弹塑性波与冲击动力学

弹塑性波与冲击动力学2013.2~5攻击与防护飞机/导弹的威胁AircraftMissileandItsThreat2001年美国“911恐怖袭击事件”飞机防护AircraftProtection:turbinefragments,runwaymissiles,etcEUFramework-5:CRAHVI(1999-2003)核设施防护ProtectionofNuclearFacilities1986年乌克兰的切尔诺贝利事件2011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ProtectSpaceShip/Station/Satelliteetc:accidentalimpacts;spacedebrisColumbiaspaceshuttledisaster-PerforationbasedonFoamImpactTheory(2003.2.1)1983:firstindicationofdebrisimpact;1985-1990:LongDurationExposureFacility(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EarthProtectionOccurseveryday30/06/1908,Tunguska,Siberia:lowdensityasteroid(~30m)1.2kmcraterby50mhardasteroidImpactVelocity–128.9m/sImpactVelocity–132.0m/sImpactVelocity–142.7m/sImpactVelocity–154.2m/sImpactVelocity–203.6m/s200mm长杆弹斜碰撞时应力波传播情况：A表示冲击波，B表示稀疏波，C是剪切区，D是高压区，E处产生了塑性变形/滑移区，F处存在界面效应，G是纵波的传播，H是弯曲波的传播。Backman和Goldsmith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。(a)脆性断裂(b)韧性断裂(c)径向断裂(d)冲塞破坏(e)破碎模式(f)花瓣破坏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Ⅰ)瞬时阶段Ⅱ)稳定侵彻阶段Ⅲ)成坑阶段Ⅳ)恢复阶段Shockey等人用6000m/s的克水聚碳酸脂球打击钢靶时，所形成的弹坑剖面示意图。当超高速弹丸碰撞薄靶板时，其重要特点是会形成碎片（或雾化）云。图中(a)和(b)分别是铅和钼板形成的碎片云图。相变与破碎机理问题仪器仓碎片云飞行器的双层防护KTd431010skmUd/208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王礼立.应力波基础.国防工业出版社，2005杨桂通.塑性动力学.高等教育出版社，2000马晓青.冲击动力学，北京理工大学出版社，1992钱伟长.穿甲力学.国防工业出版社,1984[美]MarcAndréMeyers.张庆明等译，材料的动力学行为国防工作出版社，2006张守中.爆炸与冲击动力学.兵器工业出版社,1993丁启财（美国）.固体中的非线性波，中国友谊出版公司，1985经福谦.实验物态方程导引，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、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，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，以及靶板侵彻的基本理论。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、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。1-1引言1-2固体的动力学特征和课程主要内容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。Fma0a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）作用时间短，幅值变化大：材料变形、破坏局部化效应状态历时压力变化核爆炸中心几微秒103～104GPa炸药在固体表面接触爆炸几微秒10GPa子弹以102～103m/s射击靶板几十微秒1～10GPa（2）要考虑介质微元体的惯性，考虑波的传播与相互作用，具有特殊的破坏现象：层裂、心裂、角裂，穿甲弹侵彻过程的自锐化效应等。