng)量守恒、能量守恒是表象，彈性應(yīng)力波的傳遞、反射與投射才是牛頓碰碰球來(lái)回?cái)[動(dòng)的微觀實(shí)質(zhì)。 總結(jié)一下沖擊動(dòng)力學(xué)相對(duì)靜力學(xué)的特點(diǎn)： 1.慣性效應(yīng)、阻尼效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)都不可忽略，沖擊速度越大越顯著；靜力學(xué)不需要考慮三者的影響。 2.沖擊過(guò)程，能量是首位的，沖擊能量越高，動(dòng)響應(yīng)越顯著；靜力作用，載荷是首位的，載荷越大，變形越顯著，越有可能引起結(jié)構(gòu)破壞。 3.高速?zèng)_擊過(guò)程，材料除形狀會(huì)發(fā)生改變，物質(zhì)狀態(tài)（流體、固體、氣體）、物質(zhì)種類(lèi)（化學(xué)反應(yīng)）都將可能發(fā)生顯著改變；而靜力加載，一般僅體現(xiàn)出變形和斷裂。 4.沖擊動(dòng)力學(xué)更體現(xiàn)為一個(gè)短暫過(guò)程，應(yīng)力波傳遞和結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時(shí)間變化的過(guò)程；靜力學(xué)更體現(xiàn)為一種狀態(tài)，約束和載荷綜合作用與結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于一種平衡狀態(tài)，內(nèi)部無(wú)應(yīng)力波傳遞。 擊中典型沖擊過(guò)程的持續(xù)事件如下表： 稍微解析一下應(yīng)力波 應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動(dòng)在固體中的傳播形式，主要包括：彈性波、塑性波和沖擊波等表現(xiàn)形式。波動(dòng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域，應(yīng)力水平會(huì)出現(xiàn)顯著壓力差，推動(dòng)沖擊動(dòng)量/能量由近及遠(yuǎn)地傳播。沖擊波是一種特殊的應(yīng)力波，波陣面的壓力是強(qiáng)間斷的。 做個(gè)不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕忉專(zhuān)槐丶?xì)追究。應(yīng)力波和水波、聲波類(lèi)似，傳播形式相同。不同之處，在于傳播的地介質(zhì)，水波作用于水面，聲波常見(jiàn)地作用于空氣，應(yīng)力波主要作用于固體。 水波 聲波 三、沖擊動(dòng)力學(xué)的研究領(lǐng)域 概括來(lái)說(shuō)，沖擊動(dòng)力學(xué)主要研究?jī)深?lèi)基本問(wèn)題、四大研究方向。 兩類(lèi)基本問(wèn)題，分別是指： 應(yīng)力波傳播理論 將沖擊過(guò)程看成局部擾動(dòng)的形成和傳播問(wèn)題，結(jié)構(gòu)響應(yīng)僅視為應(yīng)力波傳播過(guò)程的宏觀體現(xiàn)。彈性波、塑性波、沖擊波等應(yīng)力波方面均建立了較為成熟的理論體系，并建立了科學(xué)可靠的測(cè)試方法。 結(jié)構(gòu)/材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 忽略擾動(dòng)傳播過(guò)程，研究結(jié)構(gòu)變形、斷裂及其與時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)關(guān)注點(diǎn)不同，又可以分為“沖擊效能”和“沖擊防護(hù)”，二者是矛與盾的關(guān)系。沖擊效能是使矛更銳，以保證能穿透盾的防護(hù)；沖擊防護(hù)是使盾更硬，以保證能抗的住的矛的攻擊。 沖擊效能與沖擊防護(hù)的關(guān)系 上述三者，再加上材料動(dòng)力學(xué)研究，就構(gòu)成了沖擊動(dòng)力學(xué)的四大研究方向，分別為： 材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能； 應(yīng)力波理論； 沖擊效能研究； 沖擊防護(hù)研究。 四、因沖擊導(dǎo)致的災(zāi)難性事故 隨著人類(lèi)文明進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的提高，人類(lèi)能操縱的能量等級(jí)越來(lái)越高，給人類(lèi)帶來(lái)巨大便利的同時(shí)，由沖擊現(xiàn)象導(dǎo)致的生命損失和經(jīng)濟(jì)損失也越來(lái)越嚴(yán)重。 