(推荐)固体中的应力波

固体中的应力波

李清

中国矿业大学（北京）

参考书：

1 王礼立. 《应力波基础》第2版(2005年8月1日)，国防工业出版社

2 李玉龙. 《应力波基础简明教程》第1版 (2007年4月1日)，西北工业大学

3 丁启财(美国). 《固体中的非线性波》，中国友谊出版公司

4 宋守志. 《固体中的应力波》，煤炭工业出版社

5 杨善元. 《岩石爆破动力学基础》，煤炭工业出版社

6 莱茵哈特(杨善元译). 《固体中的应力瞬变》，煤炭工业出版社

7 徐小荷. 《冲击凿岩的理论基础与电算方法》，东工出版社

8 郭自强. 《固体中的波》，地震出版社

目录

第0章绪论 (1)

1 波动现象 (1)

2 应力波的概念 (1)

3 应力波分类 (3)

4 应力波理论与其它力学理论的关系 (3)

5 应力波理论的发展 (3)

6 应力波理论在岩土工程中的应用 (3)

第1章一维应力波基础 (4)

§1.1波动方程及其解 (4)

1.1.1 一维纵波的波动方程 (4)

1.1.2 波的传播速度 (4)

1.1.3 波动方程的解 (5)

1.1.4 解的物理意义 (6)

§1.2 应力波的几个基本参量 (7)

§1.3 应力波的能量 (7)

§1.4 波的衰减 (8)

1.4.1 原因 (8)

1.4.2 度量 (8)

1.4.3 衰减率α的测定 (9)

§1.5 考虑杆的横向效应的波动方程 (10)

§1.6 杆中的扭转波与弯曲波 (12)

1.6.1 扭转波 (12)

1.6.2 弯曲波 (13)

第2章二维和三维弹性波理论基础 (14)

§2.1 弹性体的运动微分方程 (14)

§2.2 弹性体的无旋波与等容波 (15)

2.2.1 无旋波(纵波、P波) (15)

2.2.2 等容波(横波、S波) (16)

§2.3 平面波的传播 (17)

2.3.1 平面纵波(V//c) (17)

2.3.2 平面横波(V⊥c) (18)

§2.4 薄板中的应力波 (19)

2.4.1 控制方程 (19)

2.4.2 纵波 (20)

2.4.3 横波 (21)

2.4.4 各种波速关系 (21)

§2.5 球面波 (22)

2.5.1 波动方程及其解 (22)

§2.6 柱面波 (23)

第3章应力波的相互作用 (24)

§3.1 一维应力波在界面的反射和透射 (24)

3.1.1 应力波在不同介质界面的反射和透射 (25)

3.1.2应力波在变截面杆中的反射和透射 (26)

§3.2 两杆相撞的入射波 (27)

§3.3 传播图与状态图 (29)

3.3.1传播图 (29)

3.3.2 状态图 (30)

§3.4 弹性杆中波的传播（图解法举例） (32)

3.4.1 冲锤撞击杆件应力波的传播 (32)

3.4.2 双圆柱活塞撞击钎杆应力波传播 (33)

§3.5 平面波的边界效应 (36)

3.5.1 平面波在界面上的垂直入射 (36)

3.5.2 平面波在界面上的倾斜入射 (37)

§3.6 应力波引起的破裂 (39)

3.6.1金属丝冲击波拉伸断裂 (39)

3.6.2 Hopkinson压杆与飞片 (41)

3.6.3 断裂准则 (41)

3.6.4 简单反射拉伸波引起的层裂或剥裂 (42)

3.6.5 物体形状对应力波引起破裂的影响 (45)

§3.7 冲击波基本问题 (45)

第4章固体中的非线性波基础 (48)

§4.1 弹塑性加载波及其相互作用 (48)

4.1.1 强间断弹塑性波的迎面加载 (48)

4.1.2弱间断弹塑性波的迎面加载 (50)

§4.2 卸载波的控制方程和特征线 (51)

第5章岩石动态力学性质与应力波的相互作用 (53)

§5.1 岩石动态本构关系与动态强度 (53)

§5.2 岩石动态力学参数测试 (54)

§5.3 本构关系对应力波传播的影响 (54)

§5.4 应变率相关的应力波理论 (55)

