弹塑性波与冲击动力学-第一章

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1、弹塑性波与冲击动力学弹塑性波与冲击动力学2013.25攻击与防护飞机/导弹的威胁 Aircraft Missile and Its Threatl2001年美国“911恐怖袭击事件”飞机防护 Aircraft Protection: turbine fragments, runway missiles, etcEU Framework-5: CRAHVI (1999-2003) 核设施防护 Protection of Nuclear Facilitiesl1986年乌克兰的切尔诺贝利事件 l2011年日本福岛第一核电站放射性物质泄漏航天飞机/太空船/站/卫星防护 Protect Space S

2、hip/Station/Satellite etc: accidental impacts; space debrisColumbia space shuttle disaster- Perforation based on Foam Impact Theory(2003.2.1) 1983: first indication of debris impact;1985-1990: Long Duration Exposure Facility (LDEF)月球勘探者号先驱者10号卡西尼土星号水手6号 星球大战计划卫星防护和反间谍问题地球保护 Earth ProtectionOccurs ev

3、eryday30/06/1908, Tunguska, Siberia: low density asteroid(30m)1.2 km crater by 50 m hard asteroidImpact Velocity 128.9 m/sImpact Velocity 132.0 m/sImpact Velocity 142.7 m/sImpact Velocity 154.2 m/sImpact Velocity 203.6 m/s200 mm长杆弹斜碰撞时应力波传播情况：长杆弹斜碰撞时应力波传播情况：A A表示冲击波，表示冲击波，B B表示稀疏波，表示稀疏波，C C是剪切区，是剪切区

4、，D D是高压区，是高压区，E E处处产生了塑性变形产生了塑性变形/ /滑移区，滑移区，F F处存在界面效应，处存在界面效应，GG是纵波的传播是纵波的传播，H H是弯曲波的传播。是弯曲波的传播。BackmanBackman和和GoldsmithGoldsmith用薄板与中厚板进行破坏试验时用薄板与中厚板进行破坏试验时得到的典型靶板碰撞破坏模型。得到的典型靶板碰撞破坏模型。( (a a) )脆性断裂脆性断裂( (b b) )韧性断裂韧性断裂( (c c) )径向断裂径向断裂( (d d) )冲塞破坏冲塞破坏( (e e) )破碎模式破碎模式( (f f) )花瓣破坏花瓣破坏 弹丸超高速碰撞半无限

5、靶板的成坑过程示意图弹丸超高速碰撞半无限靶板的成坑过程示意图 超高速碰撞半无限靶板成坑期间撞击压力的变化规律超高速碰撞半无限靶板成坑期间撞击压力的变化规律 ) )瞬时阶段瞬时阶段) )稳定侵彻阶段稳定侵彻阶段) )成坑阶段成坑阶段) )恢复阶段恢复阶段ShockeyShockey等人用等人用6000m/s6000m/s的克水聚碳酸脂球打击钢靶时的克水聚碳酸脂球打击钢靶时，所形成的弹坑剖面示意图。，所形成的弹坑剖面示意图。 当超高速弹当超高速弹丸碰撞薄靶板时丸碰撞薄靶板时，其重要特点是，其重要特点是会形成碎片（或会形成碎片（或雾化）云。雾化）云。图中图中( (a a) )和和( ( b b) )

6、 分别是铅和钼分别是铅和钼板形成的碎片云板形成的碎片云图。图。相变与破碎 机理问题仪器仓碎片云飞行器的双层防护课程总内容 第一章 绪论 第二章 弹塑性波基本方程 第三章 一维弹性波 第四章 一维塑性波 第五章 一维粘弹性波和弹粘塑性波 第六章 高压下固体中的冲击波 第七章 三维弹性介质中的基本波及其传播 第八章 靶板碰撞动力学 第九章 冲击动力学实验技术n 王礼立. 应应力波基础础. 国防工业业出版社，2005n 杨杨桂通. 塑性动动力学. 高等教育出版社，2000n 马晓马晓 青. 冲击动击动 力学，北京理工大学出版社，1992n 钱伟长钱伟长 . 穿甲力学. 国防工业业出版社, 1984n

