舰船复合材料防护结构的选择与优化
发布时间：2021-06-01 23:11
为选择与优化舰船复合材料防护结构,根据陶瓷材料的密度小、强度大、硬度高、抗冲击性能良好等特征,建立以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料结构模型,研究复合材料层合板在爆炸冲击载荷下的抗冲击性能,陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。在此基础上,考虑复合材料层合板在防护结构中的位置,讨论不同结构参数对防护结构爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,当复合材料层合板设置在空舱外板时,舰船的抗爆炸冲击性能相对较优。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
模型2、模型4、模型5的空舱外板均设置复合材图4损伤变形图Fig.4Damagedeformation2液舱内板中心处的最大应力为
设计本节以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料，研究材料不同的配置顺序对防护结构安全的影响。目前用于摧毁水面舰艇的鱼雷装药量在200～500kg之间，模型中选取高爆炸药300kg，折合成TNT当量约为500kg，各舱室之间的距离选取1m[4]。2.1金属/陶瓷复合材料的抗爆性能以金属为面板、陶瓷为背板组成的复合材料研究防护结构的抗爆炸冲击波性能（见图1），面板与背板的厚度配置为10mm:10mm。图2为金属/陶瓷复合材料的损伤变形图。可见第1层金属面板的破口直径达1m，陶瓷背板破口直径达0.8m，第2层金属面板没有破口只产生轻微凹陷，陶瓷背板产生一直径达0.7m的破口。爆炸冲击波在高速冲击第2层金属面板时，应力瞬间急剧增大，接触面处产生应力集中现象使面板中心破坏，当压缩应力波传到陶瓷背板后，陶瓷背板反射回拉伸应力波作用于金属面板，抵消掉一部分冲击波延缓面板的破碎。第3层的金属面板由于厚度较大，反射应力波传播时间较长，因此无破口产生，同时由于陶瓷背板没有有效支撑，因此产生一直径0.7m的破口。2.2陶瓷/金属复合材料的抗冲击性能以陶瓷为面板、金属为背板组成的复合材料研究防护结构的抗爆炸冲击波性能（见图3），面板与背板的厚度配置为10mm:10mm，其他参数相同。图4为陶瓷/金属复合材料的损伤变形图。第1层陶瓷面板的破口直径达0.8m，金属背板破口直径达1m，第2层陶瓷面板没有破口只产生轻微凹陷，金属背板产生的破口直径达0.5m，通过破口的比较可见陶瓷/金属复合材料的损伤变形小于金属/陶瓷复合材料的损伤变形。图5为2种不同面
0.147m，陶瓷/金属复合材料的最大位移为0.123m，很明显陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。3复合材料在舱室中位置影响仿真分析考虑到如果防护结构中各舱室的板材都设置为复合材料，虽然能够达到良好的防护效果，但舰船自重增加，并且建造复杂拖延了舰船制造的进度。在保证舰船抗爆能量的基础上，本节将减少防护结构中复合材料设置的层数，并研究复合材料层合板放置的位置对防护结构抗爆炸冲击性能的影响。3.1有限元模型为比较水下接触爆炸作用下复合材料层合板位置对防护结构抗爆性能的影响，建立了6种模型，分别将复合材料设置在空舱外板、液舱外板及液舱内板，其余设置为钢板，如图6所示。3.2数值结果对比分析图7为6种模型空舱外板的损伤变形图。可以看出，空舱外板的破口直径大致相同，而液舱外板均无破口产生。图8为6种模型液舱内板中心处应力的对比曲线。对于最内层结构，其遭受破坏的程度直接影响整个防护结构的安全性。可以看出，模型3、模型5、模型6的液舱内板中心处应力明显高于模型1、模型2、模型4的，而模型3、模型5、模型6的液舱内板均设置复合材料，模型1、模型2、模型4的液舱内板没有设置复合材料。对模型1、模型2、模型4进行比较，可以看出，虽然模型4设置了2层复合材料，但与设置一层复合材料的模型1、模型2比较应力没有明显的减校模型1液舱内板中心处的最大应力为1.4MPa，模型图2损伤变形图Fig.2Damagedeformation图3模型图Fig.3Themodel·38·舰船科学技术第42卷