5.4.1 Voigt体 (55)

5.4.2 Maxwell体 (55)

第6章应力波在岩土工程中的应用 (55)

§6.1 应力波在冲击凿岩中的应用 (55)

6.1.1 冲击凿岩的应力波的传递 (55)

6.1.2 凿岩机的凿入机理 (55)

6.1.3 入射波形对凿入效果的影响 (56)

6.1.4 冲击凿岩的破坏原理 (56)

§6.2 应力波在爆破工程中的应用 (56)

§6.3 应力波在土动力学中的应用 (56)

6.3.1绪论 (56)

6.3.2 土的动应力-应变关系及其描述 (58)

§6.4 应力波在地震工程学的应用 (58)

第7章应力波测试分析技术简介了解 (60)

§7.1 膨胀环测试技术 (60)

§7.2 Hopkinson杆测试技术 (60)

§7.3 Taylor圆柱测试技术 (61)

§7.4 高速冲击载荷的实验技术 (61)

第0章 绪论

1 波动现象

波动现象：水波、声波、电磁波、光波等。

波是一种扰动或状态在介质中的传播，波动是非常普遍存在的一种运动形式，一般可分为两大类：机械波和电磁波。这里所述的应力波属于机械波，是机械扰动在连续介质中的传播过程。机械波产生于可变形介质的强迫运动，通过质点在平衡位置附近的振动来传递能量。

2 应力波的概念

介质的某部分受力发生了一种状态的扰动，离开初始平衡位置，与相邻介质质点发生相对运动(变形)，并和周围介质产生压力差，这种压力差将导致周围介质质点投入运动，但由于介质质点具有惯性，而使某相邻质点运动滞后，外载荷在表面上的扰动就这样在介质中由近及远地传播出去而形成应力波。

应力波理论主要研究力、位移、速度等物理量在固体中传播的规律以及它们对固体的作用效应。

理论力学中，物理被认为是刚体(不变形)，遵循牛顿惯性定律∶F=ma

材料力学、弹性力学，研究物理变形，但不考虑变形而产生的物理运动，不考虑物理的惯性，遵循虎克定律∶εσ?E =

现实的物体，惯性和弹性兼而有之，当它受力时，既改变它的速度又改变它的形状。物理受力部位的质点，克服惯性，发生速度的变化，这种变化遵循惯性定律(牛顿定律)，速度的变化必然导致变形，变形阻碍速度变化；反过来说，物理受力部位，由于弹性的作用，必定会有变形，这种变形符合虎克定律，但在实现变形时，质点会出现变速运动，变速运又阻碍变形的发展。由此可见，物理内部同时存在着弹性和惯性，相互作用，导致物理中形变和速度的转移，这就是应力波。

应力波得以在连续介质中传播的基本条件是介质的可变形性和惯性。对于不可变形的刚体，局部的扰动（力或位移）可立即传到整个物体的每一部分。若介质没有惯性，则扰动的传递也是瞬时完成的，一切实际材料都具备这两个条件，所以一切实际材料都能传播应力波。

固体中的应力波的研究主要用于地震、爆作、高速撞击、爆破、超生波等应力波的发生和传播过程。

应力波波阵面∶介质中扰动的区域和扰动未波及的区域的界面。

分析波阵面的前后状态参量的变化关系，有两种类型。

间断波波阵面∶前后质点微团的状态参量有一个有限的差值。状态参量发生跃变，数学上叫强间断。

连续波波阵面∶前后质点微团的状态参量的差值为无限小。状态参量的分布是连续的，数学上叫弱间断。

强调一点∶间断波和连续波是相互转化。

弥散波：如介质的性质使得高应力水平增量波具有较低传播速度，波形在传播过程中会逐渐拉长、散开的连续波。

汇聚波：如介质的性质使得高应力水平增量波具有较高传播速度，那么处于后面的高波速的增量波不断追赶前面的较低波速的增量波，使得连续波波形逐渐缩短。

冲击波：一定条件下，后面具有高波幅的增量波赶上前面波幅的较低的增量波形成以统一波速传播的强间断波波阵面，连续波转化为冲击波。

间断波中除了冲击波之外，还有一种等熵的间断波，这就是弹性间断波，因为弹性变形是可逆的过程，弹性间断波只是在波形上与连续波不相同，二者在本质上没有区别。

最后介绍关于加载波与卸载波的概念。固体介质不但能承受压力，而且能承受拉力。对介质加压，使介质压密就是加载；对已经受压后的介质减压，使介质稀疏就是卸载。当波阵面通过一个介质微团时，其效果是使微团压密的就是加载波（压缩波）；其效果是使微团稀疏的就是卸载波（拉伸波）。加载波和卸载波的波形如图示。