（3）高加载率、高应变率（dp/dt,dσ/dt,dε/dt）：材料强度提高，变硬、变脆一般来说，准静态试验的应变率为10-5～10-1/s量级，而考虑应力波传播的冲击试验的应变率范围是102～104/s量级，有时甚至可达108/s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10-5～10-110-1～100100～102102～104104～106106～108＞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）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，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。（5）在冲击载荷作用下，材料在高应变率下的动态力学性能与静态力学性能不同，即材料的本构关系不同，具有应变率效应。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何时考虑波动：当载荷作用的时间与应力波传过物体特征尺寸的时间在同一数量级或更小时，要考虑应力波的传播效应，否则不考虑波动只考虑结构响应。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）是否考虑介质微元体的惯性效应（）。固体力学的静力学理论所研究的是处于静力平衡状态下的固体介质，以忽略介质微元体的惯性作用为前提，这只有当载荷强度随时间不发生显著变化时，才是允许和正确的。动力学理论是考虑介质微元体的惯性作用，考虑应力波在介质中的传播。（2）材料的本构关系不同。冲击载荷是在短暂的时间尺度上载荷发生显著变化，意味着高加载率或高应变率。动力学研究在冲击载荷作用下材料的力学响应，在高应变率下材料的动态力学性能与静态力学性能不同，即材料本构关系对应变率具有相关性。ma•大量实验表明，不同应变率下，材料性能往往不同。随着应变率提高，瞬时应力和屈服强度有显著提高。•在同一应变值下，动态应力比静态应力高，两者的差异称为“过应力”。当应变率时许多金属材料都呈现出这种特性。•瞬时应力和屈服极限随应变率提高而提高的现象，统称为应变率效应（应变率硬化效应）。53121010s,10•应变率效应明显的材料称为应变率敏感材料。•各种工程材料都存在一个应变率敏感性界限。金属材料的应变率敏感性界限大约在之间。•当低于时，金属处于（准）静态情况，应变率效应可略去不计。•应变率高于时，应变率效应也不太明显，材料的动力特性会增加新的内容。3311010s3110s3110s研究的问题（基本命题）：（1）波的传播和固体材料响应现象和规律的研究已知：材料的动力学本构关系、状态方程以及破坏准则研究（求解、预告）：固体材料内引起的应力波传播现象和规律，以及材料相应的响应特征和规律。（2）材料动力学特性和结构响应的研究已知：借助于实验检测分析，获知应力波的传播规律研究（求解）：材料的本构关系、动态力学特性，或通过提出合乎实际的科学模型，建立材料的本构方程和破坏判据。问题的复杂性在于：两者耦合一方面应力波理论的建立要依赖于对材料动态力学性能的了解，这是以已知材料的动力学性能为前提的。另一方面材料在高应变率下动态力学性能的研究又往往需要依赖于应力波理论的分析指导。应力波的研究和材料动态力学性能的研究之间有着十分密切的关系。基本概念：波阵面：在介质中已扰动区域与未扰动区域之间的分界面。扰动的传播波阵面的推进波传播的方向波阵面推进的方向波速：扰动信号在介质中的传播速度（或说波阵面在介质中推进的速度）介质质点速度：介质质点的运动速度间断波波阵面(强间断、强扰动)：波阵面前后介质的状态参量（如σ、v、ε）之间的差值为一有限值，波剖面发生了间断。数学上的定义对应于一阶奇异面，即位移u的一阶导数（如v、ε）发生间断的波阵面。其对应的波称为强间断波，冲击波即是强间断波。连续波波阵面(弱间断、弱振动)：波阵面前后的状态参量（σ、v、ε）之间的差值为无限小，波剖面是连续的。对应于数学上为二阶及更高阶奇异面。其对应的波称为连续波，其中二阶奇异面对应的波又称为加速度波（加速度为u的二阶导数）间断波和和连续波是两种在表现形式上完全不同的波，但是它们之间又相互联系，在应力波的传播过程中，间断波和连续波在一定条件下可以相互转化。按传播方向分类：纵波、横波纵波：扰动信号的传播方向与介质质点的运动方向一致（相同或相反）。横波：扰动信号的传播方向与介质质点的运动方向相垂直。按波阵面形状分类：平面波、柱面波、球面波按加载的性质分类：加载波、卸载波加载波：使介质的状态参量（σ、p、v等）（绝对）值增大的波。卸载波：使介质的状态参量（σ、p、v等）（绝对）值减小的波。按波本身的性质分类：压缩波、稀疏波、拉伸波其它波的概念：（入射波、反射波、透射波）（弥散波、汇聚波）（冲击波：是强间断、强扰动，是一种强烈的压缩波）应变率无关理论：在一定条件下，近似地假定材料的本构关系与应变率无关，建立在此基础上的应力波理论称为应变率无关理论。应变率相关理论：考虑