戴益民 ，徐瑛 ，李懌歆 ，王威 ，楊偉元

（1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與振動(dòng)控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南科技大學(xué)），湖南 湘潭 411201）

當(dāng)對流層中大氣層結(jié)不穩(wěn)定，或風(fēng)的垂直切變過大，在一定啟動(dòng)條件下，極易發(fā)生雹暴.雹暴是一種破壞性極強(qiáng)的災(zāi)害天氣，來勢猛，破壞性大.常給房屋、汽車等造成破壞性影響［1］，其帶來的經(jīng)濟(jì)損失危害程度在氣象災(zāi)害中一直位居高位［2-5］.據(jù)應(yīng)急管理部自然災(zāi)害統(tǒng)計(jì)，中國各地每年都會(huì)受到不同程度的雹災(zāi)，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失（圖1、圖2為近期雹災(zāi)災(zāi)情圖）［6-8］，且冰雹直徑和冰雹破壞的風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)逐年上升的趨勢［9-10］.因此，開展結(jié)構(gòu)抗冰雹沖擊的相關(guān)研究對防災(zāi)減災(zāi)意義重大.

圖1 2022年6月12日密云冰雹Fig.1 Hail in Miyun，China，June 12，2020

圖2 2020年6月25日保定冰雹Fig.2 Hail in Baoding，China，June 25，2020

冰雹粒子自高空下落，速度高，沖擊力大，加上其本身獨(dú)特的物理特性以及沖擊過程往往在毫秒級的時(shí)間段內(nèi)，故冰雹的沖擊問題是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性沖擊動(dòng)力學(xué)問題.為準(zhǔn)確還原冰雹沖擊過程，研究者在冰雹性狀以及不同目標(biāo)的沖擊過程模擬等方面都進(jìn)行了一定的探索.同時(shí)降雹過程往往伴隨著強(qiáng)風(fēng)暴雨，不同作用之間的耦合機(jī)理也值得深入探究.

如前所述，結(jié)構(gòu)風(fēng)雹災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)具有很重要的工程應(yīng)用價(jià)值，然而相關(guān)的工程結(jié)構(gòu)抗冰雹沖擊研究缺乏系統(tǒng)性，針對這一問題，本文綜述了冰雹力學(xué)性能及其模擬、結(jié)構(gòu)抗冰雹沖擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，并對冰雹和強(qiáng)風(fēng)、暴雨耦合作用及機(jī)理相關(guān)研究進(jìn)行了展望.本文的綜述將有助于開展結(jié)構(gòu)冰雹沖擊及風(fēng)雹耦合災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)基礎(chǔ)理論研究，同時(shí)也可以為相關(guān)理論研究提供研究思路和鋪墊.

1 冰雹粒子力學(xué)性能的研究

冰雹粒子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其力學(xué)性能不同于一般的沖擊物，冰雹形狀結(jié)構(gòu)顯著影響其撞擊破壞模式，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的損傷程度.因此建立合理的冰雹力學(xué)模型是開展冰雹沖擊試驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ).冰的壓縮強(qiáng)度直接影響冰雹沖擊響應(yīng)，而其壓縮強(qiáng)度主要與溫度、應(yīng)變率以及冰的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān).因此，國內(nèi)外學(xué)者對不同溫度、應(yīng)變率以及形狀結(jié)構(gòu)的冰的力學(xué)性能進(jìn)行了探索性研究，為冰雹粒子的模擬奠定了基礎(chǔ).

1.1 冰雹粒子物理特性對力學(xué)性能的影響

現(xiàn)有冰雹沖擊作用研究主要在類似圖3［11］的模具中灌入純凈水冷凍制作冰雹.實(shí)際上冰雹的密度取決于增長過程中所捕捉的空氣數(shù)量，且冰雹內(nèi)部每一層都均勻分散著小氣泡，雹瓣之間又徑向分布著大氣泡，故其密度往往比水低.基于此，黃興［12］、王計(jì)真等［13］、張麗芬［14］等通過添加棉纖維來更好地模擬實(shí)際冰雹的物理特性，并對添加纖維的種類、含量與特性對冰球力學(xué)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究.研究表明棉纖維的添加對冰球抗壓強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、韌性等的影響十分顯著.其中棉纖維含量以及其上附著的冰的含量是關(guān)鍵因素.李尚昆等［15］將顆粒尺寸小于 45 μm 的鈉基膨潤土作為添加雜質(zhì)，制備出了純水冰、2.5%雜質(zhì)含量冰、5.0%雜質(zhì)含量冰并對3種冰材料在18 ℃下的動(dòng)態(tài)壓縮性能進(jìn)行了測試.完善了地球上廣泛存在的含有雜質(zhì)的冰的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫.Uz等［16］利用88%除鹽水和12%液氮制作人工冰雹，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證其以較高的終速?zèng)_擊金屬屋頂仍可保持完整.

