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冲击动力学_香港科技大学余同希讲座PPT

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惯性力和塑性铰_香港科技大学余同希讲座PPT

惯性力和塑性铰_香港科技大学余同希讲座PPT
A
x
O
R=0
d L-d
m L d
mL2 12 C
B P
L/2 L/2 12
EXAMPLE 2: IMPACT PENDULUM (CONT’D)

Force o ce equilibrium: eq :
P m( L d )
A
x
O
R=0
m L d
d L-d L/2 L/2Q x 来自 0x
3g sin 2L

Maximum (or minimum) of M takes place at
xL xL 3
dM Q 0 dx
x=L/3 could be the location of initial fracture
M
max
L3 2 L3 L3 1 M L 3 L2 g sin sin 4L 9 27 27 3
9
g

|M|max increases with increase of angle, fracture occurs when |M|max reaches a critical value, depending on the cross-section and material
FALLING CHIMNEY
3
possible spalling
INTRODUCTION (CONT’D)

Time scale:
Wave propagation occurs only in the same order of time that it takes a stress wave to propagate through the thickness of the structure typically few microseconds After Aft through-thickness th h thi k wave reflects fl t several l times, ti the th stress t along l thickness direction dramatically reduces, while each cross-section moves as an entirety. This long-term dynamic behavior is called (global) structural str ct ral response several milliseconds or much longer

香港科技大学余同希教授简介及系列讲座介绍

香港科技大学余同希教授简介及系列讲座介绍

“冲击动力学”系列讲座主讲人：香港科技大学余同希教授时间：2015年7月15-22日地点：综合1号实验楼602主办：大连理工大学工程力学系讲座对象：本科生，研究生，博士生，博士后，青年教师系列讲座内容简介如下：第一讲：冲击动力学的工程背景一维弹性波，一维弹塑性波，固体中的冲击波第二讲：材料动态实验技术，材料的率相关本构关系惯性力，刚塑性模型，塑性铰，自由梁第三讲：直梁在脉冲载荷和撞击下的动力响应轴力的效应，剪力的效应第四讲：运动结构物（弹塑性圆环和薄壁球，弹性元件等）对固壁的撞击和回弹主要参考书：余同希、邱信明：冲击动力学，清华大学出版社，2011年主讲人简介：余同希，北京大学本科及研究生毕业；英国剑桥大学哲学博士(PhD)和科学博士(DSc)。

曾任北京大学力学系教授、博士生导师；英国曼彻斯特理工大学机械工程系教授。

1995年加入香港科技大学，先后任机械工程系讲座教授、工学院副院长、机械工程系系主任、协理副校长、霍英东研究院院长等职。

现为香港科技大学荣休教授、香港科技大学副校长(研究与研究生教育)的资深顾问，兼任浙江大学包玉刚讲座教授、宁波大学包玉刚讲座教授、北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室杰出访问教授、大连理工大学海外学术大师，武汉理工大学海外讲座教授等。

研究工作主要集中于冲击动力学、塑性力学、结构与材料的能量吸收、复合材料与多胞材料等领域。

编撰出版了三部专著（均有英文版）及四部教材；发表学术期刊论文350篇（90%以上为SCI期刊）及国际会议论文210篇。

获选为美国机械工程师学会和英国机械工程师学会的Fellow以及剑桥丘吉尔学院海外院士。

现担任国际机械科学学报(International Journal of Mechanical Sciences)的Co-editor（合作主编）和国际冲击工程学报(International Journal of Impact Engineering)的副主编，以及多种国际学术刊物的编委。

冲击动力学

冲击动力学

冲击动力学冲击动力学分为四章。

第一章包括两章：弹性波和弹塑性波。

第二部分介绍了不同应变率下的动态力学实验技术，总结了高应变率下材料的本构关系。

第三章着重分析了刚塑性梁板的动力响应，第五章介绍了惯性效应和塑性铰，第六章分析了悬臂梁的动力响应，第七章讨论了轴力和剪力对梁动力性能的影响，第八章介绍了模态分析技术、极限定理和刚塑性模型的适用性，第九章介绍了刚塑性板的动力响应分析。

