【《冲击动力学理论基础综述》3500字】

冲击动力学理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u12955冲击动力学理论基础综述 155341.1冲击 1115301.2冲击能量与冲量 2294011.3缓冲器原理及特点 5217331.4变形吸能结构评估 71.1冲击在GB/T2298—91文件中，对于冲击的定义：能引起被冲击系统瞬时变动的外部影响，它包括了随短时间变化的力、位移、速度以及加速度等动力特性，这种变化的持续时间很短且非周期性。冲击物经过短暂时间的碰撞接触，使得被冲击物瞬间获得一个很大变形加速度，使得结构开始变形，一般被冲击物体依次经过弹性阶段，塑性阶段（部分材料没有明显屈服点）以及破坏阶段。动力荷载，可以分为周期荷载和随机荷载，在动力学中，利用达朗贝尔原理把惯性力带入动力学问题中，使之转化为静力学问题求解，相比于静力方程求解的结果，动力学建立的方程是一个微分方程，它的解一般都跟时间有关，带有时间参数t在解答里。（2-1）式中： ——质点的质量； ——质点的加速度； ——约束的阻尼系数； ——质点的速度； ——约束的弹性刚度；——质点的位移；——质点所受外部荷载作用。冲击动力学的特点：（1）由于有了冲击加速度，所以惯性、阻尼以及应变率的影响在动力学中都不可以忽略，尤其是在冲击速度越大时候越发显著（2）冲击过程中，冲量是主要研究对象，短时间的冲量越大，瞬时冲击力越大，对于被冲击物产生的动态响应越显著，瞬间可能会达到失稳或者破坏（3）动态冲击下，构件的形状一般会发生突然改变，并且在材料，化学，构造等方面都会产生不同程度变化（4）冲击描述了一个短暂迅速的过程，主要研究结构在快速变化的动态荷载作用下产生的动力响应，并对结构运动、变形和破坏的规律进行总结1.2冲击能量与冲量冲击物与被冲击物发生碰撞的过程，一般来说就包括了接触、挤压、分离这三个阶段：图2-1碰撞过程示意图Fig.2-1schematicdiagramofcollisionprocess根据冲量定理可知，冲量一定时，作用时间越短，相应的冲击力越大，因此对于被冲击物的抗冲击力来说，最关心所能达到的最大冲击力。碰撞过程中，冲击力随着相互之间压缩位移的增大而增大，然后再开始下降，由于会有回弹，导致压缩位移也有所下降：（a）位移-冲击力（b）时间-冲击力图2-2冲击力变化曲线Fig.2-2impactforcecurve由图可知冲击力回弹时候并不是完全传递的，因为碰撞时候，部分能量转化为热能，声能等，所以会有能量损耗。重物冲击下来，若不考虑能量损失，则自身的重力势能全部转化为动能，在冲击到缓冲装置上的时候，可以近似理解为重物最终损失的重力势能全部转化为缓冲装置的变形耗能：(2-2)式中：——缓冲装置所吸收的能量；——冲击重物的质量；——重物的初始速度；——重物即将冲击所达到的速度；——重物自由下落的高度。若把冲击物与被冲击物看作两个理想的均质物，则根据能量守恒及动量守恒原理进行联立求解，可以得出碰撞后的新初始速度：（2-3）（2-4）式中：——冲击物碰撞前速度；——被冲击物碰撞前速度；——冲击碰撞后速度；——被冲击物碰撞前速度。已知冲撞前V2为零，两个式子联立求解，可得出：（2-5）（2-6）由（2-5）式，（2-6）式可知，当两个重物碰撞之后，冲击物给了被冲击物一个初始速度，而冲击物则减速，甚至产生反方向速度，这些都取决于两个碰撞物体的质量，若m1=m2，则冲击物速度碰撞后变为零，被冲击物速度碰撞后变为V1。图2-3冲量理论Fig.2-3impulsetheory在冲击过程中，冲击物的冲击速度会在极短时间内减小为零，并产生较小的回弹，甚至可能会发生二次碰撞，但是就此过程想要依据变形情况或者能量耗散来对冲击物的冲击能量进行定性分析真的有难度，所以需要利用冲量定理，将冲击力与冲击时间以及速度联系起来，根据一定的函数关系建立等式，就可以确定冲击情况了。重物冲击力的计算表达式为：（2-7）式中：——冲击物的冲击力；——冲击过程的时间；——冲击的起始时间；——冲击物的质量；——冲击物碰撞前的速度。由公式（2-7）可以知道，当冲量一定时，若作用时间越长，则冲击力越小，反之则越大。这也就说明了要想减小冲击力，一方面是主动降低方法，可以通过降低外部冲击重物质量或者冲击速度的方式，降低外部冲击能量。