圖3 常見冰雹模具圖［11］Fig.3 Commom hail stencil drawing［11］

另一個(gè)值得注意的方面是自然界冰雹具有復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu).通過Kim 等［17-18］對單一性狀以及平行層狀冰雹（如圖4（a）所示）沖擊研究可以發(fā)現(xiàn)，冰雹的結(jié)構(gòu)會(huì)影響沖擊力效應(yīng)以及靶體損傷效應(yīng).譚曉軍等［19］制備出層狀冰球（如圖4（b）所示），并進(jìn)行高速?zèng)_擊研究.結(jié)果表明，層狀冰球沖擊響應(yīng)不同于單一性狀冰球，且沖擊力更大.

圖4 人工模擬冰雹結(jié)構(gòu)圖［19］Fig.4 Simulated hail constructions［19］

1.2 溫度和應(yīng)變率對冰雹粒子力學(xué)性能的影響

冰雹粒子的力學(xué)性能與溫度息息相關(guān).為了得到更為有效的性能參數(shù)，鞠殿偉等［20］進(jìn)行了不同溫度下冰柱和冰球的劈拉和壓縮的準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)以研究溫度對其力學(xué)性能的影響.研究發(fā)現(xiàn)冰在壓縮狀態(tài)下的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度為-25 ℃.而在-35 ℃左右時(shí)，其內(nèi)部特征導(dǎo)致材料整體強(qiáng)度最大.葛鑫等［21］研究了不同溫度下直徑為25 mm 的含棉冰雹和純冰冰雹的力學(xué)特性.結(jié)果表明：含棉冰雹抗壓強(qiáng)度較純冰冰雹對冷凍溫度的敏感性較低，且兩種冰雹在冷凍溫度為-40 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度比其他冷凍溫度的抗壓強(qiáng)度顯著提升.但此實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，應(yīng)變率比實(shí)際情況低很多.

冰是應(yīng)變率敏感材料，不同應(yīng)變率下冰呈現(xiàn)出不同的破壞模式.宋振華［21］、馮曉偉等［22］，徐曼等［23］對不同應(yīng)變率下冰材料的破壞形式、壓縮極限應(yīng)力特性、能量特性進(jìn)行了研究.研究表明，在低應(yīng)變速度下，冰雹同純冰類似，表現(xiàn)出塑性特征的趨勢，而在相對高應(yīng)變速度下，冰雹表現(xiàn)出脆性特征的趨勢，且韌脆轉(zhuǎn)變階段冰與結(jié)構(gòu)能量交換最大.

此外，張永康等［24］探討了冰在溫度和應(yīng)變率耦合條件下的力學(xué)特征及破壞機(jī)制，如圖5～圖7 所示.研究發(fā)現(xiàn)冰的壓縮強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著的溫度和應(yīng)變率敏感性，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率增大、溫度的降低而提高.隨著應(yīng)變率的升高，冰的破壞模式由韌性向脆性轉(zhuǎn)變，韌脆轉(zhuǎn)變應(yīng)變率隨著溫度的降低而減小.上述研究補(bǔ)充了冰雹在動(dòng)態(tài)沖擊下力學(xué)性能數(shù)據(jù)，為冰雹的試驗(yàn)室制備以及數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持.然而，冰雹特殊的晶體結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)沖擊下冰雹的力學(xué)性能研究還有較大的探索空間.

圖5 峰值應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系［24］Fig.5 The relationship between peak stress and strain rate

圖6 峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系［24］Fig.6 The relationship between peak stress and temperature

圖7 不同溫度和應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線［24］Fig.7 Stress-strain curves at different temperatures and strain rate

2 結(jié)構(gòu)抗冰雹沖擊試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究具有結(jié)果直觀、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn).常規(guī)的冰雹沖擊試驗(yàn)通常依據(jù)實(shí)際工況，采用發(fā)射裝置對模擬冰雹粒子進(jìn)行發(fā)射，并通過測量系統(tǒng)對其作用響應(yīng)進(jìn)行采集，進(jìn)而研究不同參數(shù)條件下冰雹的沖擊作用以及結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，提供風(fēng)雹災(zāi)害下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施.