第四章研究材料和结构的能量吸收，其中第10章讨论了材料和结构吸能的一般特征，第11章介绍了典型的吸能结构和材料。

”“碰撞动力学”着重阐述了碰撞动力学的基本概念、基本模型和基本方法。

文中还介绍了动态实验方法以及冲击动力学在冲击防护问题中的应用。

每章附有练习和主要参考文献，供教学和科研参考。

以冲击动力学为教材，可用于40门课程的研究生课程，为固体力学、航空航天、汽车工程、防护工程和国防工程研究生等前沿科学领域的冲击动力学及相关研究方法打下基础。

为他们进行相关的科学研究。

同时，也可供教师、科研人员、工程技术人员和相关专业大四学生自学参考。

作者简介余同希英国剑桥大学哲学博士、科学博士。

曾任北京大学力学系教授、博士生导师；英国曼彻斯特理工大学机械工程系教授。

1995年加入香港科技大学，先后任工学院副院长、机械工程系系主任、协理副校长、霍英东研究院院长等职。

研究主要集中于冲击动力学、塑性力学、结构与材料的能量吸收、复合材料与多胞材料等领域，擅长对工程问题建立力学模型并由此揭示其变形和失效机理。

已发表论文300余篇，担任《国际冲击工程学报》副主编、《国际机械工程学报》副主编，以及十余种学术刊物的编委。

目录绪论第一篇固体中的应力波第1章弹性波1.1 圆杆中的弹性波1.2 弹性波的分类1.3 波的反射和相互作用思考题习题第2章弹塑性波2.1 一维弹塑性波2.2 有限长度杆在高速冲击下的大变形2.2.1 taylor模型2.2.2 用能量法求解taylor杆问题。

弹性波_香港科技大学余同希讲座PPT

弹性波_香港科技大学余同希讲座PPT

Also

known as:
Irrotational waves In seismology, push, primary, or P waves Primary: travels fastest so it arrives first Push-pull: forward and backward, parallel to propagation Pass through solids and liquids (magma/岩浆) In infinite/semi-infinite media, “dilatational” waves
w w 0 A0 2 EI 4 t x
2 4
Q
M
M x x
4 2w 2 2 w cL E 0 cL k 2 4 t x w= f(x-ct) f(x ct) or f(x+ct) is not the solution Flexural disturbance of arbitrary form are not propagated p p g without dispersion p
u u 0 2 E 2 t x
2 2
2 2u u 2 cL 2 2 t x
cL
E
0
4
ELASTIC WAVES (CONT’D)
2012年10月24日

Solution to the Wave Equation
2 2u u 2 c 2 t x 2


x
A A0 0 B A
A0 0 0 x x
B
Element of the bar
strain t i of f this thi element l t Hooke’s law：

塑性波_香港科技大学余同希讲座PPT

塑性波_香港科技大学余同希讲座PPT

Y
d 0 d
elastic l ti
(converged) elastic waves
d 2 0 d 2
Engineering strain

undisturbed

Y
O
O
x

Formation of a shock wave
,
c( B ) c( A) c( B ) c( A)


1 d 0 0 d
3
v 1 1 d c2 t 0 x 0 d x x
c2
2
u 2 u c t 2 x 2
2
WAVE SPEED
2012年10月24日
c
cp
1 d c0 , 0 d c p c0 ,
R-PP-L

In general, it is expected that p i increases with ith th the increase of .
Engineering stress–strain curve of a cellular material
* 2 d p v D
c( B)
B
c( B) c( B)
B A
7
t t3
shock wave front x
t t1 O
A
c( B)
t t2
MAN-MADE CELLULAR MATERIALS
◄ Hexagonal honeycombs Open-cell nickel foam by vapor deposition technique ► ◄ Open-cell polymer foam Aluminum foam coated by aluminum skins ► ◄ Closed-cell polymer foam