7、 美Marc Andr Meyers. 张庆张庆 明等译译，材料的动动力学行为为 国防工作出版社，2006n 张张守中. 爆炸与冲击动击动 力学. 兵器工业业出版社, 1993n 丁启财财（美国）. 固体中的非线线性波，中国友谊谊出版公司，1985n 经经福谦谦. 实验实验 物态态方程导导引，科学出版社，1999参考书第一章 绪论 1-1 引言 1-2 固体的动力学特征和课程主要内容 1-3 经典弹塑性波理论的历史与现状 1-4 塑性动力学与波动理论 1-5 应用背景 1-6 本课程的任务 弹塑性波与冲击动力学是研究固体材料在短时间、弹塑性波与冲击动力学是研究固体材料在短时间、快速变化的冲击载

8、荷作用下产生波动（应力波传播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，），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基涉及固体中弹塑性波的传播和相互作用的动力学基础知识，以及靶板侵彻础知识，以及靶板侵彻的的基本理论。基本理论。已成为现代声已成为现代声学、地球物理学、爆炸力学、材料与结构冲击动力学、地球物理学、爆炸力学、材料与结构冲击动力学、当代兵器技术、导弹与核武器技术和航空航天学、当代兵器技术、导弹与核武器技术和航空航天防护技术的应用基础学科。防护技术的应用基础学科。1-1 引言1-2 固体的动力学特征和课

9、程主要内容 运动是物体存在的形式，是物质的固有属性。 机械运动是物质运动的最简单形态，是指物体的空间位置形态，即物体的空间位置或物体的一部分相对于其他部分来说空间位置随时间变化的过程。 弹塑性波动则是研究弹塑性物体在外界扰动下机械运动规律的科学，属于经典力学的范畴，它是研究运动速度远低于光速的宏观物体的运动，所以牛顿定律是建立弹塑性波支配方程的基础。 其他物体对于所考虑物体的作用称之为载荷。 一个弹塑性体在外部载荷作用下将会改变其原有的形状和原来的运动状态，同时物体内各部分之间相互作用力也随之发生，这些变化统称为弹塑性体对外部作用的响应。 载荷的不同将会引起响应的不同。 载荷可分为静力载荷和动

10、力载荷。 一般固体力学（静力学）静力载荷 静力载荷：缓慢加载，产生的加速度很小，忽略惯性效应，在此过程中，可以认为各部分都 处于静力平衡状态。 载荷强度随时间不发生显著变化。 不考虑介质微元体的运动，不考虑惯性，只考虑变形 本课程：重在“动”载荷是动态的，响应是动态的。 动力载荷：加载过程中使物体产生显著的加速度，且加速度所引起的惯性力对物体的运动和变形有明显影响。动力加载（冲击加载），相对于静力学加载其特点如下： （1 1）作用时间短，幅值变化大：材料变形、破坏局部化效应）作用时间短，幅值变化大：材料变形、破坏局部化效应状态状态 历时历时 压力变化压力变化核爆炸中心核爆炸中心 几微秒几微秒

11、10103 310104 4GPaGPa炸药在固体表面接触爆炸炸药在固体表面接触爆炸 几微秒几微秒 10GPa10GPa子弹以子弹以10102 210103 3m/sm/s射击靶板射击靶板 几十微秒几十微秒 1 110GPa10GPa（2 2）要考要考虑虑虑虑介介质质质质微元体的微元体的惯惯惯惯性，考性，考虑虑虑虑波的波的传传传传播与相互作用播与相互作用 ，具有具有特殊的破坏特殊的破坏现现现现象：象：层层层层裂、心裂、角裂，穿甲裂、心裂、角裂，穿甲弹弹弹弹侵侵彻过彻过彻过彻过 程的自程的自锐锐锐锐化效化效应应应应等。等。（3 3）高加载率、高应变率（）高加载率、高应变率（dp/dt, dp/d