3 应力波分类

(1)按力的特征分∶拉伸、压缩波（稀疏波或纵波）；弯曲波、剪切波（横波）

(2)按波阵面的形状分∶平面波、柱面波、球面波

(3)按变形特征分∶无旋波（膨胀波）、等容波（畸变波）

(4)按介质的物理特征分∶弹性波、塑性波、粘弹波、粘塑波

(5)按介质的几何特性分∶一维波（杆波）、二维波（平面波）、三维波（空间波）4 应力波理论与其它力学理论的关系

应力波理论是固体动力学的分支。但目前的固体动力学往往集中研究材料在高应变率下的动态力学性能，而把已知材料的动态力学性能、介质受到外部动载作用的规律研究让位于应力波理论。但二者是相互依赖而发展，一方面应力波理论的发展必须建立在对材料动态力学性能的了解之上；另一方面，材料的动态力学性能往往必须通过应力波的测试与分析才能得到。

应力波理论与其它力学理论的区别∶

(1)动力学研究载荷的早期效应（瞬时效应，着重研究质点的运动和变形等物理量随时间的变化过程以及在物理中的传递），静力学研究的是载荷的后期效应（只研究在力的作用下达到平衡之后的状态）；

(2)动力学研究载荷对介质的局部效应，静力学研究载荷对介质的整体效应；

(3)动力学研究的动载有明显的耦合效应，静力学研究的静载作用于固体的应力分布不随介质而变。

5 应力波理论的发展

线弹性波传播的数学理论早在上个世纪中叶由柯西(Cauchy)、泊松(Poisson)、斯托克斯(Stokes)等解决，可直到本世纪四十年代，由于电子技术的发展，人们才直观地在固体中“看到”波，应力波理论才开始在一些工程领域得到应用。与此同时，Donnell、

Taylor等人在理论上又发展了塑性波理论。五十年代前后，考虑应变率效应的粘塑性波理论又得到了发展。应力波理论特别在地球物理勘探中的

“实时采集与数据处理”技术得到了迅速发展。

6 应力波理论在岩土工程中的应用

爆破工程、凿岩工程、桩基工程、岩石动态力学、土动力学、地震工程与抗震工程、地球化学勘探。

第1章 一维应力波基础

§1.1波动方程及其解

1.1.1 一维纵波的波动方程

如图1-1所示，在一等截面的一维杆中取一微段dx ，截面面积为A 。基本假设为杆的横截面在变形过程中保持平面，不考虑横向扩展效应，杆上只分布沿截面均匀分布的轴向应力，因而位移u 、工程应变ε、质点速度v 和应力σ都只是x 和t 的函数。

其左截面mn 与右截面n m ''上的作用力F 、F '分别为

x u AE AE A F ??===εσ，t

t x u x t u x v ??=???=????=??ε1 dx x

u AE x u AE dx x F F F 22??+??=??+=' 1

微元体dx 所受的惯性力为：22t u dx A ma ????=ρ 由牛顿定律，得微元体平衡方程

22t

u dx A F F ?????=-'ρ 2222t

u dx A dx x u AE ?????=??ρ 即

ρρE c x u c x u E t u =???=???=??,222222 （1-1）

方程1-1是一维纵波的波动方程，c 为纵波的波速。

1.1.2 波的传播速度

波动方程中的c 为称为波速，ρE c =

（纵波波速）。根据能量守衡定律和冲量定理

可以推导。

取一单位面积细长的杆，一端受到撞击，撞击后杆端的初速度为v 0，受力为σ0。经

过时间△t 后，扰动扩展到长为l 的区域，在此范围质点的运动速度均为v 0，内力为σ0，则时间△t 内有

外力作功

t v l w ?=?=000σσ

扰动区域的动能

202

1lv E d ρ= 扰动区域的位能

E l E l 202

1σ= 根据能量守衡定律有

E l lv t v 2020002

121σρσ+=

? （1） 根据冲量定理有 lv t ρσ=?0 （2）

所以有

)(2

102000v E v v ρσ+= ρ

σE v 00= （3） 可见细长杆受撞击后，力与质点速度v 0并非无关，而是成正比。

将（3）式代入（2）式，得到纵波的传播速度

ρρσE v t l c ==?=00

同样可以弹性横波的波速

)