第五章--冲击韧性PPT课件

第五章--冲击韧性PPT课件
3
变形速度对变形的影响
❖ 在静载下塑性变形可比较均匀地在各个晶粒 中进行。 例：超塑性变形。
❖ 弹性变形受应变速率影响不大，原因在于弹 性变形速度较快，是以声速在介质中传播。 因此，弹性变形可以及时响应冲击载荷。
❖ 应变速率对金属的弹性行为及弹性模量不会 产生影响。
4
变形速度对塑性变形的影响
❖ 变形速度对塑性变形及断裂过程有显著 影响。
7
❖ 在有缺口（或裂纹）及低温下，随变形 速度增加，金属材料的韧性一般是下降 的，即材料变脆。
❖ 因此，提高变形速度和降低温度，与开 缺口的作用一样，都是促进材料脆化的 原因。
❖ 在工程试验时常把这三者结合起来，以 显示材料的脆化倾向。
8
5.2 冲击试验和冲击韧性
缺口、低温和高应变率是影响材料 脆化的三个因素，可使材料由原来的韧 性断裂状态变为脆性断裂状态。在影响 材料脆化的这三个因素中，缺口所造成 的脆化是最重要的。
A KG (H 1H 2)
同一材料用不同缺口试样测得的吸收功是不同的，且不存在换算关系，是不可比的。
10
冲击韧性 k ：
冲击吸收功 Ak 除以缺口底部净横截面积 SN：
K AK/SN
k的单位为 J / cm 2
注：Ak 的单位为N·MБайду номын сангаасJ)。
11
冲击吸收功的意义
❖ 冲击实验中，冲断试样所吸收的冲击吸收 功是冲击截面附近材料累积消耗的断裂总 功。（忽略试样掷出、机身振动、空气阻力等）
❖ 因此，由缺口试样测定的TK只能作为工程 应用中的一种定性判断，对于重要构件应 用更接近实际工况的实验评定。
29
影响Tk的主要因素： ❖ 材料结构的影响
❖ 合金成分的影响：钢中的 C、P、O、H、N、 Mo、Al、Si都使Tk上升；Ni、Mn、Ti、V都使 Tk 下降；

冲击动力学教学资料

刻的 X图或某质点位置的 t 图。
图3-1-5
图3-1-3
X
v
图3-1-4
图3-1-1实际上就是几个典型位置的 X 图。
讨论：
（1）当 v2 v1 ，
则 v3 0 ，32122
这相当于在刚壁上发生反 射。
（2）当 v2 v1 ， 则 v32v12v2 ， 3 0 ，这相当于自由
[分析] 依题可画出杆的作用示意波系图和 v图。
图3-2-2
弹性右传波到达自由端的时间为 t l ，左传反射波回 到左端面的时间为 t 2 l ，右传波的特征C 线0 对应为波系图中
画出波系图（X-t 图）、v图，和某时刻的 X图或某质
点位置的 t 图，求出波系图中各区的 、v 解。
分析： （1）弹性杆两端受到突加恒值载荷后，分别从两端迎面 传播强间断弹性波（一次波），并在杆正中央相遇，发生内 撞击，形成二次波，分别向杆端两侧反射传播；
图3-1-1
（2）左行一次波波阵面过后，杆右端状态逐渐由自然静
冲击动力学
l 求解应力波之间的相互作用，是基于以下几点来考虑： （1）杆中一维应力纵波基本假设； （2）应力波作用界面上的质点速度相等的连续条件，和 作用力与反作用力互等条件（在等截面处即简化为 界面两侧应力相等）； （3）波阵面上的动量守恒条件、质量守恒条件或应力应变关系。
3-1 两个相向传播的弹性波的相互作用 [问题]如图所示，一弹性杆，初始状态为静止的自然状态， 左端和右端分别受到突加恒值冲击载荷v1和v2。（设v1 >0，v2 <0，｜v1｜<｜v2｜） 求：波的传播及相互作用情况（波传到杆端发生反射之前），
讨论：
（1）可以看出，当杆初始状态为自然的静止状态时，在

弹塑性波与冲击动力学-第一章

效应，在此过程中，可以认为各部分都 处于静力平衡 状态。
F ma a 0
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。
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
料的应变率敏感性界限大约在 103 103 s1 之间。 • 当低于103 s1 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 103s1 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。
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
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。
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 105 103 s1, 102 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）。

