CN108545159B - 梯度耐压抗冲吸能覆盖层与耐压抗冲吸能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)，包含吸能层单元；所述吸能层单元包含橡胶盒体(1)、塑性泡沫吸能体(2)以及中间面板(3)，橡胶盒体(1)内部形成容纳空间，中间面板(3)与橡胶盒体(1)连接将塑性泡沫吸能体(2)密封在容纳空间中；一个吸能层单元中的中间面板(3)与以下任一种结构相连：相邻的另一个吸能层单元中的橡胶盒体(1)；设置的覆盖层端板(4)。本发明还提供了一种包含上述梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)的耐压抗冲吸能系统。本发明提供的梯度耐压抗冲吸能覆盖层，采用多孔橡胶和梯度泡沫复合的形式，兼具多孔橡胶覆盖层工艺性好及塑性泡沫材料抗冲吸能效果好的双重优点。

Description

梯度耐压抗冲吸能覆盖层与耐压抗冲吸能系统

技术领域

本发明涉及水下爆炸抗冲领域，具体地，涉及一种梯度耐压抗冲吸能覆盖层与耐压抗冲吸能系统。

背景技术

水下爆炸冲击是影响舰艇生命力和战斗力的主要威胁之一，随着水中兵器的不断发展，爆炸当量和冲击持续时间明显增加；精确的计算机制导又使命中率大大提高。这类突发高能载荷一方面破坏舰艇壳体，另一方面对舰艇内部设备及工作人员会造成致命打击。因此，对舰艇采取相应的冲击防护措施，有效防止或削减水下爆炸毁伤对舰艇的破坏十分重要。

水下爆炸冲击波传递到舰艇内部设备的主要传播路径是：爆源→水→舰艇壳体→设备基座→设备。从冲击波的传递路径可以看出，提升舰艇及舰载设备的抗冲击可以从以下两方面着手：(1)提升舰艇壳体强度及舰载设备抗冲击性能，可以通过改进或加强舰艇壳体结构、提升舰艇壳体材料性能以及对设备加装性能好的隔振抗冲器来实现；(2)降低冲击载荷，即通过某种手段降低传递到舰艇壳体上的冲击载荷，从而降低壳体变形及由壳体输入到内部设备上的载荷。针对第一个方面，在舰艇空间、吨位有限的条件下，通过隔振抗冲器进一步提高舰载设备抗冲击性能很难再有大的突破。针对第二个方面，即降低传递到舰艇壳体的冲击载荷，可以通过在舰艇壳体湿表面敷设一层耐压抗冲覆盖层来达到该目的

早在二十世纪九十年代，美国海军研究院就对实心橡胶覆盖层的抗冲击特性进行了细致分析。研究结果表明：在一定条件下，敷设橡胶覆盖层的圆柱壳的应力、应变、速度和能量都增加，即橡胶覆盖层使壳体所受破坏更大，此时橡胶覆盖层倾向于将能量集聚在壳体内，阻止能量向周围的水中耗散。通过改变橡胶覆盖层的剪切模量和厚度发现，随着剪切模量或厚度的增加，橡胶覆盖层对壳体由破坏作用转为保护作用。因此，实心橡胶覆盖层的冲击防护效能很有限。

此后，塑性多孔材料优异的抗冲吸能特性得到研究者越来越多的关注，以此衍生出来的三明治夹芯结构被广泛应用于水下爆炸冲击防护的研究。用于三明治夹芯结构芯层的材料主要有两类：随机多孔材料和周期多孔材料。其中，随机多孔材料主要为泡沫材料，周期多孔材料又包括蜂窝结构、折板结构和点阵结构等。在水下爆炸冲击载荷作用下，三明治夹芯结构发生大变形，一方面可以降低作用到舰艇湿表面的冲量；另一方面，三明治夹芯结构通过变形可以储存或耗散冲击波能量，最终降低传递到舰艇壳体的冲击能量。这类结构具有优异的抗冲击性能，但由于制造加工工艺复杂，成本高昂，而且在变形后难以恢复，目前还未见到实际舰船的应用。

受到三明治夹芯结构的启发，国内于二十世纪初提出多孔橡胶抗冲覆盖层概念，理论、数值及试验研究表明，多孔橡胶覆盖层对中低强度的水下爆炸冲击波防护效果较好。多孔橡胶抗冲覆盖层是以超弹性橡胶为基体的大孔隙率蜂窝结构，橡胶薄壁在冲击载荷作用下屈曲大变形形成应力平台期，可大大降低作用到湿表面的冲量。此外，橡胶材料的超弹性特征使此类覆盖层具有恢复弹性大变形的能力。但是，橡胶多孔覆盖层由于应力平台较低，不能耐静压，且在强冲击载荷作用下会发生密实化，对冲击防护不利。

