一、沖擊動力學的基本內涵
沖擊動力學 —— 研究材料或結構在短時快速變化的沖擊載荷作用下產生波動（應力波傳播），并使固體材料產生運動、變形和破壞的規律，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、動載荷動態作用下，結構的動態響應過程。 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，繼續上圖。圖2給出四個戰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、 刺刀關系圖 “一物降一物”，萬物相生相克，不僅在自然界適用，科學領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，材料呈現流體動力學特性，性質與水類似。 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），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效果。 牛頓碰碰球 動量守恒、能量守恒是表象，彈性應力波的傳遞、反射與投射才是牛頓碰碰球來回擺動的微觀實質。 總結一下沖擊動力學相對靜力學的特點： 1.慣性效應、阻尼效應和應變率效應都不可忽略，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，越有可能引起結構破壞。 3.高速沖擊過程，材料除形狀會發生改變，物質狀態（流體、固體、氣體）、物質種類（化學反應）都將可能發生顯著改變；而靜力加載，一般僅體現出變形和斷裂。 4.沖擊動力學更體現為一個短暫過程，應力波傳遞和結構響應隨時間變化的過程；靜力學更體現為一種狀態，約束和載荷綜合作用與結構時，結構處于一種平衡狀態，內部無應力波傳遞。 擊中典型沖擊過程的持續事件如下表： 稍微解析一下應力波 應力波是應力和應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形式。波動經過的區域，應力水平會出現顯著壓力差，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力波，波陣面的壓力是強間斷的。 做個不太嚴謹的解釋，不必細追究。應力波和水波、聲波類似，傳播形式相同。不同之處，在于傳播的地介質，水波作用于水面，聲波常見地作用于空氣，應力波主要作用于固體。 水波 聲波 三、沖擊動力學的研究領域 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，結構響應僅視為應力波傳播過程的宏觀體現。彈性波、塑性波、沖擊波等應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。 結構/材料的動態響應 忽略擾動傳播過程，研究結構變形、斷裂及其與時間的關系。根據關注點不同，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系 上述三者，再加上材料動力學研究，就構成了沖擊動力學的四大研究方向，分別為： 材料的動態力學性能； 應力波理論； 沖擊效能研究； 沖擊防護研究。 四、因沖擊導致的災難性事故 隨著人類文明進步和科學技術的提高，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，由沖擊現象導致的生命損失和經濟損失也越來越嚴重。 下面列舉一些代表性的災難性事故： 汽車碰撞 據統計，僅在中國，每年因汽車碰撞事故而導致的死亡人數就約10萬人。 艦船碰撞 飛機墜撞 每年全球出現數百起軍民機墜撞事故。據統計，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發生追尾事故，造成40人死亡、172人受傷，直接經濟損失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。 衛星碰撞 2009年2月10日，美國一顆商用通信衛星與俄羅斯一顆報廢軍用通信衛星在太空碰撞，兩顆衛星均完全損毀，產生約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，導致世貿雙塔轟然倒塌，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，原子彈爆炸導致數十萬人死亡，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，導致恐龍滅絕。據相關專家估計，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用 沖擊動力學在日常生活中，也得到廣泛應用。在民用領域，主要應用于生產；而在軍事應用領域主要用于破壞或防護。 在民用領域的應用，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 在軍用方面的應用，舉例如下： 穿甲彈 摧毀掩體 民機抗沖擊吸能結構 古代攻城器械 各種導彈 六、總結 · 1 · 沖擊動力學是主要研究瞬變、動載荷作用下，應力波傳播及結構響應的一門固體力學學科； · 2 · 沖擊動力學的標簽：慣性效應、阻尼效應、應變率效應、高速高能量、固體流變、化學反應、應力波、侵徹……； · 3 · 沖擊動力學研究的兩類基本問題：應力波傳播、結構動態響應； · 4 · 沖擊載荷嚴重威脅人類安全，同時又在軍民領域有廣泛應用。 來源：ANSYS學習與應用
