CN110455649A - 一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于爆炸防护领域，特别是一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法。包括如下步骤：1通过冲击爆炸实验采集某材料在冲击爆炸中的典型荷载时程曲线；2利用分离式Hopkinson压杆装置模拟得到冲击爆炸中的荷载时程曲线，实验采用“W.Chen单脉冲加载实验方案”实现对试件的单次加载，调整实验工况，获得与步骤1中相同的荷载时程曲线，并记录此时的工况；3在与步骤2相同的工况下对不同排列组合的舰船复合板进行多次实验；4通过实验数据计算出不同排列组合的舰船复合板吸收的能量值。该方法量化了材料在冲击爆炸荷载下的消波吸能效果，解决了传统冲击爆炸实验成本高、过程复杂、重复性差的缺点，实验得到简化并结果更加精确可靠。

Description

一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法
技术领域
本发明属于冲击爆炸防护领域，特别是一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法。
背景技术
舰船生命力对舰船而言是至关重要，针对舰船生命力的研究，已成为各国舰船发展的重要趋势。舰船生命力是指舰船结构及其系统在武器作用环境中避免和承受损伤而完成指定任务的能力，包含3个要素：易感性、易损性和可修复性。易损性是以舰船结构以及重要设备因武器爆炸毁伤效应造成损坏的本性为特征，在典型的冲击爆炸中，舰船材料和结构主要受到冲击波的作用而产生的损坏，因此研究船体材料对冲击波的吸波消能效果是提高舰船生命力的重要途径。
目前对材料在冲击爆炸荷载下的消波吸能效果的研究主要是对材料进行冲击爆炸实验，通过观察爆炸前后试件的毁伤形式和毁伤程度来判断材料的消波吸能效果。通过传统的冲击爆炸实验来分析材料的消波吸能效果不仅实验成本高、过程复杂，而且实验结果受环境因素影响较大，所以重复性较差。同时，根据爆炸前后毁伤形式和毁伤程度的对比只能定性而无法定量的得到不同材料在冲击爆炸荷载下吸收能量的数值。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法，包括如下步骤：
步骤(1)：通过冲击爆炸实验采集某材料在冲击爆炸中的典型荷载时程曲线；
步骤(2)：利用分离式Hopkinson压杆装置模拟得到冲击爆炸中的荷载时程曲线，实验采用“W.Chen单脉冲加载实验方案”，实现对试件的单次加载，调整实验工况，获得与步骤1中相同的荷载时程曲线，并记录此时的工况；
步骤(3)：在与步骤(2)相同的工况下对不同排列组合的舰船复合板进行多次实验；
步骤(4)：通过实验数据计算出不同排列组合的舰船复合板吸收的能量值，获得能量吸收最多的舰船复合板。
进一步的，所述步骤(1)中典型荷载时程曲线的获取方法如下：
将某种组合的舰船复合板放置在距离TNT炸药5m处的位置，在复合板旁放置传感器，引爆TNT炸药后可获得此时工况下的典型荷载时程曲线；通过更改爆源种类和爆距，得到不同爆炸工况下的典型荷载时程曲线。
进一步的，所述步骤(2)中Hopkinson压杆实验采用“W.Chen单脉冲加载实验方案”中采用的Hopkinson装置包括气室、子弹、入射杆、透射杆、吸收杆、传递法兰、反应质量块和整形器；所述传递法兰固定在入射杆的加载端处，并将反应质量块穿入入射杆，反应质量块与传递法兰间预留间隙△l＝l0v0/c，其中l0为子弹长度，v0为子弹初速，c为杆中弹性波波速。
进一步的，所述步骤(2)中的调整试验工况的具体方法如下：
通过调节Hopkinson装置的子弹长度、子弹初速、整形器材料种类和整形器厚度，改变输出荷载时程曲线的数值和形状，使其趋近于步骤(1)中所采集的某材料在某种冲击爆炸工况下的典型荷载时程曲线，达到模拟冲击爆炸荷载的目的。
进一步的，所述步骤(3)中对舰船复合板排列组合的具体方法如下：
设某舰船复合板为三种厚度相同的材料A、B、C相互叠加而成，则实验时对复合板的组合顺序进行全排列，即ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA共6种排列组合。
进一步的，所述步骤(4)计算不同排列组合的舰船复合板能量吸收值的公式如下：
Ws(t)＝Wi.(t)-Wr(t)-Wt(t)
其中，Ws(t)为试件吸收的能量，和分别为入射波、反射波和透射波的能量，εi、εr、εt分别为Hopkinson压杆装置输出的入射波、反射波和透射波的电压值，A为压杆横截面面积，E为压杆材料的弹性模量。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本发明解决了传统冲击爆炸实验无法定量得到材料在冲击爆炸中吸收能量数值的问题。传统的冲击爆炸实验，只能得到实验前后试件的毁伤程度，通过毁伤程度大致的判断材料消波吸能的能力，而利用分离式Hopkinson压杆装置对试件进行加载，可以通过计算入射波、反射波和透射波的能量，得到材料在冲击爆炸荷载下吸收能量的具体数值，解决了传统冲击爆炸实验无法定量得到材料在冲击爆炸中吸收能量数值的问题。
(2)本发明解决了传统冲击爆炸实验成本高、过程复杂的问题。利用分离式Hopkinson压杆装置模拟真实的冲击爆炸荷载，只需要一次或几次冲击爆炸实验来采集和确定某种冲击爆炸荷载条件下某材料的典型荷载时程曲线，之后的实验全部是在分离式Hopkinson压杆装置上进行的。相较于传统的材料抗冲击爆炸性能实验，大大减少了冲击爆炸实验的次数，从而解决了目前冲击爆炸实验成本高、过程复杂的问题。
(3)本发明解决了传统冲击爆炸实验重复性差的问题。利用分离式Hopkinson压杆装置模拟真实的冲击爆炸荷载，在分离式Hopkinson压杆实验中通过维持子弹长度、子弹初速、整形器材料种类和整形器厚度一定，可以稳定的输出与冲击爆炸中相同的荷载时程曲线，解决了目前冲击爆炸实验重复性差的问题。
附图说明
图1为W.Chen单脉冲加载实验方案示意图。
图2为某舰船复合板示意图。
图3为分离式Hopkinson压杆实验中试件的典型能量变化。
附图标记说明：
1-反应质量块，2-传递法兰，3-整形器，4-入射杆，5-子弹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法，包括以下步骤：
步骤1、通过冲击爆炸实验采集某材料在冲击爆炸中的典型荷载时程曲线。将某种组合的舰船复合板放置在距离TNT炸药5m处的位置，在复合板旁放置传感器，引爆TNT炸药后可获得此时工况下的典型荷载时程曲线。通过更改爆源种类和爆距，可以得到不同爆炸工况下的典型荷载时程曲线。
步骤2、利用分离式Hopkinson压杆装置模拟得到冲击爆炸中的荷载时程曲线，实验采用“W.Chen单脉冲加载实验方案”，Song B、Chen W，Experimental Mechanics，第44卷第6期，第622～628页，2004年12月。Hopkinson装置包含了气室、子弹、入射杆、透射杆、吸收杆、传递法兰、反映质量块、整形器。如图1所示，本发明中的单脉冲加载实验方案是将传递法兰固定在入射杆的加载端处，并将反应质量块穿入入射杆，质量块与法兰间预留间隙△l＝l0v0/c，其中l0为子弹长度，v0为子弹初速，c为杆中弹性波波速。
调节Hopkinson压杆装置的子弹长度、子弹初速、整形器材料种类和整形器厚度，改变输出荷载时程曲线的数值和形状，使其趋近于步骤1中所采集的某材料在某种冲击爆炸工况下的典型荷载时程曲线，达到模拟冲击爆炸荷载的目的。
步骤3、在与步骤2相同的工况下对不同排列组合的舰船复合板进行多次实验。舰船复合板排列组合的具体方法如下：
如图2所示，设某舰船复合板为三种厚度相同的材料A、B、C相互叠加而成，则实验时对复合板的组合顺序进行全排列，即ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA共6种排列组合。
步骤4、通过实验数据计算出不同排列组合的舰船复合板吸收的能量值，获得能量吸收最多的舰船复合板。计算不同排列组合的舰船复合板能量吸收值的公式如下：
Ws(t)＝Wi.(t)-Wr(t)-Wt(t)
其中，Ws(t)为试件吸收的能量，和分别为入射波、反射波和透射波的能量，εi、εr、εt分别为Hopkinson压杆装置输出的入射波、反射波和透射波的电压值，A为压杆横截面面积，E为压杆材料的弹性模量。
在分离式Hopkinson压杆实验中某种排列组合舰船复合板的典型能量变化如图3所示，从图中可以看到在爆炸初始至8×10-5s这一阶段，复合板对能量的吸收与时间呈线性关系，在8×10-5s时复合板停止了对能量的吸收，能量吸收值为14.8J。