1(2υρρ+==E G

c T 以上波速推导中，应用了线弹性本构关系εσE =，事实上只要)(εσσ=，既应力是应变的单值函数，而与应变率无关，波动方程（1-1）就成立。

1.1.3 波动方程的解

方程（1-1）的解法有分离变量法（驻波法）、积分变换法及行波法等，其中行波法对求解波动方程最为有效。

令ct x +=ξ、ct x -=η，则2η

ξ+=x 、c t 2ηξ-=

，故

),()2,2(),(ηξηξηξw c u t x u =-+= ηξηηξξ??+?

?=?????+?????=??w w x w x w x u 22222222)()(ηξηηξξ

ηηξηξηξξ??+???+???+??=?????+????+?????+????=??w w w w x

w w x w w x u （1）

)(ηξηηξξ??-??=?????+?????=??w w c t w t w t u )()()(2

22222222ηξηηξξηηξηξηξξ??+???-???-??=?????-????+?????-????=??w w w w c t

w w c t w w c t u （2）

将（1）和（2）式代入波动方程，得

02=???η

ξw （3） 对（3）式先对η积分，得

)(ξξ

f w '=?? 对（3）式先对ξ积分，得 )()()()(ηξηξξ

g f g d f w +=+'=?

于是有

u=f(x+ct)+g(x-ct) （1-2）

公式（1-2）是一维波动方程的通解。

1.1.4 解的物理意义

在某范围内（-l ，l ）的扰动，在△t 时间之后，分为右行波和左行波。右行波的前

后沿分别沿着直线l kt x =-和l kt x -=-前进，而左行波的前后沿分别沿着直线l kt x -=+和l kt x =+前进，经过△t 时间之后，分解右行波和左行波的形状不随时间和

位置的变化而变化，前进的速度均为c k dt

dx ==||。

§1.2 应力波的几个基本参量

右行波u=f(x-ct)：

（1）应变

)(ct x f x u -'=??=

ε （2）质点速度

c v ct x f t u v -=-'-=??=ε),( 2 （1-3）

（3）应力

cv ρσ-= （1-4）

（4）波阻率c ρ：表示单位质点速度所需要的应力

如v =10m/s ，μεε2000102500

15000103-=?-=-=-=-=-c v ， 236/4200102101.2cm kg E =???==-εσ，顿21==σA F （B25钎杆） 对于钢材)//()/(78.39)//(1078.39/5100/10/78002623

s m mm N s m Pa s m s m m N c g c =?=?==γ

ρ 部分岩石的应力波参量如下表所示。

岩石的波阻率只有几到十几，远比钢材要低，表明岩石中产生单位质点速度所需要的应力比钢材中要低得多。

§1.3 应力波的能量

一维杆中位能（弹性能）

dt AEc dt E Ac cdt E A Adx dw e 22221212121εσσσε=?=?== 3

一维杆中动能

dt E

Ac dt AEc dt c A c Acdt Adxv dw d 222322212121)(2121σεερερρ===-== )51(0

202-===???ττσεdt E Ac dt AEc dw w dx 微段所具有的总能量为

dt E

Ac dt AEc dw dw dw d e 22σε=

=+= 应力波的总能量为 ???===ττσε0202

dt E Ac dt AEc dw w （1-5） 结论（1）波动过程中，对任一微段在任一时刻具有的动能和位能都相等，这是波动和振动的本质区别，一个作纯振动的系统，尽管总能量不变，但总存在着动能和位能的转换。

结论（2）任一微段所具有的总能量是应力或应变的函数，应力和应变是一种波动过程，因此能量也是一个波动过程，对任一微段来说，其能量是不守衡，沿着波传播的方向，该段波源获得能量，使其能量逐渐增大，又逐渐把自身能量传递给后面的介质，能量随着波动过程而有规律地传播，波动是能量传递的一种方式。