另一方面是被动降低方法，可以通过增加一个中间缓冲层的方式，增加冲击时间，这样也会使得冲击力降低。1.3缓冲器原理及特点由于冲击是一个短暂，迅速并伴随巨大能量的过程，不管是出于设计的角度，还是出于寻找保护方案的角度，都没办法在难以预料，充满了大量未知因素的各种冲击破坏情况中，去寻求一个最理想结果。况且在资源有限、经济条件有限的条件下，不可能一味得把工程量加大，材料加厚甚至加强至极，只能寻找到相对于某一特定条件下的最优解决方案，一个折中的“度”。故针对如此，各种新型方法，新型材料才逐渐被人们重视了起来，尤其是利用各种各样的缓冲器的方法最受人们青睐。正如前面所说，当冲击物已经具备了能量的时候，对于被冲击物来说即将面临着破坏的风险，所以相比直接碰撞，在两者之间加入一个耗能缓冲器，使得被冲击物间接受到较低的冲击荷载，体系受到较低的冲击能量，从而起到缓冲保护作用。如（2-7）式，当结构外部输入能量时候，结构体系动能与体系弹性应变能相互转化，体系的粘滞阻力耗能一般只占5%，所占比例过小，传统耗能主要依靠体系滞回耗能，利用自身变形或者破坏消耗能量，所以可以知道若是在外部突然给了一个大的冲击荷载时候，光靠体系“自残”行为耗能就会导致破坏核心部位。所以需要再加一个来进行吸收大量能量，就可以保护住主体结构不受到过大能量损害。（2-8）（2-9）式中： ——外部输入结构体系的能量；——结构体系动能；——结构体系的粘滞阻尼耗能；——结构体系的弹性应变能；——结构体系的滞回耗能；——耗能装置或部位吸收的能量。目前依靠缓冲器耗散冲击碰撞能量主要有两个方式，第一种方式为依靠缓冲耗能器在冲击下发生大位移，根据冲量定理来说，相同的冲量，利用缓冲器发生的大位移，进而增大了冲击时间，使得被冲击物所受冲击荷载变小，这种原理可以实现重复使用的思想；第二种方式为依靠缓冲耗能器在冲击下自我破坏，虽然冲击能量也会耗散很多，但是其内部结构或者组件发生了极大改变而损害，这种方式多用于汽车保险杠等。（a）弹塑性耗能方式（b）破坏耗能方式图2-4两种耗能方式Fig.2-4twoenergyconsumptionmodes因此可以通过合理的设计与布置缓冲器，来保护主体结构或者人员的损伤，现目前缓冲器发展方向如下：（1）吸能多，抗冲击强现在的工程所需的缓冲器要抗的冲击力少则几百牛顿，多则上万牛顿的力，由于越来越复杂的问题出现，吸收更高能量的缓冲器是急需要的。（2）适应性强传统的缓冲器发展到第二代，人们发现橡胶相比第一代弹簧更加方便好用，但是却出现了棘手的问题，橡胶受到了温度的限制（在温度较低情况容易硬化、在温度较高情况容易老化），这就使得人们对于缓冲器的适应性提出了新的要求。（3）安装更换容易像传统的弹簧缓冲器体形过大，过于笨重等缺点逐渐被人们放弃，过于沉重的缓冲器在更换上也是个头疼的事儿，人工可能满足不了，需要机械配合才行，于是易于安装，易于更换的思路也就被提了出来。（4）简便经济油缓冲器作为缓冲器发展的第三代，它确实比前几代性能更加优秀，多用于航空航天，精密仪器上，但是密封性易出问题、回油不太理想以及高昂的成本和维修费用使得普通民用项目没办法使用，要能普遍的运用就需要简便的装置，可替换性强，经济效益高才行。1.4变形吸能结构评估根据缓冲器来达到吸能耗能的原理，各种新型材料，新型结构形式也就出来了，所以就需要一个评判标准来对各种缓冲器进行检测，引入几个评价标准和无量纲参数来进一步进行评估，定义如下：冲击加速度是冲击过程的核心数据，在试验中，主要测量动态加速度，可以通过对时间的积分得到动态速度和动态位移，具体公式如下：（2-10）（2-11）式中：——随时程变化的某一瞬间的加速度；——随时程变化的某一瞬间的速度；——随时程变化的某一瞬间的位移。平均冲击力是冲击过程中最重要的参数之一，它反映了下方被保护体在冲击过程中所受到的平均冲击力水平，主要由总冲击能量除以总位移得到，具体公式如下：（2-12）式中： ——平均冲击力； ——冲击过程产生的能量； ——缓冲器的总变形行程；——瞬时位移对应的力； ——瞬时位移值。要知晓反应缓冲器的利用效率情况，引入有效压缩行程，利用无量纲有效行程比来进行描述，具体如下：（2-13）式中：——有效行程比；——缓冲装置的有效压缩行程； ——缓冲装置的总高度。反应缓冲器的利用效率情况的另外一种方法—比吸能，用它来代表缓冲装置单位质量的能量吸收能力，具体如下：