Claims (6)

1.一种最优消波吸能效果舰船复合板的获得方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：通过冲击爆炸实验采集某材料在冲击爆炸中的典型荷载时程曲线；
步骤(2)：利用分离式Hopkinson压杆装置模拟得到冲击爆炸中的荷载时程曲线，实验采用“W.Chen单脉冲加载实验方案”实现对试件的单次加载，调整实验工况，获得与步骤1中相同的荷载时程曲线，并记录此时的工况；
步骤(3)：在与步骤(2)相同的工况下对不同排列组合的舰船复合板进行多次实验；
步骤(4)：通过实验数据计算出不同排列组合的舰船复合板吸收的能量值，获得能量吸收最多的舰船复合板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中典型荷载时程曲线的获取方法如下：
将某种组合的舰船复合板放置在距离TNT炸药5m处的位置，在复合板旁放置传感器，引爆TNT炸药后可获得此时工况下的典型荷载时程曲线；通过更改爆源种类和爆距，得到不同爆炸工况下的典型荷载时程曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中Hopkinson压杆实验采用“W.Chen单脉冲加载实验方案”中采用的Hopkinson装置包括气室、子弹(5)、入射杆(4)、透射杆、吸收杆、传递法兰(2)、反应质量块(1)和整形器；所述传递法兰(2)固定在入射杆的加载端处，并将反应质量块(1)穿入入射杆(4)，反应质量块(1)与传递法兰(2)间预留间隙△l＝l0v0/c，其中l0为子弹长度，v0为子弹初速，c为杆中弹性波波速。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的调整试验工况的具体方法如下：
通过调节Hopkinson装置的子弹长度、子弹初速、整形器材料种类和整形器厚度，改变输出荷载时程曲线的数值和形状，使其趋近于步骤(1)中所采集的某材料在某种冲击爆炸工况下的典型荷载时程曲线，达到模拟冲击爆炸荷载的目的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中对舰船复合板排列组合的具体方法如下：
设某舰船复合板为三种厚度相同的材料A、B、C相互叠加而成，则实验时对复合板的组合顺序进行全排列，即ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA共6种排列组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)计算不同排列组合的舰船复合板能量吸收值的公式如下：
Ws(t)＝Wi.(t)-Wr(t)-Wt(t)
其中，Ws(t)为试件吸收的能量，和分别为入射波、反射波和透射波的能量，εi、εr、εt分别为Hopkinson压杆装置输出的入射波、反射波和透射波的电压值，A为压杆横截面面积，E为压杆材料的弹性模量。
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