应力波理论基础
应力波基础简明教程
应力波基础简明教程应力波是一种在固体或流体中传播的机械波，它由于介质内部的应力和应变之间的相互作用而产生。
应力波是固体力学和流体力学等领域的重要研究对象，对于理解材料的弹性性质以及地震波的传播机制具有重要意义。
应力波的传播速度取决于介质的性质，不同类型的应力波在不同介质中的传播速度也不同。
例如，纵波是一种沿着波的传播方向产生压缩和膨胀的波，它在固体中传播的速度通常比横波快。
而横波是一种垂直于波的传播方向产生振动的波，它在固体中传播的速度一般比纵波慢。
应力波的产生通常是由外界施加的力或应力突然改变引起的。
当外界施加的力或应力突然改变时，介质内部会产生应力集中的现象，从而引发应力波的传播。
应力波的传播路径可以通过数学模型来描述，这些模型通常基于弹性理论或流体力学方程。
应力波在不同领域中有着广泛的应用。
在地震学中，研究地震波的传播路径和速度可以帮助科学家预测地震的发生和传播。
在工程领域，研究材料的应力波传播性质可以帮助工程师设计更安全和可靠的结构。
在医学领域，应力波技术可以应用于医学成像和治疗，如超声波成像和激光治疗等。
除了上述应用外，应力波还可以用于非破坏性测试和材料表征。
通过分析应力波的传播速度和幅度等特性，可以推断材料的弹性模量、密度和缺陷等信息。
这种非破坏性的测试方法可以在不破坏材料的情况下评估材料的质量和性能。
应力波的研究也面临着一些挑战和难题。
首先，应力波的传播路径和速度受到介质非均匀性和复杂性的影响，因此需要考虑介质的各向异性和非线性等因素。
其次，应力波的传播过程中会发生能量耗散和衰减，这也需要进行深入的研究和分析。
此外，应力波的探测和测量方法也需要不断改进和创新，以提高测试的准确性和精度。
应力波作为一种在固体和流体中传播的机械波，具有广泛的应用和研究价值。
通过研究应力波的传播特性和应变响应，可以深入理解材料的弹性性质和地震波的传播机制，从而为工程设计、地震预测和医学成像等领域提供科学依据和技术支持。
应力波基础
应力波基础应力波是由于外部力作用或者物体自身运动引起的一种波动。
它在许多实际应用中都有重要的作用，如地震波、声波、光波等等。
本文将从应力波的定义、产生机制、传播规律等方面进行相关参考内容的阐述。
首先，应力波指的是媒质中由于外界力作用引起的弹性波动。
应力波有两种主要的产生机制：一种是由于外部力的短时间作用产生的冲击波，如地震波；另一种是由物体在自由振动或者动态载荷作用下引起的波动，如声波。
这两种产生机制决定了应力波具有不同的特点和传播规律。
应力波的传播规律可以通过弹性介质的性质来描述。
弹性介质指的是能够恢复形变，且传播速度有限的物质。
在弹性介质中，应力波的传播速度与介质的物理性质有关，主要取决于介质的密度和弹性模量。
一般情况下，介质越密集、越刚性，传播速度越快。
例如，固体对应力波的传播速度远远高于液体和气体。
对于地震波而言，它是地壳中的一种应力波，主要由地震活动引起。
地震波具有横波和纵波两种传播方式。
横波是指沿垂直于波动方向振动的波动，它的传播速度比纵波快；而纵波是指沿波动方向振动的波动，它的传播速度比横波慢。
地震波的传播速度和传播路径受到地壳中各种物质的物理性质和结构的影响。
地震波的传播路径可以通过地震观测站网络进行监测和研究，以了解地壳中的岩石性质和结构特征。
声波是另一种常见的应力波，它是由物体振动引起的。
声波的传播速度与介质的压强和密度有关，一般情况下，在固体中声速最快，液体次之，气体最慢。
声波的频率和振幅决定了它的音调和音量，不同频率的声波会被人耳感知为不同的音调。
除了地震波和声波之外，光波也是一种应力波。
光波的传播是由电磁场引起的，其传播速度为光速，约为30万千米/秒。
光波的频率和波长决定了它的颜色和能量。
光波在介质中传播时会发生折射、反射等现象，这些现象由光的波动性和光在不同介质中的传播速度引起。
总之，应力波作为一种波动现象，具有多样的传播规律和形式。
地震波、声波和光波等都是应力波的重要表现形式。
应力波基础 PPT
2u t 2
