CN106839887B - 基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构及防护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构及防护方法，从外至内包括前置缓冲层、分流层和后置缓冲层，所述分流层包括第一支撑半环、第二支撑半环和分流层中心柱，所述第一支撑半环和第二支撑半环分别对称设置于分流层中心柱两侧，所述第一支撑半环和第二支撑半环构成一个支撑环整体，所述第一支撑半环与分流层中心柱之间构成第一空腔结构，所述第二支撑半环与分流层中心柱之间构成第二空腔结构，所述第一空腔结构与第二空腔结构共同构成一个环状空腔结构；所述前置缓冲层与分流层固定连接，分流层与后置缓冲层固定连接，所述后置缓冲层内侧中心区域为核心防护区域。本发明的分流式防护结构具有抗冲击上限高、能够大幅降低冲击波压力的特点。
Description
技术领域
本发明涉及冲击防护领域，尤其涉及一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构及防护方法。
背景技术
针对强冲击波、爆炸载荷、高速撞击等强外载的高效防护结构在国防工事及重要民用设施上具有重要的应用价值，在此背景下，出现了多层复合靶防护结构，典型如“三明治”式的复合靶，如图1所示，该复合靶包括缓冲层A20、缓冲层B30和缓冲层C40，缓冲层A20、缓冲层B30和缓冲层C40从外到内依次复合而成。在两层波阻抗较大的材料中添加一层波阻抗较小的材料，通过冲击波阻抗匹配，起到抗冲击作用。但是，这种防护结构存在防护能力上限不足的问题，在冲击载荷很大的情况下，有可能导致防护失效，如图2提供了此种复合靶在缓冲层B30中所检测到的冲击波压力曲线图，可以得出此种复合靶在缓冲层B30中所检测到冲击波峰值压力大于15Gpa。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构及防护方法，在强冲击载荷作用下，冲击压力经过分流层时，剖面为四边形的环状空腔结构塌缩或者形成聚能效应，将绝大部分冲击波能量转化为动能并向两侧的支撑半环分流，同时向分流层中心部位传播稀疏波，大幅度的降低分流层中心部位的冲击波压力，提高对分流层中心部位以及核心防护区域的防护能力。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，从外至内包括前置缓冲层、分流层和后置缓冲层，所述分流层包括第一支撑半环、第二支撑半环和分流层中心柱，所述第一支撑半环和第二支撑半环分别对称设置于分流层中心柱两侧，所述第一支撑半环和第二支撑半环构成一个支撑环整体，所述第一支撑半环与分流层中心柱之间构成第一空腔结构，所述第二支撑半环与分流层中心柱之间构成第二空腔结构，所述第一空腔结构与第二空腔结构共同构成一个环状空腔结构；所述前置缓冲层与分流层固定连接，分流层与后置缓冲层固定连接，所述后置缓冲层内侧中心区域为核心防护区域。
为了更好地实现本发明，所述分流层中心柱从外到内依次包括大直径段中心柱和小直径段中心柱，在第一空腔结构内部的大直径段中心柱与小直径段中心柱之间所形成的夹角为第一空腔结构内角，在第一空腔结构内部的第一支撑半环与大直径段中心柱之间所形成的夹角为第一空腔结构外角；所述分流层靠近前置缓冲层一侧表面为外表面，所述第一空腔结构内角的角平分线与分流层外表面的交点位于分流层的中心轴线上；所述第一空腔结构外角的角平分线垂直于分流层外表面，或者所述第一空腔结构外角的角平分线不经过核心防护区域。
更进一步的技术方案是：所述分流层中心柱从外到内依次包括大直径段中心柱和小直径段中心柱，在第二空腔结构内部的大直径段中心柱与小直径段中心柱之间所形成的夹角为第二空腔结构内角，在第二空腔结构内部的第二支撑半环与大直径段中心柱之间所形成的夹角为第二空腔结构外角；所述分流层靠近前置缓冲层一侧表面为外表面，所述第二空腔结构内角的角平分线与分流层外表面的交点位于分流层的中心轴线上；所述第二空腔结构外角的角平分线垂直于分流层外表面，或者所述第二空腔结构外角的角平分线不经过核心防护区域。
