冲击动力学

离散元法的开发及其在冲击动力学问题中的应用离散元法（DEM）的开发离散元法（DEM）是一种计算固体颗粒运动的数值模拟方法，它将物理体系离散化成一个个小颗粒并进行运动学和动力学分析。

离散元法是一种动态非线性显式求解器，通过对固体最基本单位（个别小颗粒）的建模，以及通过它们之间的相互作用来处理固体体系的全局性质。

离散元法的开发包括以下步骤：1. 离散元法的理论基础：基于力学基础，发展离散元法理论，包括离散化中的基本元素和离散元法中采用的力学原则等。

2. 离散元法的算法实现：离散元法的计算是通过对每个小颗粒之间的相互作用进行求解来完成的。

实现离散元法需要对每个小颗粒的位置、速度、加速度以及它们的相互作用进行计算。

3. 离散元法的模拟设置：模拟设置包括几何形状的建模、颗粒物理性质的定义、和微观参数的选择等，这些设置对离散元法的模拟结果产生重要的影响。

4. 离散元法的软件开发：通过编程语言实现离散元法的算法和模拟设置，可以构建离散元法模拟软件。

离散元法在冲击动力学问题中的应用冲击动力学是关注高速撞击物体时的强动态响应，以及破坏和形变行为的力学学科领域。

离散元法可以用来模拟冲击动力学问题中非线性动力学行为，具有广泛的应用。

以下是离散元法在冲击动力学问题中的应用：1. 冲击载荷的传递和变形行为：离散元法可用于模拟高速撞击时，载荷如何通过物体传递和变形的行为研究。

2. 接触力和破坏行为:离散元法可以用于研究材料在高速载荷下的裂纹扩展和破裂行为，并可以描述各种材料的破坏行为。

3. 复位行为: 离散元法可以用于研究互相接触物体的纵向和横向移动的复位行为。

4. 粒子间相互作用力:离散元法可以用来分析小管内部粒子之间的相互作用、阻塞和磨损行为等现象。

5. 粘弹性行为: 离散元法可以用于对特定粘性材料的动态力学响应进行建模，从而研究它们的力学行为。

离散元法的应用不仅局限于冲击动力学问题，在岩土力学、地震学、粉末冶金等多个领域也有广泛的应用，可以为科学家和工程师提供数值模拟和预测的工具，以便更好地理解自然界和工业界中的复杂现象。

冲击动力学运动条件第七章: 运动条件绑定接触/INTER/TYPE2 刚性墙/RWALL刚体/RBODY边界条件/BCS强制位移/IMPDISP用于圆柱坐标系的Icoor/SKEW强制速度/IMPVEL不兼容的运动条件绑定接触定义了从运动学上将一组从节点限定在主面上的接触，它可以用来连接粗糙网格与细分的网格，可用于模型点焊和铆钉等。

绑定接触/INTER/TYPE2 (实体点焊与金属片之间)绑定接触可通过一组从节点和一个主面来定义在定义的搜索范围（d search）内，从节点的运动和主面相连如果从节点在gap范围内，搜索找不到主面，模型检查过程中(_0000.out) 中会出现警告。

从节点不能同时被包含在两个/两个以上运动约束中，否则会出现不兼容问题。

罚函数法RADIOSS有一个选项用罚函数法来定义Type 2 接触，使用Spot flag= 25 排除潜在的不兼容运动条件。

从节点及其投影点之间定义为弹簧单元，罚刚度是恒定的，由主面和从面的平均节点刚度计算出。

绑定接触/INTER/TYPE2 公式绑定接触/INTER/TYPE2：忽略选项此选项，可用于自动删除所有无法正确投影到主面的从节点。

绑定接触/INTER/TYPE2 删除选项如果在接触的主面上定义了失效（壳单元破坏），有必要更新接触来释放在从节点与被删除单元之间的运动条件。

绑定接触/INTER/TYPE2卡片信息search 默认设置为主面的平均尺寸Spot flag 默认设置为运动学方法如若产生断裂刚性墙/RWALL刚性墙为定义刚性面与变形体节点之间的接触，提供了一种简易的方法。

PLANE –无限平面刚性墙CYL –无限柱面刚性墙从节点四种类型的刚性墙无限平面直径为Ф的无限柱面直径为Ф的球体平行四边形point M1point M or Node N球Mslave nodespoint M or Node Nn = M M1 X M M2slave nodes刚性墙，通过表面和一组从节点来定义从动节点，通过节点列表或搜索从节点的范围（距离）来定义。