对比橡胶多孔覆盖层和三明治夹芯结构发现，二者有各自的优缺点。橡胶多孔覆盖层易于在曲面结构敷设、工艺性好、成本低廉，但是不耐压，吸能水平低；三明治夹芯结构吸能效果好，但是工艺性差，实际应用中难以施工。因此，设计一种能耐压、抗冲、吸能同时工艺性好的抗冲吸能覆盖层是覆盖层设计和研究的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种梯度耐压抗冲吸能覆盖层与耐压抗冲吸能系统。

根据本发明提供的梯度耐压抗冲吸能覆盖层，包含吸能层单元；所述吸能层单元包含橡胶盒体、塑性泡沫吸能体以及中间面板，橡胶盒体内部形成容纳空间，中间面板与橡胶盒体连接将塑性泡沫吸能体密封在容纳空间中；

一个吸能层单元中的中间面板与以下任一种结构相连：

--相邻的另一个吸能层单元中的橡胶盒体；

--设置的覆盖层端板。

优选地，所述覆盖层端板包含厚度为2～3mm的尼龙复合层。

优选地，所述中间面板包含厚度为3～4mm的橡胶皮。

优选地，所述塑性泡沫吸能体包含金属泡沫或高分子泡沫；塑性泡沫吸能体外表面平滑过渡。

优选地，包含多个吸能层单元沿厚度延伸方向依次布置；

多个吸能层单元中包含的塑性泡沫吸能体的密度依次增大或减小。

优选地，橡胶盒体的内部形成一个或多个容纳空间，多个容纳空间之间被从橡胶盒体上延伸形成的橡胶壁隔断；

单个吸能层单元的橡胶盒体中的塑性泡沫吸能体的密度相同。

优选地，多个吸能层单元沿上下方向进行布置，覆盖层端板紧固连接在最上方的吸能层单元包含的中间面板上；

沿从上到下的方向上，多个吸能层单元中包含的塑性泡沫吸能体的密度依次增大或减小。

优选地，所述塑性泡沫吸能体的最小屈服强度大于工作环境的静水压力。

本发明还提供了一种耐压抗冲吸能系统，包含被保护结构与权利要求1至8中任一项所述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层；

一个或多个梯度耐压抗冲吸能覆盖层安装在被保护结构上。

优选地，梯度耐压抗冲吸能覆盖层通过粘接剂安装在被保护结构上，多个梯度耐压抗冲吸能覆盖层之间涂有密封腻子。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的梯度耐压抗冲吸能覆盖层，采用多孔橡胶和梯度泡沫复合的形式，兼具多孔橡胶覆盖层工艺性好及塑性泡沫材料抗冲吸能效果好的双重优点。

2、在水下爆炸冲击载荷作用下，梯度泡沫吸能体发生大变形，吸收冲击波能量，在进行船体曲面安装时，吸能体不发生变形，橡胶基体弯曲变形与船体曲面贴合。

3、本发明提供的梯度耐压抗冲吸能覆盖层，塑性泡沫吸能体采用梯度形式排列，可使抗冲吸能效果最优化。

4、本发明提供的梯度耐压抗冲吸能覆盖层，通过对泡沫吸能体的设计，可承受不同强度的静水压力，可用于水面舰船及水下潜艇抗冲击。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明梯度耐压抗冲吸能覆盖层的结构示意图。

图2为本发明敷设于舰艇结构表面的示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的梯度耐压抗冲吸能覆盖层6，包含吸能层单元；所述吸能层单元包含橡胶盒体1、塑性泡沫吸能体2以及中间面板3，橡胶盒体1内部形成容纳空间，中间面板3与橡胶盒体1连接将塑性泡沫吸能体2密封在容纳空间中。一个吸能层单元中的中间面板3与以下任一种结构相连：相邻的另一个吸能层单元中的橡胶盒体1；设置的覆盖层端板4。

实施例中，所述覆盖层端板4包含厚度为2～3mm的尼龙复合层。所述中间面板3包含厚度为3～4mm的橡胶皮。所述塑性泡沫吸能体2包含金属泡沫或高分子泡沫。塑性泡沫吸能体2外表面平滑过渡，也就是说，单个塑性泡沫吸能体2的形状为圆形、方形等无尖角形状。

包含多个吸能层单元沿厚度延伸方向依次布置，多个吸能层单元中包含的塑性泡沫吸能体2的密度依次增大或减小。优选地，铺设有四至六层吸能层单元，层与层之间塑性泡沫吸能体2密度成正梯度或负梯度排列。橡胶盒体1的内部形成一个或多个容纳空间，多个容纳空间之间被从橡胶盒体1上延伸形成的橡胶壁隔断，单个吸能层单元的橡胶盒体1中的塑性泡沫吸能体2的密度相同，也就是说，每一层中的塑性泡沫吸能体2在梯度耐压抗冲吸能覆盖层6宽度方向上密度一致。