本发明优选的能量分流式强冲击防护结构技术方案如下：所述前置缓冲层由橡胶或塑料或其他波阻抗较低且塑性较强的金属材料或其他波阻抗较低且塑性较强的非金属材料制造而成；所述后置缓冲层由橡胶缓冲材料制造而成。
本发明优选的能量分流式强冲击防护结构技术方案如下：所述前置缓冲层、分流层和后置缓冲层从外到内依次通过焊接方式固定连接。
作为优选，所述环状空腔结构的空腔剖面呈半圆形或锥形或抛物形状。
本发明由前置缓冲层、分流层和后置缓冲层组成，前置缓冲层、分流层和后置缓冲层通过焊接方式固连在一起。分流层通过机械加工的方式在其内部形成一个剖面为四边形的环状空腔结构，该四边形的底边保持水平，四边形上边可以倾斜或者水平，但应该保证靠近中轴线的第一空腔结构内角和第二空腔结构内角的角平分线朝向外侧；两个支撑半环所构成的支撑环为具有一定厚度的柱状壳体，支撑环上部与分流层凸出的外沿固连在一起，其下部与后置缓冲层接触。本发明适用于冲击波峰值压力应大于分流层材料剪切强度5倍的强冲击载荷。
一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护方法，其防护方法如下：
A、在核心防护区域内侧放置被保护的重要设备，冲击物或冲击波从能量分流式强冲击防护结构外部冲击能量分流式强冲击防护结构时，存在如下两个情况：
A1、当冲击物或冲击波从前置缓冲层中心冲击前置缓冲层时，冲击物或冲击波就朝向核心防护区域正向冲击，此时前置缓冲层中心受到冲击物或冲击波的冲击荷载，所述前置缓冲层在受到冲击荷载过程中发生不可逆的大变形塑性流动，并将冲击波能量转化为热能耗散掉部分；在前置缓冲层中心受到冲击载荷比较集中时，通过前置缓冲层的横向扩散能够起到较好的波形调整作用，使得冲击载荷更加均匀的施加在分流层中；分流层包含环状空腔结构，分流层在受到前置缓冲层的平面冲击波的压缩加载后，冲击荷载与环状空腔结构接触后，在冲击荷载的压缩作用下，分流层的环状空腔结构迅速向下塌缩或者聚能效应，并以动能的形式将大部分冲击波能量向环状空腔结构两侧的第一支撑半环与第二支撑半环引导，同时向分流层中心柱传输稀疏波，大幅削弱分流层中心部位的冲击波强度，从而有效防护核心防护区域内侧的重要设备；
A2、当冲击物或冲击波从前置缓冲层中心周围冲击前置缓冲层时，冲击物或冲击波就朝向核心防护区域靠近边缘区域或周边区域方向冲击，此时对核心防护区域内侧的重要设备构成影响的是冲击物或冲击波就朝向核心防护区域靠近边缘区域方向冲击，其防护方法如下：
所述前置缓冲层中心在受到冲击荷载过程中发生不可逆的大变形塑性流动，并将冲击波能量转化为热能耗散掉部分；在前置缓冲层中心受到冲击载荷比较集中时，通过前置缓冲层的横向扩散能够起到较好的波形调整作用，使得冲击载荷更加均匀的施加在分流层中；分流层包含环状空腔结构，分流层在受到前置缓冲层的平面冲击波的压缩加载后，冲击荷载与环状空腔结构接触后，在冲击荷载的压缩作用下，分流层的环状空腔结构迅速向下塌缩或者形成聚能效应，并以动能的形式将大部分冲击波能量向环状空腔结构两侧的第一支撑半环与第二支撑半环引导，同时向分流层中心柱传输稀疏波，大幅削弱分流层中心部位的冲击波强度，从而有效防护核心防护区域内侧的重要设备。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明在强冲击载荷作用下，冲击压力经过分流层时，剖面为四边形的环状空腔结构塌缩或者形成聚能效应，将绝大部分冲击波能量转化为动能并向两侧的支撑半环分流，同时向分流层中心部位传播稀疏波，大幅度的降低分流层中心部位的冲击波压力，提高对分流层中心部位以及核心防护区域的防护能力。
(2)与其他防护结构相比，本发明的分流式防护结构具有抗冲击上限高、能够大幅降低冲击波压力的特点。
附图说明
图1为传统强冲击防护结构的结构示意图；
图2为传统强冲击防护结构在缓冲层B内所检测到的冲击波压力曲线图；
图3为本发明能量分流式强冲击防护结构的结构示意图；
图4为本发明在后置分流层中所检测到的冲击波压力曲线图。
其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