下面列舉一些代表性的災(zāi)難性事故： 汽車(chē)碰撞 據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在中國(guó)，每年因汽車(chē)碰撞事故而導(dǎo)致的死亡人數(shù)就約10萬(wàn)人。 艦船碰撞 飛機(jī)墜撞 每年全球出現(xiàn)數(shù)百起軍民機(jī)墜撞事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，民機(jī)墜撞的死亡率高達(dá)46%。 火車(chē)碰撞 2011年7月23日20時(shí)30分05秒，兩輛高鐵在溫州境內(nèi)發(fā)生追尾事故，造成40人死亡、172人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1.94億元。 哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事 2003年1月16日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事，七名航天員喪生。原因是火箭燃料箱的隔熱泡沫脫落時(shí)撞擊了航天飛機(jī)的左機(jī)翼，導(dǎo)致左機(jī)翼被撞出一個(gè)25公分開(kāi)口。航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)，超高溫氣體得以從裂隙處進(jìn)入"哥倫比亞"號(hào)機(jī)體，造成航天飛機(jī)解體。 衛(wèi)星碰撞 2009年2月10日，美國(guó)一顆商用通信衛(wèi)星與俄羅斯一顆報(bào)廢軍用通信衛(wèi)星在太空碰撞，兩顆衛(wèi)星均完全損毀，產(chǎn)生約12000個(gè)太空垃圾。 911事件 2001年9月11日，美國(guó)遭遇了迄今為止人類(lèi)歷史上最為嚴(yán)重的恐怖襲擊。紐約五角大樓先后遭到恐怖主義分子劫持的波音757、767飛機(jī)猛烈撞擊，導(dǎo)致世貿(mào)雙塔轟然倒塌，共造成3000多人死亡和失蹤。 核彈爆炸 1945年，美國(guó)在日本廣島和長(zhǎng)崎投放兩顆原子彈，原子彈爆炸導(dǎo)致數(shù)十萬(wàn)人死亡，兩座城市幾乎夷為平地。 隕石撞地球 6500萬(wàn)年前一顆直徑10千米的隕石撞擊地球，導(dǎo)致恐龍滅絕。據(jù)相關(guān)專(zhuān)家估計(jì)，直徑在一二百米的隕石會(huì)造成毀滅性的氣候巨變，造成至少90%的人類(lèi)死亡。 五、沖擊動(dòng)力學(xué)在工程上的應(yīng)用 沖擊動(dòng)力學(xué)在日常生活中，也得到廣泛應(yīng)用。在民用領(lǐng)域，主要應(yīng)用于生產(chǎn)；而在軍事應(yīng)用領(lǐng)域主要用于破壞或防護(hù)。 在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，舉例如下： 釘釘子 沖擊壓路機(jī) 噴丸強(qiáng)化 定向爆破 沖擊沉樁 沖擊成型 在軍用方面的應(yīng)用，舉例如下： 穿甲彈 摧毀掩體 民機(jī)抗沖擊吸能結(jié)構(gòu) 古代攻城器械 各種導(dǎo)彈 六、總結(jié) · 1 · 沖擊動(dòng)力學(xué)是主要研究瞬變、動(dòng)載荷作用下，應(yīng)力波傳播及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一門(mén)固體力學(xué)學(xué)科； · 2 · 沖擊動(dòng)力學(xué)的標(biāo)簽：慣性效應(yīng)、阻尼效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)、高速高能量、固體流變、化學(xué)反應(yīng)、應(yīng)力波、侵徹……； · 3 · 沖擊動(dòng)力學(xué)研究的兩類(lèi)基本問(wèn)題：應(yīng)力波傳播、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)； · 4 · 沖擊載荷嚴(yán)重威脅人類(lèi)安全，同時(shí)又在軍民領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 來(lái)源：ANSYS學(xué)習(xí)與應(yīng)用
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