物质点法在冲击动力学中的应用研究冲击动力学是动力学的一个重要研究方向，涉及到航天航空工业等关键国防领域。

研究的难点包括了材料的冲击波传播、弹塑性本构、屈服准则、物态的状态方程、材料的损伤失效破坏等。

所以要完整的研究一个冲击动力学的动态响应过程在理论上是一个时间相关的强非线性体系，会遇到很大的困难。

本文采用一种新的无网格算法——物质点法，研究了冲击动力学中几个关键性的问题，包括：固体的高速碰撞、超高速冲击成坑、层裂、碎片云现象、气体的激波、空气中炸药爆炸响应。

并与传统的数值算法、实验结果和理论结果进行了一系列的对比，证明了物质点法在冲击动力学中巨大的优势。

具体内容包括：1.系统总结了冲击动力学的两类数值研究方法——传统的基于网格的数值方法和无网格数值方法，重点对物质点法的提出、发展、创新过程进行了论述。

对物质点法的应用和挑战做出了一个清晰的阐述。

2.引出物质点法的基本方程。

对物质点法的空间离散、时间离散、映射函数、边界条件、应力更新格式、人工体积粘性和时间步等关键问题进行了归纳。

对物质点法的三种基本形式：标准物质点法（MPM）、广义物质点法（GIMP）、对流域物质点法（CPDI）的本质差别进行了论述。

3.研究了物质点法在固体高速、超高速问题中的动态模拟能力。

采用Mie-Grüneisen状态方程研究了强冲击波，用Johnson-Cook本构方程研究了高温、高压、高应变率情况下的屈服应力，采用几种典型的损伤失效模型研究了最大等效塑性应变失效、最大拉应力失效、熔化失效等，研究了大变形框架下的Jaumann率增量型本构积分算法，研究了应力、状态方程的更新算法，考虑了绝热情况下的温升效应。

综合以上因素计算了Taylor杆冲击问题、厚板高速成坑现象、中板高速冲击层裂现象、超高速冲击碎片云现象。

并和已有的实验或相关文献结果对比发现，物质点法的精度和效率均提高不少。

4.针对气体中的激波问题，用广义物质点法进行了研究，其精度相对标准物质点法提高很多，但在二维问题中精度有所下降。

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。

冲击钻进系统的动力学特性分析冲击钻进是一种常用于地下工程中的钻探方法。

在钻进过程中，冲击钻进系统的动力学特性对钻进效率和施工质量具有重要影响。

本文将对冲击钻进系统的动力学特性进行分析，探讨其对钻进过程的影响，并提出相应的优化措施。

一、冲击钻进系统的组成冲击钻进系统主要由冲击锤、钻杆、钻头和钻进液组成。

其中，冲击锤作为动力源提供冲击力，钻杆传递冲击力到钻头，钻进液在钻进过程中起到冷却钻头、清洁孔壁的作用。

二、冲击钻进系统的工作原理在冲击钻进系统中，冲击锤通过压缩空气或液体的作用，产生高速冲击力。

冲击力传递到钻杆后，再传递到钻头。

钻头在冲击力作用下，在岩石中形成冲击孔，完成钻进过程。

三、冲击钻进系统的动力学特性3.1 冲击力特性冲击力是冲击钻进系统的关键参数，直接影响钻进的效率和效果。

冲击力的大小取决于冲击锤的工作状态和参数以及岩石的性质。

过大或过小的冲击力都会导致钻进效率下降和杂质荟萃，影响钻进的顺畅进行。

3.2 冲击频率特性冲击频率是指冲击钻进系统在单位时间内产生的冲击次数。

冲击频率的选择要依据详尽的工程需求和钻进岩石的性质来确定。

过低的冲击频率会导致钻进速度过慢，影响工程进度；而过高的冲击频率则容易引起钻杆震动、磨损等问题。

3.3 钻头的磨损特性在冲击钻进过程中，钻头不行防止地会受到磨损。

钻头的磨损程度会影响到钻进的效率和质量。

过快的钻头磨损会使得钻进效率下降，而过慢的磨损则可能导致钻头卡钻或者断裂。

四、冲击钻进系统动力学特性的影响因素4.1 冲击锤参数冲击力和冲击频率的大小与冲击锤的参数有关。

例如，冲击锤的重量、气压或液压的大小等都会对冲击力和冲击频率产生影响。

合理选择冲击锤参数可以使得冲击钻进系统具有更好的钻进性能。

4.2 钻杆参数钻杆的直径和材质会影响到冲击力的传递和钻头的磨损状况。

较大直径的钻杆能够承受较大的冲击力，而优质的钻杆材质可以延长钻杆的使用寿命。

4.3 钻头参数钻头的外形、材质和刃数等参数也会对钻进效果产生影响。

冲击动力学一、冲击动力学的基本内涵冲击动力学——研究材料或结构在短时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分支学科”。