§1.4 波的衰减

1.4.1 原因

真实物质很少是理想的弹性体，而常常是弹塑性或粘弹性等。当波在粘弹性介质中传播时，因存在内摩擦，将产生能量的损耗；当波在热弹性体中传播时，在应力波通过时，固体一部分受压，另一部分发生膨胀，压缩部分温度升高，膨胀部分温度降低，这种温度梯度的出现，将在固体中引起热的传递，并伴随着不可逆过程的发生，使应力波因热耗散而发生衰减。

总之波的衰减来源于内摩擦和外摩擦的作用：内摩擦由材料的粘弹和热弹性决定；外摩擦决定于材料所处的工作环境。

1.4.2 度量

度量波的衰减程度通常采用衰减系数α、损耗因子Q -1。

（1）衰减率α 振幅衰减率、应力衰减率

dx

d σσα/-= （1-6） 表示应力波在单位长度上的振幅衰减。

dx d ασ

σ-=，x e ασσ-=0 （1-7）

其中，σ0为在x =0处的应力波幅值；σ为在任一位置x 处的应力波幅值，相当于前

面的σmax 。

（2）损耗因子Q -1 Q ——品质因素 w w Q ??=-π211

（1-8） 式中 △w ——一次应力循环所损失的能量；

w ——应变达到最大时所贮存的弹性能。

（3）能量衰减率α'

dx

d dx E E d dx w dw σσσσσα2)/()2(/2

-=-=-=' αα2=' （1-9）

由此可见能量衰减率是振幅衰减率的两倍。

（4）损耗因子Q -1与衰减率α的关系

f

c f c T c w w Q παπααπλαππ='=??'?=?'?=??=-22121211 （1-10） 1.4.3 衰减率α的测定

x e ασσ-=0，x e ασσ-=0，x ασσ-=0ln ，x ασσ=0ln ，σ

σλσσα00ln 1ln 1?=?=n x σ

σα0ln 21?=nl （1-11） 但在岩土工程中，品质因素Q 或损耗因子Q -1的应用更为普及，大量科研表明损耗因子Q -1对岩石物理性质变化的反映比声速更明显和可靠。由于衰减系数α在很宽的频率

范围内是线性函数，因而Q -1与频率无关，这时c r Q π

=-1。 损耗因子的测试大多采用频谱振幅比法，该方法涉及到频谱分析技术，比较复杂。参考《应用声学》1987（4）或《地震研究》1983（4）等有关文献。

§1.5 考虑杆的横向效应的波动方程

前面讨论的一维应力纵波理论都假设杆的平截面在变形后仍保持平截面，并在平截面上只作用着均匀的轴向应力σx 。这时实际忽略了杆中质点横向运动的惯性作用，即忽略了杆的横向收缩或膨胀，因而是一种近似理论，通常称为初等理论或工程理论。

由材料力学可知，广义虎克定律如下

)]([1z y x x E σσμσε+-=，)]([1x z y y E σσμσε+-=，)]([1y x z z E

σσμσε+-= 当一维杆受σx 作用时，即σy =σz =0时

x x E σε1=，x x y E μεσμε-=-=，x x z E

μεσμε-=-= 即

x u y

y u x x y ??-=?-=μμε，x u z z u x x z ??-=?-=μμε x v y t u v x y

y ??-=??=μ，x

v z t z t u v x x z z ??-=??-=??=μεμ 单位体积的平均横向动能为

22222)(21)(211t

r v v dydz A x g A z y ??=+?ερμρ 式中 r g ——截面对x 轴的转动半径，?+=A

g dA z y A r )(1222 上面在推导一维波动方程时，是从分析杆中微段的受力着手，在运动着的微元体上

作用着一对静力平衡的力A σ和一非静力平衡的力dx x

A ??σ。非静力平衡的力与微元体的纵向惯性有关，其所作的功转化为微元体的纵向动能，单位时间所作的功等于纵向动能的增加率，即

)2

1(2Adxv t v dx x A ρσ??=??? 整理后，微元杆端的运动方程为 x t v ??=??σρ

（1-12） 一对静力平衡的力A σ所作的功，在初等理论中全部转化为应变能。在计及横向运动的情况下，下可看作由两部分组成：一部分使微元体应变能增加，另一部分转变成了杆的横向动能。这样，就单位时间、单位体积而言，有

))(21()21(2222t

r t E t t g ????+??=??ερμεεσ