其中，大部分研究采用氣槍來達(dá)到發(fā)射的目的，通過控制壓力來使冰雹達(dá)到目標(biāo)速度.同時(shí)也有部分研究人員基于實(shí)際情況，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)構(gòu)造了冰雹發(fā)射裝置.Makarskas、Kilikevi?ien? 等［25-27］則通過改裝電機(jī)，用球狀物體代替冰雹構(gòu)建了一個(gè)新的冰雹模擬平臺(tái).Liu 等［28-32］基于自由落體理論構(gòu)筑了一個(gè)高達(dá)25.2 m 的實(shí)驗(yàn)架.Blasina 等［33］基于能量匹配理論，構(gòu)建了一個(gè)用鋼球代替冰雹，可連續(xù)或成對掉落的冰雹模擬裝置.

測量系統(tǒng)又可細(xì)分為冰雹速度測量以及冰雹沖擊響應(yīng)測量.冰雹速度目前主要是通過紅外測速裝置或高清攝像機(jī)進(jìn)行測量記錄.冰雹的沖擊響應(yīng)又根據(jù)不同的研究目標(biāo)可采用測力傳感器、位移計(jì)、超聲波掃描儀等對沖擊目標(biāo)的動(dòng)力響應(yīng)、失效模式等進(jìn)行相關(guān)研究探索.

2.1 冰雹沖擊能量影響因素的試驗(yàn)研究

冰雹沖擊能量的主要影響因素有：冰雹粒子直徑、速度、質(zhì)量、形狀、沖擊攻角、風(fēng)等.研究人員通常采用控制變量法研究冰雹沖擊能量與各影響因素之間的關(guān)系.

Vargas 等［34］在移動(dòng)配置中進(jìn)行了冰雹碰撞研究，對冰雹撞擊運(yùn)動(dòng)物體表面的試驗(yàn)做出了初步的探索.Sun 等［35］設(shè)計(jì)和建造了一個(gè)測量冰雹沖擊產(chǎn)生的峰值接觸力的彈簧連接的集總質(zhì)量模型試驗(yàn)裝置，并基于該試驗(yàn)推導(dǎo)了求接觸力峰值的代數(shù)表達(dá)式.Macdonald等［36］試驗(yàn)研究了不同直徑冰雹以不同速度重復(fù)沖擊葉片的情況.Dieling 等［37］對模擬冰雹撞擊試驗(yàn)程序的中人工推進(jìn)冰球的速度特性進(jìn)行了研究，構(gòu)造了與冰球直徑和到?jīng)_擊位置距離的相關(guān)函數(shù)以估算沖擊點(diǎn)位置處所需的速度.Makarskas［25］研究了40 mm 直徑的冰雹在不同速度下沖擊光伏板的沖擊響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)速度越大，沖擊力越大.Song 等［38］研究了沖擊角對冰球和夾層板之間接觸力的影響.

目前研究較為集中于冰雹直徑及速度對沖擊能量影響.然而，值得注意的是，冰雹降落模式非常復(fù)雜.降落時(shí)與風(fēng)、雨等的耦合作用以及上文中提到的冰雹的物理特性、溫度等所造成的冰雹力學(xué)性能的差異對冰雹沖擊能量的影響的相關(guān)研究卻基本空白.

2.2 冰雹沖擊下的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的試驗(yàn)研究

了解不同材料結(jié)構(gòu)在冰雹沖擊作用下的彈性響應(yīng)、損傷傳播以及失效模式有利于揭示風(fēng)雹災(zāi)害破壞機(jī)理，為抗風(fēng)雹設(shè)計(jì)所需的定量計(jì)算、設(shè)計(jì)優(yōu)化與防治提供理論依據(jù).