碰撞与冲击动力学PPT文档共63页

39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
碰撞与冲击动力学
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机成 功的第 三要素 。

碰撞与冲击动力学PPT文档共63页

55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
碰撞与冲击动力学
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
谢谢！
51、 天 下 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
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14
OF INTRODUCTION
END
9
SA本福岛核电站
Safety shell Pipe-whip
10
REMARK
Many issues in modern engineering require scientists and engineers to understand the dynamic behavior of structures and materials. As a branch of applied mechanics, Impact D Dynamics i aims i t to reveal l th the major j mechanisms h i of large deformation and dynamic failure of structures and materials under impact & explosive loading, so as to establish simplified models and effective methods to deal with various complex issues raised from engineering.
2
TRAFFIC R C ACCIDENTS CC S
Injuries and fatalities caused by accidents around the world (per year):
By all B ll t types of f accidents: id t By traffic accidents: Injuries 100 million illi 30 million Fatalities 4 0 million 4.0 illi 1.2 million
IMPACT DYNAMICS 冲击动力学
余同希
Professor T.X. Yu
香港科技大学
Hong Kong University of Science and Technology
1
2012年10月于浙江大学
INTRODUCTION: ENGINEERING BACKGROUND

11
CONTENTS OF THE COURSE
Lecture 1. Introduction Elastic Waves Plastic Waves Dynamic Behavior of Materials Inertia Force and Plastic Hinge Dynamic Response of Cantilevers Effects of Tensile and Shear Forces Dynamic Response of Rigid Plastic Plates Energy Absorption of Materials and Structures
This is equivalent to crash of 10 j jumbo jets j (each contains ( 320 passengers) every day! Road R d accidents id t i in Chi China: Fatalities: about 70,000 per year Fatalities per 10 10,000 000 vehicles: 3 3.6 6
3
SHIP COLLISION
Ship
to ship Ship to bridge/rock
4
TRAIN COLLISION
温州动车追尾事故,2011年7月23日
5
HELICOPTER
2007 in Mexico
6
客 机 坠 落 ！ ！ ！ ！
7
AIRPLANE: IMPACT BY BIRD
Car collision Ship p collision Train collision Airplane and Spacecraft Nuclear plant safety Occupational safety Sports Weapons Packaging Impact energy absorbers

~104 times/year W=0.45kg, V=80Km/h, F~153kg
bird
8
SPACECRAFT
Space debris/space trash Velocity ~ 10km/s Total weight ~ 3,000,000kg
12,000 12 000 pieces of debris were created by a collision between a US satellite and a Russian one in Feb 2009, and flied around the earth
12
REFERENCES OF THE COURSE
Johnson, W. (1972) Impact Strength of Materials, Edward Arnold. Arnold Meyers, M.A. (1994) Dynamic Behavior of Materials, John Wiley & Sons, New York. 余同希、华云龙 (1994)，结构塑性动力学引论，中国科学技 术大学出版社，合肥。 Stronge W.J. and Yu, T. X. (1993) Dynamic Models for Structural Plasticity, Springer-Verlag, London. 余同希、W.J. 斯壮 (2002)，结构塑性的动力模型，北京大学 出版社，北京。 Lu, G. X. and Yu, T.X. (2003) Energy absorption of structures and materials. Woodhead Publishing Limited. 余同希、卢国兴 (2006), 材料与结构的能量吸收，化学工业出 版社，北京。
Lecture 2. Lecture 3.
Lecture 4. Total: 12 hours
1 固体和多胞材料中的弹塑性应力波， 固体和多胞材料中的弹塑性应力波 10月23日8:00-10:30, 8 00 10 30 教4-413 13 2 冲击作用下的应变率效应和惯性效应，10月25日8:00-10:30, 教12-118 3 梁和板的动力响应， 梁和板的动力响应 10月30日8:00-10:30, 8 00 10 30 教4-413 4 413 4 薄壁结构的动力行为和能量吸收特性，11月1日8:00-10:30, 教12-118