冲击动力学是力学的一个分支，研究两个物体在短时间内突然施加作用力时的碰撞行为，核心关注结构对瞬态载荷的响应规律，涵盖接触力学、能量传递、应变率相关材料特性及由此产生的损伤或失效模式。
典型示例：牛顿摆中金属球的碰撞（见图 1）。
- e = 1：完全弹性碰撞，无能量损失，碰撞后物体分离速度等于碰撞前接近速度；
- 0 < e < 1：部分非弹性碰撞，部分动能转化为热能、声能或用于变形；
- e = 0：完全非弹性碰撞，碰撞后物体黏合在一起运动，能量损失最大。
- 核心公式：作用在物体上的总冲量等于物体动量的变化量（J=Δp=mΔv）；
- 动量守恒：若两物体（A、B）碰撞时无外力作用，系统总动量守恒（mAvA1+mBvB1=mAvA2+mBvB2），其中v1为碰撞前速度，v2为碰撞后速度；
- 其他守恒量：
- 角动量：无外扭矩时，旋转系统的角动量守恒；
- 动能：仅在完全弹性碰撞中守恒，非弹性碰撞中部分动能会损失。
冲击可从速度、能量行为、碰撞方向三个维度分类，不同分类维度关注的物理特性不同，互不冲突。
注：速度范围受材料、冲击物质量及几何形状影响，需结合具体场景调整。
- 正碰撞（Central Impact）：两物体运动方向沿 “碰撞线”（过两物体质心的连线）；
- 斜碰撞（Oblique Impact）：一个或两个物体的运动方向与碰撞线成一定角度。
- 速度通常低于 10 m/s，作用时间相对较长；
- 易引发 “隐性损伤”，表面无明显破坏但内部结构已受损（尤其复合材料）。
- 基体开裂、层间剥离（delamination）；
- 目视不可见损伤（Barely Visible Impact Damage, BVID），会显著降低结构剩余强度。
- 峰值力（Peak Force）；
- 吸收能量（Absorbed Energy）；
- 压痕深度（Indentation Depth）；
- 冲击后压缩强度（CAI 测试结果）。
- 速度通常高于 100 m/s，作用时间极短（微秒级）；
- 惯性效应与应力波效应主导，易引发穿透、碎裂等严重损伤。
- 航空航天：飞鸟撞击、跑道碎片撞击、卫星防护；
- 国防：装甲穿透、冲击波传播；
- 日常：弹道冲击（子弹穿透）。
- 剪切冲塞（Shear Plugging）、剥落（Spalling）、穿孔（Perforation）；
- 冲击波引发的材料失效。
- 需借助高速摄像机、计时器、见证板等设备，数据采样率需达到微秒级。
- 评估结构完整性与安全性；
- 优化材料用量，平衡耐用性与成本；
- 减少昂贵的物理试验，缩短研发周期。
Abaqus、ANSYS、COMSOL、LS-DYNA 等，其中Abaqus/Explicit因高效处理短时间非线性事件，成为冲击仿真的常用工具。
Abaqus 冲击仿真主要依赖Explicit 求解器，适用于瞬态、大变形、高非线性场景，具体步骤如下：
- 创建冲击物（Impactor）与目标结构（Target）的几何模型；
- 简化复杂特征（如非关键倒角、小孔），平衡计算效率与仿真精度。
冲击仿真需重点关注率相关性材料，需定义：
- 基础属性：密度、弹性模量、泊松比；
- 塑性模型：如金属用 Johnson-Cook 模型；
- 失效准则：若需模拟断裂或损伤，需补充损伤参数（如 Hashin 准则用于复合材料）。
- 创建部件实例（Instance），选择 “独立实例（Independent）”；
- 调整冲击物与目标结构的相对位置，确保符合实际碰撞场景。
- 选择 “General→Dynamic, Explicit” 分析步；
- 定义足够的步长，确保捕获完整的碰撞响应（如从接触到分离的全过程）。
- 约束目标结构：根据实际支撑情况施加约束（如固定约束 “Encastre”）；
- 定义冲击物速度：通过 “Velocity/Angular Velocity” 施加初始冲击速度。
- 网格策略：冲击区域采用细网格，非关键区域可粗化；
- 单元选择：优先使用六面体单元（如 C3D8、C3D8R），需开启沙漏控制（Hourglass Control）以避免数值不稳定；
- 网格收敛性验证：通过调整网格密度，确认结果无显著变化。
- 接触定义：设置冲击物与目标结构的 “面 – 面接触（Surface-to-Surface Contact）”，必要时考虑摩擦；
- 约束处理：若目标结构由多部件组成（如夹层结构的芯材与面板），可采用 “绑定约束（Tie）” 确保连接。
- 创建作业（Job），检查模型无误后提交求解；
- 监控求解过程：关注能量平衡、单元畸变等指标，避免计算中止。
- 查看变形云图：通过 “Plot→Contours→On Deformed Shape” 观察结构变形；
- 提取关键数据：峰值力、吸收能量、损伤分布等，验证设计合理性。
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