什么是冲击动力学？低速冲击、高速冲击及Abaqus仿真

冲击是指两个物体在短时间内以突然的力相互碰撞。冲击动力学研究结构如何响应突发载荷。. 低速冲击 （≈1–10 米/秒）通常会导致压痕和分层；; 高速冲击 （>100 米/秒）会产生惯性效应、波动效应和穿透效应。.

通过了解更广泛领域内的低速和高速状态， 影响动态, 这样，人们就可以预测失效机制，选择合适的测试方法，并设计出更具韧性的材料。.

在本篇博客中，我们将首先介绍力学中“冲击”的含义，以及如何根据速度、持续时间和涉及的物体等不同方式对冲击进行分类。然后，我们将解释动量、冲量和动量守恒定律等关键概念，以及它们与冲击行为和公式之间的关系。在奠定这些基础之后，我们将进一步探讨如何使用 Abaqus 模拟冲击过程。.

（注：范围取决于材料、撞击体质量和几何形状——引用资料时请说明这些限制条件。）

What is Impact Dynamics in Mechanics?

冲击动力学 是指研究两个物体在短时间内相互碰撞或发生高强度碰撞事件的学科。.

冲击动力学是研究结构在短时间内受到能量冲击时的响应的学科，涵盖接触力学、能量传递、应变率相关的材料行为以及由此产生的损伤或失效模式。.

图 1：金属球在牛顿摆中碰撞[参考]

动量守恒原理、恢复系数和冲量-动量关系构成了冲击动力学的基础。.

这些概念使工程师能够预测碰撞后的速度、能量耗散和冲击力。.

通过熟练掌握这些原理，学生能够应对复杂的现实世界碰撞情况，并制定创造性的解决方案。.

Basic Concepts of Impact Mechanics

在冲击力学领域，掌握几个关键概念至关重要：

冲动： 这 （J） 是 力与时间的乘积 它所管辖的范围：

• 单位： 牛顿秒（Ns）

动量（线性动量）： 它量化了物体的运动，计算方法是将其质量和速度相乘：

恢复系数（e）： 恢复系数是衡量碰撞“弹性”程度的指标。恢复系数 e 是粒子碰撞后相对分离速度与碰撞前相对接近速度之比。恢复系数也反映了碰撞过程中能量的损失。.

定义恢复系数 e 的方程为：

一般来说，e 的值介于 0 和 1 之间。.

在完全弹性碰撞（e = 1）中，能量没有损失，粒子间的相对分离速度等于相对接近速度。在塑性碰撞（e = 0）中，相对分离速度为零。.

透彻理解这些原理对于分析各种材料在冲击过程中的行为至关重要。.

• $e=1$：完全弹性
• 0<e<1部分无弹性
• e=0完全无弹性

动能物体由于运动而具有的能量，其表达式为：

m 为质量，v 为速度。.

应变速率敏感性在冲击动力学中，材料变形的速率（应变速率）会极大地影响其机械响应。.

材料在不同的应变速率下表现出不同的力学行为。常用的应变速率敏感性模型是Johnson-Cook本构模型（广泛应用于金属冲击动力学）。该模型的应力-应变方程如下：

该模型（Johnson-Cook 1983）很好地观察了等效应力与等效应变量、等效塑性应变率和温度之间的关系。材料对动态载荷的机械响应以及五个常数 A、B、n、C 和 m 通常通过杆对壁冲击试验的结果获得，该试验最早由 Taylor 于 1984 年进行。.

Principle of Impulse and Momentum (Conservation Laws)

总计 冲动 作用于物体上的力等于 动量变化:

在 两个物体碰撞 （A 和 B），假设 无外力, ， 这 总动量守恒:

在哪里：

• 初始速度

• ​撞击后的速度

此外，我们还有保护法，用于：

• 角动量：在具有旋转运动且无外部扭矩的系统中守恒。.
• 动能仅在弹性碰撞中守恒。.

Types of Impact

冲击类型可根据不同方面进行分类。其中两个主要方面是速度和能量分布。.

他们是 不冲突 他们只是回答 不同的问题.