12、t, d/dt, d/dt, d/dtd/dt）：材）：材 料强度提高，变硬、变脆料强度提高，变硬、变脆一般来说，准静态试验的应变率为一般来说，准静态试验的应变率为1010-5-51010-1-1/s/s量级，而量级，而考虑应力波传播的冲击试验的应变率范围是考虑应力波传播的冲击试验的应变率范围是10102 210104 4/s/s量级量级 ，有时甚至可达，有时甚至可达10108 8/s/s量级。量级。加载方法应变率（1/s）物理效应准静态试验 机械装置或压缩气炮 机械装置或压缩气炮 火药炮 一级轻气炮 二级轻气炮 二级轻气炮10-510-1 10-1100 100102 102104 1041

13、06 106108 108静力学变形 弹性、局部塑性 主要是塑性 粘性，材料强度仍很重要 强度不可忽略，密度是主要参数 可压缩性效应 气化（4 4）温度效应：材料冲击热软化、瞬态相变、绝热剪切破坏）温度效应：材料冲击热软化、瞬态相变、绝热剪切破坏从热力学角度来说，静力学加载过程相当于等温过程，从热力学角度来说，静力学加载过程相当于等温过程， 而动力学加载过程相当于绝热过程，其能量立即转变为冲击而动力学加载过程相当于绝热过程，其能量立即转变为冲击 压缩能和塑性变形功。压缩能和塑性变形功。（5 5）在冲）在冲击载击载击载击载 荷作用下，材料在高荷作用下，材料在高应变应变应变应变 率下的率下的动态动

14、态动态动态 力学性力学性 能与静能与静态态态态力学性能不同，即材料的本构关系不同，具有力学性能不同，即材料的本构关系不同，具有应变应变应变应变 率效率效应应应应。 不考虑介质微元体的惯性静力学问题。不考虑介质的可变形性刚体力学问题，波速为。考虑介质微元体的惯性，考虑介质的变形动力学问题。 一切固体材料都具有惯性和变形性，当受到随时间变化 着的外载荷的作用时，其运动过程总是一个应力波产生 、传播、反射和相互作用的过程。 在忽略惯性可变形性固体静力学中，只是只观察静 力平衡后的结果而已。 在忽略了可变形性的刚体力学中，应力波速度趋于无穷 大。 波动（应力波）：扰动在介质中的传播 动力学：研究在外界

15、动载荷作用下物体的运动规律与响应特性应力波的形成机制： 外加载荷表面介质 质点运动作用与反作用力内部相临 介质质点 运动惯性作用应力波传播应力波传播 何何时时时时考考虑虑虑虑波波动动动动：当当载载载载荷作用的荷作用的时间时间时间时间 与与应应应应力波力波传过传过传过传过 物物体特征尺寸的体特征尺寸的时间时间时间时间 在同一数量在同一数量级级级级或更小或更小时时时时，要考，要考虑虑虑虑应应应应力波的力波的传传传传播效播效应应应应，否，否则则则则不考不考虑虑虑虑波波动动动动只考只考虑结虑结虑结虑结 构响构响应应应应。 若载荷作用时间与应力波传过物体特征尺寸所需的时间相比至少多出一个数量级，则波在物体内经过多次反射，已造成物体的整体运动，可以不考虑应力波的传播，只考虑整体性的惯性运动。 如像梁、拱、薄板、薄壳这样一类结构，它们在三个尺寸中，总有一个或两个尺寸远小于其他尺寸，而突加载荷的方向往往就是尺寸最小的方向，这时应力波在这个方向的传播时间较载荷作用时间小，应力波传播消失，结构的动力效应主要表现为结构变形（弯曲）随时间的变化，这类问题属于结构动力学问题。固体动力学与静力学区别：（1 1） 是否考虑介质微元体的惯性效应（是否考虑介质微元体的