什么玩意，一脸懵逼有没有。

来点通俗易懂的，“骑马射箭”、“枪械射击”、“汽车碰撞”、“炸弹爆炸”这些贴近生活的情景总知道吧，这些都是典型的冲击动力学问题。

冲击动力学，其实就是研究诸如此类的瞬变、动载荷动态作用下，结构的动态响应过程。

“原来'突然怼了一下'就是冲击动力学？”“咳！咳！这是你的理解，我这么严（装）谨（X）的人才不会那么说。

”二、冲击动力学的典型特征言归正传，冲击过程和静力过程，到底有什么区别？还是上图吧，请看图1（a）~（c），图1（a）中的胖喵靠体型取胜，这是静力问题，图1（b）中的两喵比拼的是速度，快者取胜，这就是冲击问题，图1（3）中的傻喵摇头晃脑，这是疲劳问题（说不定这只喵在治疗颈椎病）。

总结一下（注意一下，划考点了）：静力学，载荷作用过程是恒定的，不随时间变化；冲击动力学，载荷作用的时间很短，高速高能量；疲劳问题，载荷持续周期作用。

我压死你（静力学问题）我拍死你（冲击问题）这么晃你不吐吗（疲劳问题）那冲击动力学到底有什么特点？对于这个问题，继续上图。

图2给出四个战场上常见的四个物件，分别是：（1）子弹、（2）沙袋、（3）刺刀、（4）钢盔。

刀剑可以轻而易举的刺穿柔软的沙袋，但是沙袋能轻易拦住速度为1000m/s的子弹；刺刀最多能在鬼子的钢盔上留下一道印痕，而子弹却能轻易击穿头盔并爆了小鬼子的头（有效射程、垂直击中）。

你可能会问”胡扯吧你，那带头盔有个卵用？”“不要暴露你的无知，头盔主要用来挡崩飞的碎石、破片的，也能把斜射子弹崩飞。

当然对我国的土掉渣的汉阳造也有很强的抵挡作用。

”很神奇有没有，和“棒子-老虎-鸡-虫子”一模一样嘛！“一物降一物”，万物相生相克，不仅在自然界适用，科学领域同样也是适用有木有？沙袋、钢盔、枪械、刺刀关系图再来说说冲击动力学的特点，直接上图，大家自己体会吧。

第31例冲击动力学分析实例——车辆受起伏路面鼓励的响应分析本例用ANSYS LS-DYNA分析了车辆受起伏路面鼓励的响应，研究了创建车辆和负载模型的方式，研究了模拟和施加起伏路面鼓励载荷的方式。

问题描述为了分析车辆受起伏路面鼓励的响应，能够成立如图31-1所示的简化模型。

由于矿石的冲击只作用于车辆底板，因此忽略车辆其余部份，车辆悬挂系统用弹簧阻尼系统模拟。

在弹簧阻尼系统的端部施加随时刻转变的位移载荷，以模拟起伏路面对车辆的鼓励。

本例各物理量单位如下：长度为mm;力为N;时刻为s；质量为t；应力及材料弹性模量均为MPa;密度为t/m3；加速度为mm/s2。

分析步骤运行AN5YSJLS-LIYNA用ANSYS产品启动器（图31-1）运行ANSYS LS-DYNA:开始→程序→→Mechanical APDL Product launch→选择Simulation Environment（分析环境）为ANSYS，选择License（授权）为ANSYS Multiphysics/LS-DYNA，设置Working Directory（工作目录）和Initial Jobname（初始任务名）等→Run。

图31-2ANSYS产品启动器31. 概念任务名拾取菜单Utility Menu→File→Change Jobname，弹出如图31-3所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE31，单击“OK”按钮。

图31-3概念任务名对话框选择单元类型拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，弹出如图31-4所示的对话框，单击“Add…”按钮；弹出如图31-5所示的对话框，在左侧列表当选"LS-DYNA Explicit"，在右边列表当选“3D Solid 164”，单击“Apply”按钮：再在右边列表当选“Thin Shell 163”，单击“Apply”按钮；再在右侧列表当选“Sprng-Dampr 165”单击“OK”按钮。