C2
2u X 2
0
以位移u为未知函数 的二阶偏微分方程
2.2 物质坐标描述的杆中纵波的控制方程
三、讨论
1．平面假定(一维假定)的讨论 忽略质点横向运动的惯性效应； 质点横向运动导致应力分布的不均匀及横 截面的非平面性； 波长远大于杆横向尺寸时，近似满足—— 初等理论或工程理论。
应力波基础
目录 第一章 绪论 第二章 一维杆中应力波的初等理论 第三章 弹性波的相互作用
第一章 绪 论
一、高速加载的特点
1．静态和动态载荷下物体的力学响应不同 1)材料力学实验的要求； 2)Hopkinson重物下落实验； 3)动载荷下玻璃的破坏——穿洞不裂、背面脱落
(层裂)； 4)碎甲弹与穿甲弹；
2.1 物质坐标和空间坐标
二、两类坐标描述质点物理量
1．物质坐标(Lagrange法) 随介质中固定质点观察物质的运动，研究给 定质点上各物理量随时间的变化，以及这些 量由一质点到其他质点时的变化。即把物理
量y 看作质点X和时间t的函数 y F(X,t)
X——Lagrange坐标或物质坐标
2.1 物质坐标和空间坐标
二、应力波研究内容
3．应力波的应用 1)地震研究；
2)工程爆破，爆炸加工，爆炸合成；
3)超声波和声发射技术，机械设备的冲击强度， 工程结构建筑的动态响应，武器效应；
4)微陨石和雨雪冰沙等对飞行器的高速撞击，地 球和月球表面的陨星坑的研究；
第一章 绪论
二、应力波研究内容
3．应力波的应用 5)动态高压下材料力学性能、电磁性能和相变等
2.1 物质坐标和空间坐标
一、描述质点空间位置的方法
1．构形 将物体看作由连续质点构成的系统，各质点 在一定时刻的相互位置配置
2 一维应力波理论 21-
在空间坐标系中有:
d c d t t x W x t
d (2-3-8) dt t v x
在物质坐标系中有：
d C t t X d W X t
Ψ = F (X ,t ) = f (ｘ,t )
(2-2-3)
18
2.2 物质坐标和空间坐标
描述同一物理量Ψ ，既可以用物质坐标也可以用空间坐标 来进行描述，二者还可以进行转换。 （1）物质坐标系中描述的物理量 物理量 由（2-2-2）、（2-2-3）式， 空间坐标系中描述的
f (ｘ,t ) = F [X（ｘ,t）, t ]
描述的是某一个质点的运动
dx x v t X dt
物质波速和空间波速都是对同一个应力波的传播速度的
描述，但由于选择的坐标不同，其数值一般是不相同的， 除非波阵面前方介质是静止且无变形的。
24
2.3 时间微商与波速
随波微商：
随着波阵面来观察物理量Ψ 对时间t的变化率。根据坐标系的不 同，有两种表达式，即
空间波速（Euler波速）： 在空间坐标中来观察应力波的传播，设在t时刻波阵面传 播到空间点x处，以表示波阵面在空间坐标中的传播规律，则 空间波速（Euler波速）可表示为： dx (2-3-7) c (t) dt W
23
2.3 时间微商与波速
物质波速和空间波速描述的是波阵面传播，而质点速度
x 上式中， t 是质点X 的空间位置对时间的物质微商，也就是 X
质点X的运动速度，即有：
dx x v t X dt d
dt t v x
(2-3-3)
应力波基础-第二章 一维杆中应力波初等理论(转)
思考：2.5章 思考：2.5章：空间坐标描述的控制方程
m( x ) v ( x )
m( x ) v 2 ( x )
x
m( x + dx)v( x + dx)
m( x + dx)v 2 ( x + dx)
p( x)
p ( x + dx)
dx
x
空间坐标
ρ0 A0 1+ ε
假定：等截面
M = ρ Adx = ρ 0 A0 dX
质量守恒： 动量守恒：
x x + dx 均质 细长杆
dx = (1 + ε )dX
引入线密度：m = ρ A =
空间坐标 描述的控 制方程
18Leabharlann 特征线法一阶P.D.E : au x + bu y = c 方程中a,b,c仅是x,y,u的特征函数。上述 P.D.E为拟线性P.D.E。方程的解为：u=u(x,y).