1－前置缓冲层，2－第一支撑半环,3－第二支撑半环,4－第一空腔结构外角,5－第一空腔结构内角,6－第二空腔结构外角，7－第二空腔结构内角,8－第一空腔结构,9－第二空腔结构,10－分流层中心柱,11－后置缓冲层,12－核心防护区域,13－冲击物或冲击波，20－缓冲层A,30－缓冲层B,40－缓冲层C。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图3、图4所示，一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，从外至内包括前置缓冲层1、分流层和后置缓冲层11，分流层包括第一支撑半环2、第二支撑半环3和分流层中心柱10，第一支撑半环2和第二支撑半环3分别对称设置于分流层中心柱10两侧，第一支撑半环2和第二支撑半环3构成一个支撑环整体，第一支撑半环2与分流层中心柱10之间构成第一空腔结构8，第二支撑半环3与分流层中心柱10之间构成第二空腔结构9，第一空腔结构8与第二空腔结构9共同构成一个环状空腔结构；前置缓冲层1与分流层固定连接，分流层与后置缓冲层11固定连接，后置缓冲层11内侧中心区域为核心防护区域12。
如图3所示，分流层中心柱10从外到内依次包括大直径段中心柱和小直径段中心柱，在第一空腔结构8内部的大直径段中心柱与小直径段中心柱之间所形成的夹角为第一空腔结构内角5，在第一空腔结构8内部的第一支撑半环2与大直径段中心柱之间所形成的夹角为第一空腔结构外角4；分流层靠近前置缓冲层1一侧表面为外表面，第一空腔结构内角5的角平分线与分流层外表面的交点位于分流层的中心轴线上；第一空腔结构外角4的角平分线垂直于分流层外表面，或者第一空腔结构外角4的角平分线不经过核心防护区域12。
如图3所示，分流层中心柱10从外到内依次包括大直径段中心柱和小直径段中心柱，在第二空腔结构9内部的大直径段中心柱与小直径段中心柱之间所形成的夹角为第二空腔结构内角7，在第二空腔结构9内部的第二支撑半环3与大直径段中心柱之间所形成的夹角为第二空腔结构外角6；分流层靠近前置缓冲层1一侧表面为外表面，第二空腔结构内角7的角平分线与分流层外表面的交点位于分流层的中心轴线上；第二空腔结构外角6的角平分线垂直于分流层外表面，或者第二空腔结构外角6的角平分线不经过核心防护区域12。
本发明优选能量分流式强冲击防护结构的前置缓冲层1由橡胶或塑料或其他波阻抗较低且塑性较强的金属材料或其他波阻抗较低且塑性较强的非金属材料制造而成；后置缓冲层11由橡胶缓冲材料制造而成。
根据本发明能量分流式强冲击防护结构的一个实施例，前置缓冲层1、分流层和后置缓冲层11从外到内依次通过焊接方式固定连接。
本发明能量分流式强冲击防护结构的环状空腔结构的空腔剖面呈半圆形或锥形或抛物形状。
本发明由前置缓冲层1、分流层和后置缓冲层11组成，前置缓冲层1、分流层和后置缓冲层11通过焊接方式固连在一起。分流层通过机械加工的方式在其内部形成一个剖面为四边形的环状空腔结构(环状空腔结构由第一空腔结构8和第二空腔结构9组成)，该四边形环状空腔结构的底边保持水平，四边形上边可以倾斜或者水平，但应该保证靠近中轴线的第一空腔结构内角5和第二空腔结构内角7的角平分线朝向外侧；两个支撑半环所构成的支撑环为具有一定厚度的柱状壳体，支撑环上部与分流层凸出的外沿固连在一起，其下部与后置缓冲层11接触。本发明适用于冲击波峰值压力应大于分流层材料剪切强度5倍的强冲击载荷。
如图3所示，支撑环由第一支撑半环2和第二支撑半环3两个半环组成，两个半环套在分流层的外围组成完整的圆环支撑结构，支撑环一方面可以起到支撑整体结构的作用，另一方面，通过支撑环的传力路线，可以将一部分冲击波能量引导至分流层远离分流层中心柱10的外围，避开分流层中心(即分流层中心柱10)的核心防护部位。后置缓冲层11同样选用橡胶等缓冲材料，起到进一步缓冲冲击压力的作用。
一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护方法，其防护方法如下：
A、在核心防护区域12内侧放置被保护的重要设备，冲击物或冲击波13从能量分流式强冲击防护结构外部冲击能量分流式强冲击防护结构时，存在如下两个情况：