按速度分类

这是 根据速度 冲击发生。冲击速度主要分为低速冲击和高速冲击两种类型。下表列出了不同类型冲击的比较：

这种分类是关于 动力学 冲击力的大小：速度有多快，冲击力有多大，以及哪种物理现象占主导地位（例如，超高速下的流体行为）。.

Category by energy behavior

这是 基于能量的变化 在撞击过程中。.

• 弹性冲击： 碰撞物体的所有动能都保留了下来；物体反弹后不会发生永久性改变。.

图 2：弹性冲击

• 非弹性冲击： 部分动能以其他形式（热量、形变）散失到周围环境中。.

图 3：非弹性冲击

• 完全非弹性冲击： 能量损失最大；两个物体碰撞、粘在一起，然后作为一个物体运动。.

这个分类告诉你 能量如何转化 — 例如物体是否会弹跳、变形或粘附。.

Central Impact and Obilique Impact

碰撞线是穿过碰撞粒子质心的直线。.

中心影响 当两个碰撞粒子的运动方向与碰撞线方向一致时，就会发生碰撞。.

图 4：中心冲击

斜向冲击 当一个或两个粒子的运动方向与撞击线成一定角度时，就会发生这种情况。.

图 5：斜向冲击

What is Low Velocity Impact?

低速冲击是指物体以相对较低的速度（通常低于10米/秒）撞击结构物。它在工程领域非常重要，因为它可能造成内部损伤、分层或凹陷，而不会对结构造成明显的破坏。.

常见损伤机制（尤其是在复合材料中）
在复合材料中，低速冲击通常会导致基体开裂、分层和肉眼不可见的冲击损伤（BVID）。这种隐蔽的内部损伤即使表面看起来完好无损，也会严重降低材料的残余强度。.

工程师通常会跟踪哪些指标？

• 峰值力
• 吸收的能量
• 压痕深度

• CAI（冲击后压缩）试验的残余强度

What is High Velocity Impact?

高速冲击 当物体以约 10–1000 米/秒以上的速度撞击目标时，就会发生这种撞击。此类撞击会产生显著的应力波，导致穿透、破碎或严重的结构损坏。.

典型速度和弹道学考量
高速冲击通常指弹丸速度超过100米/秒。接触时间极短，惯性效应和应力波效应占据主导地位。航空航天碎片、弹道事件和防御场景都是常见的例子。.
（图片创意：弹道序列帧截图。替代文字：“高速弹道冲击序列”）

损伤模式
高速冲击造成的损伤机制与低速冲击截然不同。根据弹丸和靶材的不同，可能出现剪切堵塞、剥落、穿孔，甚至冲击致失效等损伤。.

测量挑战
因为所有事情都发生在微秒级，所以测量需要高速摄像机、计时器、见证板以及非常高的采样率的数据采集。.

The Importance of Impact Simulation

模拟这些事件可以让工程师：

• 评估结构完整性和安全性。.
• 在不影响耐用性的前提下，优化材料利用率。.
• 减少昂贵的体检需求。.

通过捕捉系统在高负载下的响应，工程师可以预测故障模式，改进产品设计，并满足严格的安全标准。.

冲击动力学的应用（例如，汽车、航空航天）

• 汽车碰撞安全性评估、行人安全、保险杠设计。.

图 6：冲击动力学在汽车领域的应用

• 航天鸟击分析、跑道碎片撞击、卫星屏蔽。.

图 7：冲击动力学在航空航天领域的应用

• 消费电子产品手机和笔记本电脑的跌落测试。.
• 防御：装甲穿透，冲击波传播。.
• 运动器材头盔冲击性能和防护装备设计。.

用于模拟冲击分析的不同软件有 ABAQUS、ANSYS、COMSOL 和 LSDYNA 等。.

Abaqus Impact Simulation

由于 Abaqus/Explicit 能够高效地处理短时非线性事件，因此常用于 Abaqus 冲击模拟。.

部件定义

创建代表目标和撞击体的几何模型。简化复杂特征以减少计算量，同时保留关键细节。.