dX C= 物质波速 dt
dψ dt dψ dt
=
W
∂ψ ∂t
+c
x
∂ψ ∂x ∂ψ ∂X
（2.8）
t
（2.6）
物质坐标中的随波微商：
W
设t时刻波阵面传到空间点x处:
=
W
dx （2.7） c= 空间波速 当 ψ = x( X , t ) dt W
∂ψ ∂t
+C
X
（2.9）
t
c = v + (1 + ε )C
（2.18）
P.D.E也可写成另一种形式：
(u , u
x
即：
y
,−1)• ( a, b, c) = 0
应力波基础
第一章绪论物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同。
例如，飞石打击在窗玻璃上时往往首先在玻璃的背面造成碎裂崩落.碎甲弹对坦克装甲的破坏正类似于此.又如，对一金属杆端部施加轴向静载荷时，变形基本上是沿杆均匀分布的，但当施加轴向冲击载荷时（如打钎，打桩……),则变形分布极不均匀，残余变形集中于杆瑞。
子弹着靶时，变形呈蘑菇状也正类似于此。
固体力学的动力学理论的发展正是与解决这类力学问题的需要分不开的。
为什么在爆炸/冲击载荷下会发生诸如此类的特有现象呢？为什么这些现象不能用静力学理论来给以说明呢？固体力学的动力学理论与静力学理论的主要区别是什么呢？首先，固体力学的静力学理论研究处于静力平衡状态下的固体介质,以忽略介质微元体的惯性作用为前提。
这只是在载荷强度随时间不发生显著变化的时候，才是允许和正确。
而爆炸/冲击裁荷以载荷作用的短历时为其特征，在以毫秒（ms)、微秒（μs)甚至毫微秒纳秒（ns）计的短暂时间尺度上发生了运动参量的显著变化。
例如核爆炸中心压力可以在几μs内突然升高到107 ～108 大气压(103~104GPa）量级；炸药在固体表面接触爆炸时的压力也可在几微秒内突然升高到105大气压(10 GPa)量级;子弹以102～103 m/s的速度射击到靶板上时，载荷总历时约几十μs，接触面上压力可高达104～105大气压（1~10 GPa）量级。
在这样的动载荷条件，介质的微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，这是一个动力学问题.对此必须计及介质微元体的惯性，从而就导致了对应力波传播的研究。
事实上,当外载荷作用于可变形固体的某部份表面上时,一开始只有那些直接受到外载荷作用的表面部份的介质质点离开了初始平衡位置.由于这部分介质质点与相邻介质质点之间发生了相对运动（变形),当然将受到相邻介质质点所给予的作用力（应力)，但同时也给相邻介质质点以反作用力，因而使它们也离开了初始平衡位置而运动起来。
应力波理论基础课件
法等，并选取典型案例进行讲解。
应用实例
03
通过分析实际工程案例，让学生了解应力波理论在结构健康监
测、材料性能研究和地震工程等领域的应用情况
REPORTING
材料的弹性性质
弹性性质的定义 材料在外部力作用下会发生形变，当外力撤去后，材料能 够恢复到原来的形状和尺寸，这种性质称为材料的弹性。
球面波的反射与折射
球面波的反射
当球面波遇到界面时，一部分波会反射 回原来的介质，另一部分波会继续传播。 反射波的方向与入射波的方向相同或相 反，取决于界面的性质和入射角的大小。
VS
球面波的折射
当球面波从一种介质传播到另一种介质时， 波速和波长都会发生变化，这种现象称为 折射。折射角的大小取决于两种介质的折 射率和入射角的大小。
有限差分法
将连续的物理量离散化为有限个离散值，然后在时空中建立差分方程组，通过迭代求解。 这种方法适用于具有复杂边界条件和初始条件的问题。
有限元法
将物体划分为有限个小的单元，每个单元上假定存在一定的位移和应力分布，然后根据变 分原理建立总能量泛函，通过求解泛函的极值得到问题的解。这种方法适用于具有复杂形 状和材料性质的问题。
波的散射与衍射
波的散射
当波遇到比波长还小的障碍物时，会产生散射现象。散射波的方向是随机的，散 射强度与障碍物的形状和大小有关。
波的衍射
当波遇到比波长还大的障碍物时，会产生衍射现象。衍射波的形状和大小取决于 障碍物的形状和大小。