实际使用过程中，多个吸能层单元沿上下方向进行布置，覆盖层端板4紧固连接在最上方的吸能层单元包含的中间面板3上，沿从上到下的方向上，多个吸能层单元中包含的塑性泡沫吸能体2的密度依次增大或减小。另外，所述塑性泡沫吸能体2的最小屈服强度大于工作环境的静水压力，也就是说对于水面舰船与水下潜艇，可根据实际情况选择不同材料或参数的塑性泡沫吸能体2。

如图2所示，本发明还提供了一种耐压抗冲吸能系统，包含被保护结构5与上述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层6，一个或多个梯度耐压抗冲吸能覆盖层6安装在被保护结构5上。梯度耐压抗冲吸能覆盖层6通过粘接剂8安装在被保护结构5上，多个梯度耐压抗冲吸能覆盖层6之间涂有密封腻子7。敷设安装过程为：对被保护结构5的表面进行打磨抛光，涂粘接剂8，采用相应工装将梯度耐压抗冲吸能覆盖层6压牢在被保护结构5上，待粘接剂8固化，使梯度耐压抗冲吸能覆盖层6与被保护结构5紧密连接。最后在各块梯度耐压抗冲吸能覆盖层6之间的缝隙里填充密封腻子7，保证敷设梯度耐压抗冲吸能覆盖层6后整个结构表面光滑。

工作原理：在爆炸或碰撞等冲击载荷作用下，冲击波会最先作用到覆盖层端板4上，覆盖层端板4的运动及变形会压缩覆盖层内部橡胶盒体1和塑性泡沫吸能体2，由于橡胶材料的几乎不可压缩性，塑性泡沫吸能体2是变形及吸能的主体。塑性泡沫吸能体2通过塑性坍塌大变形吸能能有效降低冲击载荷的峰值及冲击波能量，随着塑性泡沫吸能体2逐步坍塌，冲击波强度越来越弱、能量越来越低，最终传递到被保护结构5的载荷远远小于冲击载荷强度，以此达到保护主结构的目的。此外，在冲击载荷作用下会激发被保护结构5的弯曲响应，此时梯度耐压抗冲吸能覆盖层6随着被保护结构5的弯曲变形也发生弯曲，起到阻尼层的作用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)，其特征在于，包含吸能层单元；所述吸能层单元包含橡胶盒体(1)、塑性泡沫吸能体(2)以及中间面板(3)，橡胶盒体(1)内部形成容纳空间，中间面板(3)与橡胶盒体(1)连接将塑性泡沫吸能体(2)密封在容纳空间中；

一个吸能层单元中的中间面板(3)与以下任一种结构相连：

--相邻的另一个吸能层单元中的橡胶盒体(1)；

--设置的覆盖层端板(4)；

所述塑性泡沫吸能体(2)包含金属泡沫或高分子泡沫；塑性泡沫吸能体(2)外表面平滑过渡；

包含多个吸能层单元沿厚度延伸方向依次布置；

多个吸能层单元中包含的塑性泡沫吸能体(2)的密度依次增大或减小；

橡胶盒体(1)的内部形成一个或多个容纳空间，多个容纳空间之间被从橡胶盒体(1)上延伸形成的橡胶壁隔断。

2.根据权利要求1所述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)，其特征在于，所述覆盖层端板(4)包含厚度为2～3mm的尼龙复合层。

3.根据权利要求1所述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)，其特征在于，所述中间面板(3)包含厚度为3～4mm的橡胶皮。

4.根据权利要求1所述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)，其特征在于，单个吸能层单元的橡胶盒体(1)中的塑性泡沫吸能体(2)的密度相同。

5.根据权利要求4所述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)，其特征在于，多个吸能层单元沿上下方向进行布置，覆盖层端板(4)紧固连接在最上方的吸能层单元包含的中间面板(3)上；

沿从上到下的方向上，多个吸能层单元中包含的塑性泡沫吸能体(2)的密度依次增大或减小。

6.根据权利要求1所述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)，其特征在于，所述塑性泡沫吸能体(2)的最小屈服强度大于工作环境的静水压力。

7.一种耐压抗冲吸能系统，其特征在于，包含被保护结构(5)与权利要求1至6中任一项所述的梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)；

一个或多个梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)安装在被保护结构(5)上。

8.根据权利要求7所述的耐压抗冲吸能系统，其特征在于，梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)通过粘接剂(8)安装在被保护结构(5)上，多个梯度耐压抗冲吸能覆盖层(6)之间涂有密封腻子(7)。