材料特性

     冲击模拟需要考虑速率相关的材料。定义：

• 密度和弹性特性
• 塑性模型（例如，用于金属的Johnson-Cook模型）
• 如果预期发生断裂或损坏，则适用失效标准。

网格策略

• 在高应力或冲击区域使用细网。
• 为了提高精度，优选六面体元素（C3D8 或 C3D8R）。
• 进行网格收敛性研究，以平衡精度和运行时间。

定义边界条件

• 应用与物理支撑相匹配的现实约束条件
• 为冲击器设定初始速度或冲击力。
• 避免对模型施加过度约束。

过度约束是指施加多个一致或不一致的运动学约束。许多模型的节点自由度都存在过度约束。这种过度约束可能导致解不准确或不收敛。可能导致过度约束的常见情况包括（但不限于）：

• 与边界条件或多点约束相关的从属节点；;
• 涉及基于表面的绑定约束的表面边缘，这些边缘包含在接触从属表面中或具有对称边界条件；
• 对已参与耦合或刚体约束的节点施加边界条件。.

步骤定义

• 对瞬态冲击事件使用动态显式步骤
• 设定足够的步骤持续时间以捕获完整响应
• 自动或手动调整时间增量以提高稳定性

联系定义

• 使冲击器与靶材表面接触
• 必要时考虑摩擦力
• 调整接触刚度和惩罚参数以避免穿透或失稳

Common Challenges and How to Solve Them

处理融合问题：

• 使用显式动态求解器来避免典型的隐式收敛问题
• 在隐式运行中应用稳定方法或减少负载增量
• 细化网格并检查畸变单元
• 必要时简化接触模型和材料模型

大变形和接触不稳定性管理

• 使用带沙漏控制的低积分元件 (C3D8R)
• 调整接触参数以最大限度地减少穿透
• 考虑自适应网格划分或重新划分网格策略
• 谨慎使用质量缩放来稳定模拟

Tips to Optimize Your Impact Simulation

单元选择和网格细化可以优化冲击模拟：

• 选择适合大变形的实体单元（首选 C3D8R）
• 对冲击区周围进行局部网格细化
• 进行网格敏感性分析，以权衡精度与成本

规模化和时间效率也很重要：

• 在低应变区域应用质量缩放来增加稳定时间增量
• 监测能量平衡以确保物理准确性
• 结合大规模扩展和高效的步长控制来减少计算时间

Case Study: Low Velocity Impact

低速冲击是指物体以相对较低的速度碰撞。虽然其冲击能量可能低于高速冲击，但低速冲击仍然会造成显著的损伤和变形。评估低速冲击的影响对于各行各业至关重要，有助于确保其产品的结构完整性、安全性和性能。.

例如，在汽车行业，了解车辆对低速冲击的响应对于设计耐撞结构和提高乘员安全至关重要。在航空航天领域，评估飞机部件（例如机身面板或机翼）的抗冲击能力有助于确保其能够承受地面操作事故或鸟击。.

在本节中，您将学习如何对夹层结构（波纹铝芯，上下两块复合板）进行低速冲击模拟，并使其免受钢弹丸的冲击。.

图 8：波纹夹层结构配置

芯材夹层结构采用环氧树脂-玻璃纤维增强面板和铝合金芯材制成。这种设计理念使得夹层结构能够在优化其比弯曲刚度和强度的同时，增强其能量吸收能力。.

为了模拟复合材料在冲击过程中的行为，本文采用了Hashin失效准则。这种显式方法被认为适用于本分析，尤其适用于夹芯板在冲击过程中发生坍塌的情况。.

Step 1: Modeling (Part Module)

要模拟波纹芯结构，请执行以下步骤：

零件→创建→3D、可变形、壳体、挤出、继续

此外，圆柱体的高度必须输入为 0.115。.

图 9：零件草图

具体数字如下：

图 10：波纹板的三维模型

要对复合材料板进行建模，请按以下步骤操作：

零件→创建→3D、可变形、实体、挤压、继续

图 11：复合板草图

盘面图案如下：

图 12：复合板三维模型

要模拟抛射体，请使用以下草图。.

