冲击动力学PPT文件格式下载.ppt

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（5）能量吸收结构/材料应用于包装。

传统的缓冲材料：

木屑、细刨花、稻草麦秆、甘蔗渣、弄皱或撕碎废纸、多孔软填料，现在取而代之的是各种聚合物制造的缓冲材料，如泡沫材料。

10.1.2能量吸收的一般原理能量吸收结构：

承受撞击、爆炸等强动荷载，变形和失效涉及几何大变形、应变强化效应、应变率效应以及不同变形模式（如弯曲和拉伸）之间的交互作用。

大多数能量吸收器是由韧性金属制成，最常见的有低碳钢和铝合金；

减重要求高的场合，也用纤维增强塑料和聚合物等非金属材料。

能量吸收结构的设计和选择需要遵循的普遍原则：

以可控制的方式耗散外部输入的能量。

（1）不可逆能量转换：

动能耗散为非弹性能。

（2）峰值有限：

低于引起损伤的阈值；

尽可能恒定的反作用力：

避免过高的减速速率。

（3）较长的行程:

以时间换距离。

（4）稳定和可重复的变形模式（5）质量轻、比能量吸收率高（6）低成本和易安装,10.2能量吸收能力的分析10.2.1能量吸收结构的常用研究方法

（1）材料行为的理想化用于能量吸收的材料、构件和装置通常要经历塑性大变形，远大于弹性应变，因此可以采用理想刚塑性模型第5.3节引入了这个概念，该模型既忽略了弹性变形的影响，又忽略了塑性变形时的应变硬化效应。

（2）材料分析和界限定理（详见第8.5.1节）最终位移上限冲击载荷产生的结构的初始动能载荷P作用点的结构静态极限荷载例如悬臂梁自由端作用集中力P（Parkes问题）（界限解）：

最终位移下限特征点的最终位移应满足：

式中，是初速度场；

是一个与时间无关的运动许可速度场；

是与该运动许可场相关联的能量耗散率。

运动许可场需满足以下条件：

1）除了有限的线和截面外，速度场保持连续；

2）满足速度场的位移边界条件；

3）相关的能量耗散非负（即外载荷在此速度场做正功）。

仍以Parkes问题为例（界限解）：

（3）大变形效应1）变形较大引起结构构型改变效应（effectofchangeinconfiguration）即不能继续参照初始构型建立控制方程分析问题，而需要在当前构型下推导和求解；

2）大变形后在结构的平衡方程和屈服条件中会引入轴力或膜力的影响。

（第7章对有轴向约束的简支梁和第九章对刚塑性板的动力学响应分析中提到轴力或膜力一定程度上可以提升结构的能量吸收能力。

）（4）动荷载效应1）波的效应动荷载作用区，塑性压缩波引起的高应力可能导致局部塑性破坏；

弹性压缩波从远端自由表面反射回来的拉伸波可能造成脆性材料层裂或崩落；

弹性压缩波到达远端固定边界表面，反射后具有加倍的压应力数值，有可能已经超过塑性屈服应变，而造成远端首先发生塑性变形和能量耗散；

细长单薄构件（如细长梁或薄板）受到横向动荷载作用，虽然沿厚度方向的应力波在极短时间内就消失，但弯曲波会弥散。

2）应变率效应强动荷载作用于结构时，结构快速变形，从而出现高应变率；

3）惯性效应没有静态承载力的构件可以有动态承载力；

动态变形机构可能与准静态破损机构不同，而且可能随作用力的数值变化；

塑性能量耗散与输入能量之比可能随作用力大小而非单调地变化。

（5）能量法核心：

考虑能量的平衡得到基本方程；

例如对于刚塑性材料，外力功与塑性耗散互相平衡。

（6）材料和结构的缺陷影响,10.2.2理想化的局部接触模型接触力和局部变形的关系不仅取决于可变形体的弹性性质，还取决于接触面的局部几何形状。

（1）弹性体的法向接触：

Hertz理论弹性分析三假定：

各向同性和弹性；

接触面平、小；

接触面光滑无摩擦。

1）两个弹性球接触的情况（如图a），其中最大接触压应力接触圆压力分布局部变形引起的球体中心相对位移为接触刚度,2）球面与平面接触（如图c）取3）刚性冲模（或弹体）与平面接触取4）两圆柱体线接触（如图d）半接触宽度圆柱体最大接触压力,

（2）弹性体的法向接触:

Winkler地基模型1）轴对称情况2）对于长圆柱体二维接触,（3）刚性圆球对薄板的压陷地基弹性系数取为薄板弹性模量,当时，发生屈服当压陷继续进行，即，压头下方出现弹塑性应力分布。

如果材料是理想弹塑性，弹塑性边界在处，如图（b）,该处的垂直位移为，则必有下式成立应力分布可以表示为塑性区弹性区,积分计算接触力上式当时成立。

联立（10.15）式、（10.16）式和上式，有这个关于载荷和位移的关系以实线绘于图（c），如果采用理想弹塑性材料模型，载荷与位移关系可简化为，如图（c）虚线。

在卸载过程中从（10.21）式中减去（10.22）的积分，可得卸载过程的载荷-位移关系完全卸载，即P=0最终残余压陷为0，,（4）压陷引起的能量耗散进入塑性阶段加载过程做功卸载过程做功总耗散塑性能量其中,10.3惯性敏感能量吸收结构10.3.1两种类型能量吸收结构（准静态下）,10.3.2折板的动力学行为TamandCalladine（1991）的试验说明：

折板响应应由两个相组成1）第一相持续时间短暂，撞击物的初始能在碰撞中被板的轴向压缩所耗散；

2）第二相是动力响应阶段，按右图所示的刚塑性变形机构进行。

非弹性碰撞引起的瞬间能量损失Zhang和Yu（1989）提出一个简单模型，根据两个物体间非弹性碰撞的经典理论，考虑碰撞的能量损失。

单自由度系统任意时刻动能由第二类拉格朗日方程得系统运动微分方程冲击荷载情况下的拉格朗日方程得到初始条件其中是广义动量。

t=0时刻的初始角速度为,由式（10.28）和式（10.31）可得式中是撞击物体初始动能，是碰撞后瞬间系统动能。

，引入撞击物与折板质量比，则上式可改写为,参考文献：

1杨嘉陵;

余同希;

王仁，结构塑性动力响应当前的研究进展和重点，力学进展期刊（1993年第1期）2杨嘉陵;

余同希，含裂纹悬臂梁的塑性动力响应及破坏，北京大学学报（1991-10-28）,