本文编号：3210340
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
模型2、模型4、模型5的空舱外板均设置复合材图4损伤变形图Fig.4Damagedeformation2液舱内板中心处的最大应力为
设计本节以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料，研究材料不同的配置顺序对防护结构安全的影响。目前用于摧毁水面舰艇的鱼雷装药量在200～500kg之间，模型中选取高爆炸药300kg，折合成TNT当量约为500kg，各舱室之间的距离选取1m[4]。2.1金属/陶瓷复合材料的抗爆性能以金属为面板、陶瓷为背板组成的复合材料研究防护结构的抗爆炸冲击波性能（见图1），面板与背板的厚度配置为10mm:10mm。图2为金属/陶瓷复合材料的损伤变形图。可见第1层金属面板的破口直径达1m，陶瓷背板破口直径达0.8m，第2层金属面板没有破口只产生轻微凹陷，陶瓷背板产生一直径达0.7m的破口。爆炸冲击波在高速冲击第2层金属面板时，应力瞬间急剧增大，接触面处产生应力集中现象使面板中心破坏，当压缩应力波传到陶瓷背板后，陶瓷背板反射回拉伸应力波作用于金属面板，抵消掉一部分冲击波延缓面板的破碎。第3层的金属面板由于厚度较大，反射应力波传播时间较长，因此无破口产生，同时由于陶瓷背板没有有效支撑，因此产生一直径0.7m的破口。2.2陶瓷/金属复合材料的抗冲击性能以陶瓷为面板、金属为背板组成的复合材料研究防护结构的抗爆炸冲击波性能（见图3），面板与背板的厚度配置为10mm:10mm，其他参数相同。图4为陶瓷/金属复合材料的损伤变形图。第1层陶瓷面板的破口直径达0.8m，金属背板破口直径达1m，第2层陶瓷面板没有破口只产生轻微凹陷，金属背板产生的破口直径达0.5m，通过破口的比较可见陶瓷/金属复合材料的损伤变形小于金属/陶瓷复合材料的损伤变形。图5为2种不同面
0.147m，陶瓷/金属复合材料的最大位移为0.123m，很明显陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。3复合材料在舱室中位置影响仿真分析考虑到如果防护结构中各舱室的板材都设置为复合材料，虽然能够达到良好的防护效果，但舰船自重增加，并且建造复杂拖延了舰船制造的进度。在保证舰船抗爆能量的基础上，本节将减少防护结构中复合材料设置的层数，并研究复合材料层合板放置的位置对防护结构抗爆炸冲击性能的影响。3.1有限元模型为比较水下接触爆炸作用下复合材料层合板位置对防护结构抗爆性能的影响，建立了6种模型，分别将复合材料设置在空舱外板、液舱外板及液舱内板，其余设置为钢板，如图6所示。3.2数值结果对比分析图7为6种模型空舱外板的损伤变形图。可以看出，空舱外板的破口直径大致相同，而液舱外板均无破口产生。图8为6种模型液舱内板中心处应力的对比曲线。对于最内层结构，其遭受破坏的程度直接影响整个防护结构的安全性。可以看出，模型3、模型5、模型6的液舱内板中心处应力明显高于模型1、模型2、模型4的，而模型3、模型5、模型6的液舱内板均设置复合材料，模型1、模型2、模型4的液舱内板没有设置复合材料。对模型1、模型2、模型4进行比较，可以看出，虽然模型4设置了2层复合材料，但与设置一层复合材料的模型1、模型2比较应力没有明显的减校模型1液舱内板中心处的最大应力为1.4MPa，模型图2损伤变形图Fig.2Damagedeformation图3模型图Fig.3Themodel·38·舰船科学技术第42卷
本文编号：3210340
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