A1、当冲击物或冲击波13从前置缓冲层1中心冲击前置缓冲层1时，冲击物或冲击波13就朝向核心防护区域12正向冲击，此时前置缓冲层1中心受到冲击物或冲击波13的冲击荷载，前置缓冲层1在受到冲击荷载过程中发生不可逆的大变形塑性流动，并将冲击波能量转化为热能耗散掉部分；在前置缓冲层1中心受到冲击载荷比较集中时，通过前置缓冲层1的横向扩散能够起到较好的波形调整作用，使得冲击载荷更加均匀的施加在分流层中；分流层包含环状空腔结构，分流层在受到前置缓冲层1的平面冲击波的压缩加载后，冲击荷载与环状空腔结构接触后，在冲击荷载的压缩作用下，分流层的环状空腔结构迅速向下塌缩或者形成聚能效应，并以动能的形式将大部分冲击波能量向环状空腔结构两侧的第一支撑半环2与第二支撑半环3引导，同时向分流层中心柱10传输稀疏波，大幅削弱分流层中心部位的冲击波强度，从而有效防护核心防护区域12内侧的重要设备；
A2、当冲击物或冲击波13从前置缓冲层1中心周围冲击前置缓冲层1时，冲击物或冲击波13就朝向核心防护区域12靠近边缘区域或周边区域方向冲击，此时对核心防护区域12内侧的重要设备构成影响的是冲击物或冲击波13就朝向核心防护区域12靠近边缘区域方向冲击，其防护方法如下：
前置缓冲层1中心在受到冲击荷载过程中发生不可逆的大变形塑性流动，并将冲击波能量转化为热能耗散掉部分；在前置缓冲层1中心受到冲击载荷比较集中时，通过前置缓冲层1的横向扩散能够起到较好的波形调整作用，使得冲击载荷更加均匀的施加在分流层中；分流层包含环状空腔结构，分流层在受到前置缓冲层1的平面冲击波的压缩加载后，冲击荷载与环状空腔结构接触后，在冲击荷载的压缩作用下，分流层的环状空腔结构迅速向下塌缩或者形成聚能效应，并以动能的形式将大部分冲击波能量向环状空腔结构两侧的第一支撑半环2与第二支撑半环3引导，同时向分流层中心柱10传输稀疏波，大幅削弱分流层中心部位的冲击波强度，从而有效防护核心防护区域12内侧的重要设备。
如图2、图4所示，通过数值模拟研究方法，对分流层的作用进行了对比研究。数值仿真表明，在同样的外加载荷作用下，如图2所示，普通的复合靶结构观测点处的冲击波峰值压力大于15Gpa；使用了本发明分流层的防护结构观测点处的冲击波峰值压力只有2.2Gpa，下降了85％，可见，本发明的能量分流式新型缓冲结构可以大幅削弱冲击波压力，显著提升对中心部位的防护能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，其特征在于：从外至内包括前置缓冲层(1)、分流层和后置缓冲层(11)，所述分流层包括第一支撑半环(2)、第二支撑半环(3)和分流层中心柱(10)，所述第一支撑半环(2)和第二支撑半环(3)分别对称设置于分流层中心柱(10)两侧，所述第一支撑半环(2)与分流层中心柱(10)之间构成第一空腔结构(8)，所述第二支撑半环(3)与分流层中心柱(10)之间构成第二空腔结构(9)，所述第一空腔结构(8)与第二空腔结构(9)共同构成一个环状空腔结构；所述前置缓冲层(1)与分流层固定连接，分流层与后置缓冲层(11)固定连接，所述后置缓冲层(11)内侧中心区域为核心防护区域(12)。
2.按照权利要求1所述的基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，其特征在于：所述分流层中心柱(10)从外到内依次包括大直径段中心柱和小直径段中心柱，在第一空腔结构(8)内部的大直径段中心柱与小直径段中心柱之间所形成的夹角为第一空腔结构内角(5)，在第一空腔结构(8)内部的第一支撑半环(2)与大直径段中心柱之间所形成的夹角为第一空腔结构外角(4)；所述分流层靠近前置缓冲层(1)一侧表面为外表面，所述第一空腔结构内角(5)的角平分线与分流层外表面的交点位于分流层的中心轴线上；所述第一空腔结构外角(4)的角平分线垂直于分流层外表面。