2023
PART 06
应力波的应用
REPORTING
地震波的传播与探测
弹性模量的测量方法
通过实验测量材料的弹性模量，常用的方法有拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。这些实验中，通过测量材料在 弹性范围内的应力-应变曲线，可以计算得到材料的弹性模量。
应力波理论简述课件
结构抗震设计
通过研究地震波在结构中的传播 和响应，优化结构的抗震设计和
加固措施。
地震动特性研究
分析地震波的传播规律和结构的 地震响应，有助于深入了解地震
动的特性和地震灾害的机理。
06
总结与展望
CHAPTER
应力波理论的发展历程与现状
早期发展 中期研究 当前研究
未来研究方向与展望
THANKS
感谢观看
微观结构分析
通过测量应力波在材料中的传播速度 和衰减，可以评估材料的强度和韧性。
利用应力波的传播特性，可以对材料 的微观结构进行非破坏性分析。
材料动态特性研究
研究材料在不同应变率下的动态响应， 有助于理解材料的力学行为和损伤机 制。
在地震工程中的应用
地震预警与监测
利用地震产生的应力波进行地震 预警和监测，为地震灾害的预防
应力和波的结合
03
应力波的传播
CHAPTER
应力波的传播方式
影响应力波传播的因素
应力波的衰减
04
应力波的检测与测量
CHAPTER
应力波的检测与测量
05
应力波的应用
CHAPTER
在工程结构健康监测中的应用
结构损伤识别
结构动态特性评估
实时监测与预警
在材料力学性能研究中的应用
材料强度与韧性评估
应力波理论简述课件
目 录
• 引言 • 应力波的基本概念 • 应力波的传播 • 应力波的检测与测量 • 应力波的应用 • 总结与展望
contents
01
引言
CHAPTER
什么是应力波
01
02
应力波定义
应力波产生
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
? 一维波动力学原理
振动 －－秋千、单摆 ? 应力波和波速 振动速度 ? 桩阻抗 ? 力/速度比例性
? 局限性
? 无限长桩和有自由或固定端的桩
? 时间域 ? 入射和反射波 ? 桩侧土阻力
第1页/共43页
牛顿碰撞分析
v1
m1 m2
v1
W1
W2
假设打桩机是一个质量块 桩是一个质量刚沿体长运度动分的布假的设细是长不杆合，理的 刚体运动的假设是不合理的，它的 运动方式是由应力波决定的
第11页/共43页
无限长桩
压缩应力波
x = 常量
F = EAv c
= Zv
Fv((xx,,tt))
使压桩波缩向速下=,运+cv动e = +
横截面积, A 弹性模量, E
第14页/共43页
时间域 - 无限长桩
指数衰减
F = EAv c
第15页/共43页
自由端的有限长桩
+
+F
力波
直观上在桩端的反射
s =e=v
A
c F,v,s,e 实例E (SI 单c?位U制S )
第9页/共43页
微分方程
通过弹性的基本原理(主要是虎克定律和牛顿定律) 压缩波在杆件中的传播可用下面的微分方程表达 :
杆的位移 微分方程通解为:
r . d2u = E. d2u
dt 2
dx 2
杆的坐标
u(x,t) = g(x+ct) + f(x-ct)
V
T
速度 +
第18页/共43页
力-
自由端的有限长桩
F-+, v+
x = 常数
+ +v
+ 产生的波使桩向下运动
+v
反射的拉伸波使桩向下运动
自由端 : v 加倍
第19页/共43页
时间域 - 自由桩
响应时间 =响2应L/c时间 = 2L/c
拉伸的典型响应 - 速度相对于力增加
?SI自由端实例 (公制 )
2L/c 之前的上行波 与桩侧土阻力的累 积有关
第39页/共43页
桩的典型响应
上行波 - 将桩土响应分离
Q. 为什么显示 F? , F? 更好呢?
下行波 - 将输入的波从 打桩系统中分离
F
压缩区域
应力, s = F/A 波速, c = dL/dt
横截面积, A 弹性模量, E 质量密度, r
第5页/共43页
质点速度
dL
.