Kim 等［16-17］進(jìn)行了碳/環(huán)氧復(fù)合材料面板冰球高速?zèng)_擊的實(shí)驗(yàn)，對其損傷開始時(shí)的沖擊能量、多種失效模式以及彈性響應(yīng)都進(jìn)行了研究分析.Song 等［38］通過實(shí)驗(yàn)對沖擊位置和沖擊速度對復(fù)合材料面板的失效模式的影響機(jī)制進(jìn)行了分析，探究了冰球碰撞的損傷傳播和力傳遞.Wagner 等［39］通過高速冰雹沖擊試驗(yàn)，比較不同F(xiàn)RP 的穿孔沖擊能和穿孔重量比沖擊能，對熱固性樹脂和熱塑性塑料以及碳和玻璃纖維材料進(jìn)行了表征.Zhang 等［40］對不同冰雹沖擊能量下縫合和未縫合復(fù)合材料T 型接頭的蒙皮的殘余拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了測量.Uz 等［15］用實(shí)驗(yàn)測試來建立一種確定凹痕阻力、預(yù)測凹痕深度的方法，并結(jié)合冰雹尺寸、冰雹速度、屋面板類型和屋頂強(qiáng)度等重要因素考慮屋頂系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn).張宇等［41］基于 D80 空氣炮系統(tǒng)對平板和曲板分別開展冰雹撞擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明曲率越大，形成的凹坑深度以及形成的塑性變形區(qū)域越大.Makarskas 等［25］通過試驗(yàn)評估冰雹動(dòng)態(tài)沖擊前后光伏組件的性能參數(shù)，并提出了提高光伏組件機(jī)械阻力的優(yōu)化準(zhǔn)則.Liu 等［28-32］等通過試驗(yàn)獲得了不同尺寸、不同特征點(diǎn)冰雹沖擊下傘膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)、側(cè)索張力松弛和振動(dòng)變形，發(fā)現(xiàn)失效閾值能量與球體直徑的平方成正比，并且與復(fù)合板的厚度成線性關(guān)系.

3 結(jié)構(gòu)抗冰雹沖擊數(shù)值模擬研究

冰雹試驗(yàn)受限于儀器設(shè)備、冰雹粒子的復(fù)刻難度、環(huán)境因素等的多方面影響，且冰雹事件無論是從尺寸、速度、形狀等多方面都具有隨機(jī)性.而經(jīng)過驗(yàn)證之后的冰雹模型，可以較好的模擬冰雹沖擊行為，以研究其作用效應(yīng).模擬過程中，各位學(xué)者可基于自己的研究支點(diǎn)，對冰雹的本構(gòu)模型、失效判斷等進(jìn)行進(jìn)行不同的選擇.因此，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究冰雹沖擊作用的有力手段.

3.1 冰雹本構(gòu)模型建模

目前，冰雹模擬方法有有限元（Finite Element，F(xiàn)E）模型、任意拉格朗日歐拉（Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE）模型以及光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（Smoothed Particle Hydronamics，SPH）模型.Abrate［42］對這三種模擬方法進(jìn)行了簡要的講述，詳細(xì)情況可見表1.通常情況下，三種不同建模方法同樣的撞擊場景下，SPH 方法在數(shù)值精度和計(jì)算時(shí)間兩方面都顯示出一定的優(yōu)越性［43-44］，故冰雹沖擊試驗(yàn)中SPH 模型應(yīng)用最為廣泛.但考慮到冰雹沖擊問題的復(fù)雜性，模擬過程中具體采用的冰材料模型以及模擬方法等都應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況和研究內(nèi)容進(jìn)行合理選擇與設(shè)計(jì).例如，ALE 方法結(jié)合MAT155 對于預(yù)測中速（10～50 m/s）撞擊過程中接觸力分布效果最好［45］.

表1 冰雹模擬方法Tab.1 Simulation methods for hail impact problems

同時(shí)，冰材料模型也有待進(jìn)一步完善補(bǔ)充.Tippmann等［46］將散射數(shù)據(jù)定義到冰雹抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)中，并基于此建立了一個(gè)應(yīng)變率敏感的冰材料模型.該模型可較好地模擬沖擊過程中冰雹縱向裂紋的初始形成和擴(kuò)展，以及這些裂紋與峰值沖擊力的發(fā)展之間的關(guān)系.Liu等［47］開發(fā)了一種基于速率相關(guān)von-Mises 等效應(yīng)力和靜水壓力線性組合的速率敏感壓力相關(guān)失效準(zhǔn)則的冰雹材料模型，并用于預(yù)測不同直徑和沖擊速度的冰球在沖擊過程中的峰值力.