3.按照权利要求1或2所述的基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，其特征在于：所述分流层中心柱(10)从外到内依次包括大直径段中心柱和小直径段中心柱，在第二空腔结构(9)内部的大直径段中心柱与小直径段中心柱之间所形成的夹角为第二空腔结构内角(7)，在第二空腔结构(9)内部的第二支撑半环(3)与大直径段中心柱之间所形成的夹角为第二空腔结构外角(6)；所述分流层靠近前置缓冲层(1)一侧表面为外表面，所述第二空腔结构内角(7)的角平分线与分流层外表面的交点位于分流层的中心轴线上；所述第二空腔结构外角(6)的角平分线垂直于分流层外表面。
4.按照权利要求1所述的基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，其特征在于：所述前置缓冲层(1)由橡胶或塑料或其他波阻抗较低且塑性较强的金属材料或其他波阻抗较低且塑性较强的非金属材料制造而成；所述后置缓冲层(11)由橡胶缓冲材料制造而成。
5.按照权利要求1所述的基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，其特征在于：所述前置缓冲层(1)、分流层和后置缓冲层(11)从外到内依次通过焊接方式固定连接。
6.按照权利要求1所述的基于聚能效应的能量分流式强冲击防护结构，其特征在于：所述环状空腔结构的空腔剖面呈半圆形或锥形或抛物形状。
7.一种基于聚能效应的能量分流式强冲击防护方法，其特征在于：其防护方法如下：
A、在核心防护区域(12)内侧放置被保护的重要设备，冲击物或冲击波(13)从能量分流式强冲击防护结构外部冲击能量分流式强冲击防护结构时，存在如下两个情况：
A1、当冲击物或冲击波(13)从前置缓冲层(1)中心冲击前置缓冲层(1)时，冲击物或冲击波(13)就朝向核心防护区域(12)正向冲击，此时前置缓冲层(1)中心受到冲击物或冲击波(13)的冲击荷载，所述前置缓冲层(1)在受到冲击荷载过程中发生不可逆的大变形塑性流动，并将冲击波能量转化为热能耗散掉部分；在前置缓冲层(1)中心受到冲击载荷比较集中时，通过前置缓冲层(1)的横向扩散能够起到较好的波形调整作用，使得冲击载荷更加均匀的施加在分流层中；分流层包含环状空腔结构，分流层在受到前置缓冲层(1)的平面冲击波的压缩加载后，冲击荷载与环状空腔结构接触后，在冲击荷载的压缩作用下，分流层的环状空腔结构迅速向下塌缩或者形成聚能效应，并以动能的形式将大部分冲击波能量向环状空腔结构两侧的第一支撑半环(2)与第二支撑半环(3)引导，同时向分流层中心柱(10)传输稀疏波，大幅削弱分流层中心部位的冲击波强度，从而有效防护核心防护区域(12)内侧的重要设备；
A2、当冲击物或冲击波(13)从前置缓冲层(1)中心周围冲击前置缓冲层(1)时，冲击物或冲击波(13)就朝向核心防护区域(12)靠近边缘区域或周边区域方向冲击，此时对核心防护区域(12)内侧的重要设备构成影响的是冲击物或冲击波(13)就朝向核心防护区域(12)靠近边缘区域方向冲击，其防护方法如下：
所述前置缓冲层(1)中心在受到冲击荷载过程中发生不可逆的大变形塑性流动，并将冲击波能量转化为热能耗散掉部分；在前置缓冲层(1)中心受到冲击载荷比较集中时，通过前置缓冲层(1)的横向扩散能够起到较好的波形调整作用，使得冲击载荷更加均匀的施加在分流层中；分流层包含环状空腔结构，分流层在受到前置缓冲层(1)的平面冲击波的压缩加载后，冲击荷载与环状空腔结构接触后，在冲击荷载的压缩作用下，分流层的环状空腔结构迅速向下塌缩或者形成聚能效应，并以动能的形式将大部分冲击波能量向环状空腔结构两侧的第一支撑半环(2)与第二支撑半环(3)引导，同时向分流层中心柱(10)传输稀疏波，大幅削弱分流层中心部位的冲击波强度，从而有效防护核心防护区域(12)内侧的重要设备。
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2016
- 2016-12-23 CN CN201611207233.4A patent/CN106839887B/zh not_active Expired - Fee Related
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