图 13：绘制抛射体示意图

Step 2: Mechanical properties (Property module)

为了确定其力学性能，我们执行以下操作：

模块：属性→材质→创建；;

波纹板的材料特性： 质量密度：2760 (kg/m³)，杨氏模量：70 (GPa)，泊松比：0.33。.

Johnson-Cook 模型中的材料参数必须在数据表中定义，如下所示。.

图 14：Johnson-Cook 参数

此外，塑性参数定义如下。.

图 15：塑性参数

复合材料板的材料特性： 质量密度：2200 (kg/m³)，杨氏模量：210 (GPa)，泊松比：0.33。.

图 16：复合材料的 Hashin 损伤参数

其他参数，例如损伤稳定化，按如下方式输入：

图 17：复合材料的 Hashin 损伤参数

弹性参数定义如下：

图 18：弹性参数

此外，还要定义复合材料铺层的旋转角度。.

图 19：复合材料铺层

对于抛射物： 质量密度：7850 (kg/m³)，杨氏模量：210 (GPa)，泊松比：0.33。.

其他参数，如膨胀系数、非弹性热分数和比热容，按如下方式输入。.

Johnson-Cook 模型中的材料参数如下所示。.

图 20：弹丸的损伤参数

塑性速率相关参数如图所示：

图 21：弹丸的塑性参数

Step 3: Assembly module

请按以下步骤创建实例：

模块：程序集→实例→创建实例；实例类型：独立→确定

图 22：组装模型

Step 4: Define the type of solution (Step module)

模块：步骤→创建步骤；过程类型：常规；动态、显式→继续

图 23：选择步骤

Step 5: Boundary conditions (Load module)

以下方法用于定义弹丸的边界条件和速度：

加载模块：创建边界条件 → 类别 → 机械；对称/反对称/封闭 → 封闭；;

图 24：定义边界条件

要确定初始冲击速度，请执行以下操作：

加载模块：创建边界条件 → 类别 → 机械；速度/角速度；;

图 25：速度的定义

Step 6: Meshing (Mesh module)

网格模块：全局种子 → 近似全局大小：0.001 → 确定

网格模块：指定单元类型→单元库：显式→几何阶数：线性→单元族：连续壳单元

图 26：分配元素类型

网格模块：网格部件实例→ 是

图 27：网格模型

Step 7: Constraint and contact

您可以在芯材和复合板之间使用绑定约束。.

图 28：定义接触

Step 8: Solving problem (Job module)

模型已准备就绪，请按照以下说明进行分析。.

工作模块：创建工作→ 继续…→ 编辑工作→ 确定

解决方案的操作从以下路径开始：

工作模块：工作管理→提交

Step 9: 结果监控（可视化模块）

您可以通过以下路径查看结果：

工作模块：工作管理→结果

可视化模块：绘图→轮廓→变形形状

图 29：结果

高速冲击示例

如果您对高速冲击模拟教程感兴趣，请参阅此PDF文件：

高速冲击示例

结论

本文重点探讨了冲击动力学，即两个物体在短时间内发生高强度碰撞的过程。文章阐述了如何在力学问题中研究冲击，以及理解冲击对于车辆碰撞或跌落试验等实际应用的重要性。.

该课题至关重要，因为冲击可能造成重大损坏或结构改变，工程师必须准确预测和评估此类事件。这有助于设计更安全、更可靠的产品和系统。.

文章首先定义了冲击，并解释了如何根据速度、持续时间和物体行为对冲击进行分类。文章介绍了冲量、动量和动量守恒等关键概念，这些概念对于分析冲击问题至关重要。接下来的部分讨论了低速冲击和高速冲击之间的区别，展示了每种冲击类型对物体的不同影响。最后，文章提供了在Abaqus中模拟冲击的基本指南，包括模型设置步骤以及不同速度如何影响模拟结果。.

总的来说，本文全面概述了冲击动力学，涵盖了理论概念和实际模拟。文章展示了冲击的发生过程、冲击的分类方法，以及工程师如何使用Abaqus等软件工具进行分析。.

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