3.2 冰雹沖擊模擬

冰雹撞擊目標(biāo)結(jié)構(gòu)主要分為柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu).

柔性結(jié)構(gòu)剛度小，柔性大，對沖擊荷載非常敏感，冰雹沖擊下易發(fā)生大撓度變形和強(qiáng)烈的非線性振動(dòng).對于柔性結(jié)構(gòu)，學(xué)者主要對其在冰雹撞擊下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了探究.楊少朋［48］利用數(shù)值模擬對鞍形膜結(jié)構(gòu)膜面特征點(diǎn)在冰雹沖擊下的位移、加速度、速度進(jìn)行模擬研究.并給出冰雹沖擊柔性膜面的荷載參考值.張作亮等［49］建立了傘形張拉膜結(jié)構(gòu)在冰雹荷載作用下的非線性動(dòng)力響應(yīng)控制方程以及其振型函數(shù)，并用數(shù)值模擬驗(yàn)證了其可行性.王凡［50］對四邊固支的正交異性鞍形膜結(jié)構(gòu)在冰雹沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)展開數(shù)值研究，并進(jìn)行理論分析得到了膜面振動(dòng)頻率和位移表達(dá)式的近似解析解.

冰雹沖擊作用下剛性結(jié)構(gòu)的研究則主要集中于不同特征參數(shù)下冰雹的沖擊特性以及結(jié)構(gòu)的損傷模式和抗冰雹沖擊性能上.常見的研究材料有玻璃、渦輪機(jī)葉片以及航空研究中常見的復(fù)合材料.

林榮會(huì)等［51］模擬計(jì)算了冰雹在中心沖擊等效玻璃模型時(shí)沖擊點(diǎn)的撓度.陳曦等［52］綜合列車最高運(yùn)行速度、冰雹自由落體速度、冰雹和玻璃自身機(jī)械性能等推導(dǎo)出玻璃抗冰雹撞擊的極限速度，評估玻璃的抗冰雹沖擊性能.Macdonald 等［36］利用ANSYS /LSDYNA 軟件模擬了冰雹沖擊過程，探討冰雹對葉片的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化夾芯鋪層結(jié)構(gòu)形式，減小沖擊峰值力以及振蕩.

剛性結(jié)構(gòu)中研究最多的則是各類型的復(fù)合材料.鞠殿偉［19］對比分析了不同參數(shù)條件下層合板的法向位移、吸能百分比和接觸位置最大等效應(yīng)力，得到了冰雹沖擊層合板的響應(yīng)規(guī)律.張超等［53］則探討了冰雹沖擊速度、沖擊角度對層板沖擊損傷性能的影響.汪洋等［54］基于SPH 和彈-塑性水動(dòng)力材料模型作為冰彈模型對冰雹沖擊復(fù)合材料層合板的損傷進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明分層為復(fù)合材料層合板受冰雹撞擊后的主要失效模式.Li 等［55］對8 種不同夾芯板在不同沖擊速度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了模擬，總結(jié)了相關(guān)結(jié)構(gòu)的適用范圍和失效模式，以及格構(gòu)結(jié)構(gòu)與泡沫鋁之間的能量吸收比.胡宗文等［56］研究了冰雹高速?zèng)_擊復(fù)合材料板殼時(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)、板殼形狀、尺寸和鋪層方案對沖擊結(jié)果的影響規(guī)律.Tang等［57］分析了CFRP 在不同沖擊參數(shù)下的動(dòng)態(tài)變形和脫層機(jī)理，提出了CFRP 損傷閾值預(yù)測模型.張曉晴等［58］則分析了沖擊位置、沖擊能量及沖擊入射角對面板與筋條的分層和面板的損傷情況的影響.王計(jì)真［59］利用ABAQUS對冰雹沖擊復(fù)合層合板進(jìn)行了模擬，對沖擊載荷、沖擊點(diǎn)變形量和損傷面積與沖擊初速度之間的關(guān)系進(jìn)行了探究.莫袁鳴等［60］則對鋪層方式、沖擊速度及冰雹尺寸對層合板沖擊損傷的影響規(guī)律進(jìn)行了探索，結(jié)果表明交鋪層層合板抵抗分層能力較強(qiáng)，準(zhǔn)各向同性鋪層層合板抵抗變形能力較強(qiáng).Song等［38］討論了凹痕與沖擊動(dòng)能的關(guān)系，并提出了一種新的建模方法來表示Nomex 蜂窩芯復(fù)合材料界面失效.基于對冰雹破碎后的流動(dòng)狀態(tài)的考量下，張笑宇等［61］對碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾芯板進(jìn)行了冰雹沖擊及多次沖擊下力學(xué)響應(yīng)和材料破壞的數(shù)值研究，探究了其在冰雹多次沖擊下的損傷累積和疊加.

