一、沖擊動力學的基本內(nèi)涵
沖擊動力學 —— 研究材料或結(jié)構(gòu)在短時快速變化的沖擊載荷作用下產(chǎn)生波動（應(yīng)力波傳播），并使固體材料產(chǎn)生運動、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力學分支學科。 來點通俗易懂的，“騎馬射箭”、“槍械射擊”、“汽車碰撞”、“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力學問題。沖擊動力學，其實就是研究諸如此類的瞬變、動載荷動態(tài)作用下，結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)過程。 二、沖擊動力學的典型特征 沖擊過程和靜力過程，到底有什么區(qū)別？還是上圖吧，請看圖1(a)~(c)，圖1(a)中的胖喵靠體型取勝，這是靜力問題；圖1(b)中的兩喵比拼的是速度，快者取勝，這就是沖擊問題；圖1(c)中的傻喵搖頭晃腦，這是疲勞問題。 總結(jié)一下：靜力學，載荷作用過程是恒定的，不隨時間變化；沖擊動力學，載荷作用的時間很短，高速高能量；疲勞問題，載荷持續(xù)周期作用。 圖1(a) 我壓死你（靜力學問題） 圖1(b)我拍死你（沖擊問題） 圖1(c) 這么晃你不吐嗎（疲勞問題） 那沖擊動力學到底有什么特點？ 對于這個問題，繼續(xù)上圖。圖2給出四個戰(zhàn)場上常見的四個物件，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”，萬物相生相克，不僅在自然界適用，科學領(lǐng)域同樣也是適用有木有？ 再來說說沖擊動力學的特點，直接上圖。 一鐵路鐵路工人被車上扔下的饅頭砸暈 高速沖擊過程，材料呈現(xiàn)流體動力學特性，性質(zhì)與水類似。 子彈打擊厚壁鋼面過程 鳥撞飛機后的慘烈后果 一只7公斤的大鳥撞在時速960公里的飛機上，沖擊力將達到144噸；一只麻雀就足以撞毀降落時的飛機的發(fā)動機。自1988年來，已超過200人由于鳥撞飛機喪生。 鳥撞飛機場景 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超過2m。 遭受恐怖襲擊時，躲在水里相對是安全的，前提是你憋氣時間夠長；電影里那些射擊水里敵人后竄出一朵血花的場景都是藝術(shù)效果。 牛頓碰碰球 動量守恒、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回擺動的微觀實質(zhì)。 總結(jié)一下沖擊動力學相對靜力學的特點： 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；靜力學不需要考慮三者的影響。 2.沖擊過程，能量是首位的，沖擊能量越高，動響應(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.高速沖擊過程，材料除形狀會發(fā)生改變，物質(zhì)狀態(tài)（流體、固體、氣體）、物質(zhì)種類（化學反應(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.沖擊動力學更體現(xiàn)為一個短暫過程，應(yīng)力波傳遞和結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時間變化的過程；靜力學更體現(xiàn)為一種狀態(tài)，約束和載荷綜合作用與結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)處于一種平衡狀態(tài)，內(nèi)部無應(yīng)力波傳遞。 擊中典型沖擊過程的持續(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。波動經(jīng)過的區(qū)域，應(yīng)力水平會出現(xiàn)顯著壓力差，推動沖擊動量/能量由近及遠地傳播。沖擊波是一種特殊的應(yīng)力波，波陣面的壓力是強間斷的。 做個不太嚴謹?shù)慕忉專槐丶氉肪俊?yīng)力波和水波、聲波類似，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、沖擊動力學的研究領(lǐng)域 概括來說，沖擊動力學主要研究兩類基本問題、四大研究方向。 兩類基本問題，分別是指： 應(yīng)力波傳播理論 將沖擊過程看成局部擾動的形成和傳播問題，結(jié)構(gòu)響應(yīng)僅視為應(yīng)力波傳播過程的宏觀體現(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，并建立了科學可靠的測試方法。 結(jié)構(gòu)/材料的動態(tài)響應(yīng) 忽略擾動傳播過程，研究結(jié)構(gòu)變形、斷裂及其與時間的關(guān)系。根據(jù)關(guān)注點不同，又可以分為“沖擊效能”和“沖擊防護”，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；沖擊防護是使盾更硬，以保證能抗的住的矛的攻擊。 沖擊效能與沖擊防護的關(guān)系 上述三者，再加上材料動力學研究，就構(gòu)成了沖擊動力學的四大研究方向，分別為： 材料的動態(tài)力學性能； 應(yīng)力波理論； 沖擊效能研究； 沖擊防護研究。 四、因沖擊導(dǎo)致的災(zāi)難性事故 隨著人類文明進步和科學技術(shù)的提高，人類能操縱的能量等級越來越高，給人類帶來巨大便利的同時，由沖擊現(xiàn)象導(dǎo)致的生命損失和經(jīng)濟損失也越來越嚴重。 下面列舉一些代表性的災(zāi)難性事故： 汽車碰撞 據(jù)統(tǒng)計，僅在中國，每年因汽車碰撞事故而導(dǎo)致的死亡人數(shù)就約10萬人。 艦船碰撞 飛機墜撞 每年全球出現(xiàn)數(shù)百起軍民機墜撞事故。據(jù)統(tǒng)計，民機墜撞的死亡率高達46%。 火車碰撞 2011年7月23日20時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)濟損失1.94億元。 哥倫比亞號航天飛機失事 2003年1月16日，哥倫比亞號航天飛機失事，七名航天員喪生。原因是火箭燃料箱的隔熱泡沫脫落時撞擊了航天飛機的左機翼，導(dǎo)致左機翼被撞出一個25公分開口。航天飛機重返大氣層時，超高溫氣體得以從裂隙處進入"哥倫比亞"號機體，造成航天飛機解體。 衛(wèi)星碰撞 2009年2月10日，美國一顆商用通信衛(wèi)星與俄羅斯一顆報廢軍用通信衛(wèi)星在太空碰撞，兩顆衛(wèi)星均完全損毀，產(chǎn)生約12000個太空垃圾。 911事件 2001年9月11日，美國遭遇了迄今為止人類歷史上最為嚴重的恐怖襲擊。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，美國在日本廣島和長崎投放兩顆原子彈，原子彈爆炸導(dǎo)致數(shù)十萬人死亡，兩座城市幾乎夷為平地。 隕石撞地球 6500萬年前一顆直徑10千米的隕石撞擊地球，導(dǎo)致恐龍滅絕。據(jù)相關(guān)專家估計，直徑在一二百米的隕石會造成毀滅性的氣候巨變，造成至少90%的人類死亡。 五、沖擊動力學在工程上的應(yīng)用 沖擊動力學在日常生活中，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。 在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，舉例如下： 釘釘子 沖擊壓路機 噴丸強化 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 · 沖擊動力學是主要研究瞬變、動載荷作用下，應(yīng)力波傳播及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一門固體力學學科； · 2 · 沖擊動力學的標簽：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、化學反應(yīng)、應(yīng)力波、侵徹……； · 3 · 沖擊動力學研究的兩類基本問題：應(yīng)力波傳播、結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)； · 4 · 沖擊載荷嚴重威脅人類安全，同時又在軍民領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 來源：ANSYS學習與應(yīng)用
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