FF
F
dx
dx = F dL EA
质点速度 波速
v = d x = F dL = F c dt EA dt E A
第6页/共43页
波速
v=Fc
a E=Adv = d Fc dt dt EA
第31页/共43页
有土阻力的桩
任意段
上行波
?相容性
下行波
F=+R/2 v = -R/2Z
v =-R/2Z F=-R/2
? v 平= +衡C/Z
+C
响应
F=+R/2
v桩=侧C阻/Z力-R, /R2Z
第32页/共43页
+C-R/2
有土阻力的桩
? 向下传播的波
例 1 : 无土阻力
? 向上传播的波
第33页/共43页
波 形- 刚性基础上的桩
F,Zv
F? = ?(F - FZv)
F? = ?(F + Zv) Zv
第29页/共43页
F=+C
有土阻力的桩 任意段 v = +C/Z 平衡
F=+C
第30页/共43页
上行波
F=+R
有土阻力的桩 任意段
? 相容性
v = -R/Z
?平衡
下行波
v = 0 F=0
侧摩阻力, R
F = ma = dL A r a
dL
F1
=
ddcct L2
=A
Er F1 c rEA
截面积, A
?波质速量实密度例, r (SI 单?位US制
第7页/共43页
力,速度,应力和应变
质点速度 波速
桩阻抗
v = d x = F dL = Fc dt EA dt EA
F = EAv c
= Zv
F=s =vE
第2页/共43页
应力波形成的条件
? 在弹性固体介质中的一切质点间都以内聚力 彼此紧密联系着。所以任何一个质点振动的 能量可以传递给周围的质点、引起周围质点 的振动。质点振动在弹性介子内的传播过程 成为波动。换句话说，振动以波动的形式向 周围传播，这种波称为弹性波或应力波。
? 应力波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）可立即传播到整个物体的每一 部分，不能形成波动。
响应时间 =响2应L/c时间 = 2L/c
压缩响应的特征 - 力相对于速度增加
?固定端实例 (公制 )SI
第24页/共43页
波的分解
下行波
上行波
F?=F??(=FZ+vZ?v) FF?=?=? -(ZFv-Z?v)
F = F?+ F?
E=mc波2 的推导?SI
v = v ?+ v?
第26页/共43页
有土阻力的桩
R/2
R
-R/2
第34页/共43页
时间上的反应
x
R
传播的总距离 = 2x
波速 = c
x处的阻力反射到达
桩顶的时间
2x/c
实例 (公制 )SI
第35页/共43页
桩的典型响应
桩端的响应时间 = 2L/c 桩端开始响应
分离的时间和大小是土阻 力位置和大小的函数
只有桩侧响应
桩端响应
第37页/共43页
第3页/共43页
应力波反射法的基本假设
? ①假定桩为连续弹性的一维均质杆件； ? ②忽略桩周土体对桩身中应力波传播的影响； ? ③桩在变形时横截面保持为平面，沿截面有均
布的轴向应力； ? ④入射波的波长必须足够大，远大于桩的直径，
又小于桩的长度。
第4页/共43页
在弹性杆上的冲击
时间 = dt dL
自由端: F = 0
-F
第16页/共43页
桩顶
C
力+
T
力-
运动方向
向下传播的波
压力为正，拉力为 负；振动速度向下 为正，向上为负
桩底
V
F= Zv 速度 +
V
第17页/共43页
速度 -
桩顶
V
运动方向
向上传播(反射)的波
压力为正，拉力为 负；振动速度向下 为正，向上为负
桩底
C
速度 - F=-Zv 力 +
第20页/共43页
刚性持力层上有限长桩
+ +v
产生的波将桩向下推
反射波将桩向上推
固定端v = 00
-
-v 岩 基
第22页/共43页
刚性基础上的有限长桩
v-+, F+
x = 常量
+C +F
产生的波将桩向下推
+F
+C
反射波将桩向上推
NITE
A
固定端 : F 加倍
R G
第23页/共43页
时间域 - 桩在刚性基础 上
桩的典型响应
F?=? (F+Zv) 指F?数衰减
返回的压缩力产生 将桩顶抬起的力…. ...相对于无土阻力的桩， 使桩顶向下的运动减缓
桩端响应时间 = 2L/c
第38页/共43页
桩的典型响应
F?=? (F-Zv) F?=? R
toe response time = 2L/c
Rshaft @2F?@ 2L/c