值得指出的是，冰雹對工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也有一定的影響.針對這些影響，羅源等［62］應(yīng)用非線性顯示動(dòng)力方法開展了大型風(fēng)力機(jī)葉片的抗冰雹沖擊研究，指出葉片前緣會(huì)出現(xiàn)較大峰值應(yīng)力和應(yīng)力震蕩.馬秀春［63］基于有限元模型開展了風(fēng)電葉片冰雹沖擊仿真，分析了葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性.姚小虎等［64］采用有限元模型和冰雹SPH 粒子模型研究了列車高速行進(jìn)過程中車身復(fù)合板遭受冰雹沖擊的動(dòng)力響應(yīng)及損傷破壞行為.

綜上所述，大量持續(xù)的研究集中在冰雹本構(gòu)模型的完善以及不同特性參數(shù)冰雹對不同類型結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性以及損傷演化等方面.

4 存在的主要問題及展望

綜上所述，冰雹沖擊作用積累了一定的資料，且基于研究成果對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與災(zāi)害的防治提供理論依據(jù)做出了一定貢獻(xiàn).但以下內(nèi)容值得進(jìn)一步深入研究：

1）目前研究主要集中于不同直徑的單晶體球狀冰雹粒子的沖擊作用.自然冰雹多為多晶體，且形狀各異.多晶體和單晶體的力學(xué)性能差異以及不同形狀冰雹所造成的損傷效應(yīng)的區(qū)別在日后研究中應(yīng)該加以考慮.

2）冰的力學(xué)行為具有很強(qiáng)的速度敏感性，低速?zèng)_擊時(shí)，表現(xiàn)為韌性，高速?zèng)_擊時(shí)，表現(xiàn)為脆性.而目前對于冰雹動(dòng)態(tài)加載條件下的力學(xué)性能研究十分有限，高速撞擊情況下，冰雹粒子的應(yīng)力應(yīng)變曲線尚不明確.

3）在冰雹的本構(gòu)模型的構(gòu)建上，對其在應(yīng)變率方面的相關(guān)特性以及冰雹破碎后的流動(dòng)特性還有待進(jìn)一步完善.

4）目前對于冰雹沖擊的研究主要集中于航空材料，建筑結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究較少.然而，從各種災(zāi)情數(shù)據(jù)中可以看出，冰雹對屋頂、光伏板、汽車玻璃等許多外露設(shè)施也造成了嚴(yán)重的損害，其影響不容忽視.其他類型結(jié)構(gòu)抗冰雹沖擊性能有待進(jìn)一步開發(fā).

5）冰雹沖擊研究中主要針對的是高速?zèng)_擊的冰雹粒子，然而冰雹對靜態(tài)結(jié)構(gòu)的撞擊速度通常在中低速度范圍內(nèi).中低速?zèng)_擊下的材料響應(yīng)需與高速?zèng)_擊區(qū)別開來.

6）試驗(yàn)以及模擬主要針對的是單一冰雹單次沖擊作用，多尺寸多形狀的多次沖擊對結(jié)構(gòu)損傷演化和積累的機(jī)理有待進(jìn)一步探究.

7）降雹過程往往伴隨著狂風(fēng)以及暴雨.風(fēng)向和風(fēng)剖面對冰雹粒子降落模式的影響或使其與風(fēng)結(jié)合成更具有沖擊力的冰雹類型對沖擊作用的影響，以及暴雨的侵蝕作用下，雹災(zāi)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的災(zāi)害的影響成因以及耦合作用機(jī)理都有待考究.而目前研究均為冰雹粒子的單一沖擊作用.風(fēng)、冰雹、暴雨之間的耦合效應(yīng)以及其對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律以及破壞機(jī)理也應(yīng)該是后續(xù)研究重點(diǎn)關(guān)注的問題.