CN111717331B - 一种多级降载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级降载装置，包括与空化器，降载可碎件和可伸缩连接管；空化器为圆锥体结构；可伸缩连接管包括圆柱和圆管，圆管与航行体头部固定连接，圆柱与圆管滑动连接，初始状态下，圆柱和圆管固定保持最大长度，且空化器和航行体头部之间、圆柱和圆管外围包覆有降载可碎件；圆管上端的内壁设置有弹性部件，圆柱下端与空化器锥形体平面固定连接，圆柱上端设置有与弹性部件配套的凹槽。本发明头型所受载荷更低，圆台可碎件受力更均匀，破碎吸能更彻底，与陀螺式空化器连接用于水下航行，避免了降载头帽中外罩碎片影响航行体。
Description
技术领域
本发明涉及一种多级降载装置，特别是一种陀螺型的多级降载装置，应用于减少高速航行体入水时受到流体冲击载荷，属于船舶与海洋工程领域。
背景技术
结构物入水，如船舶入水砰击、水上飞机降落、救生艇入水等，是一个涉及多相流动、自由液面和动边界多场耦合的复杂过程，其作用时间短暂，参数变化剧烈。尤其航行体高速入水时，会遭遇到强烈的瞬时冲击压力及过载，导致结构的损坏及内部器件的失灵，造成无法挽回的损失。解决这一问题的合理途径就是采用一定的方法降低载荷水平，将其限制在一定范围之内，使得高速航行体在入水过程中能以良好的状态进入预定轨道。
最初采用的降载方式是机械或者物理的缓冲，在头部加装气囊、弹性伸缩装置等，后来采用的降载途径主要是在航行体头部安装一个完全由泡沫塑料构成的头部，结构受到入水冲击时，泡沫塑料受冲击后变形吸收能量。该方法刚开始时受到广泛的关注和研究，后来为了改善飞行过程中的气动性能，因此在头部安装一个外罩，在入水后，外罩被撞碎脱离，其外罩最初由塑料制成，后来开始加入其它材料。但是目前的降载装置存在以下不足，降载装置仅适用于中低速入水，且仅用于撞水的短暂时刻；外罩撞碎脱离时容易对航行体结构造成划伤；按照当前的技术水平，对于100m/s以上的高速入水，降载头帽无法满足降载要求。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以吸收、减小航行体高速入水过程中受到的流体冲击载荷的多级降载装置。
针对上述技术问题，本发明的一种多级降载装置，包括空化器，降载可碎件和可伸缩连接管；空化器为圆锥体结构；可伸缩连接管包括圆柱和圆管，圆管与航行体头部固定连接，圆柱与圆管滑动连接，初始状态下，圆柱和圆管固定保持最大长度，且空化器和航行体头部之间、圆柱和圆管外围包覆有降载可碎件；圆管上端的内壁设置有弹性部件，圆柱下端与空化器锥形体平面固定连接，圆柱上端设置有与弹性部件配套的凹槽。
本发明还包括：
1.空化器锥形体平面内凹形成一个截面为等边梯形的圆台，圆柱下端与内凹圆台的平面固定连接。
2.当航行体入水时，空化器首先接触到水面，空化器在砰击压力作用下速度降低，空化器速度小于航行体速度，航行体与空化器之间出现相对位移，降载可碎件被压缩，降载可碎件进行塑性变形，之后相对位移继续增大，降载可碎件达到密实阶段，进而压溃脱离；随着入水深度增加，当圆柱上端运动至圆管与航行体连接端时，圆管与圆柱通过凹槽和弹性部件固定连接。
3.降载可碎件为硬质高密度泡沫。
4.降载可碎件为聚脲材料。
5.定义长细比s为：
其中，H为多级降载装置高度，D为航行体最大直径；s满足：
装置入水初始状态时，H＝H1+H2，s为最大值，s≤1.3；
当降载可碎件碎裂，圆柱上端运动至圆管与航行体连接端，圆管与圆柱通过凹槽和弹性部件固定连接时，
s为最小值，s≥0.8；
其中，H1为圆台可碎件的高，H2为空化器圆锥体顶点至圆柱安装平面的高度距离。
6.空化器锥角角度范围为90°～150°。
7.空化器的圆柱安装平面上设置有槽，当圆管与圆柱通过凹槽和弹性部件固定连接时，圆管下端卡入圆柱安装平面上的槽内。
本发明的有益效果：本发明提出了一种具新型结构形式的多级降载装置，该装置由陀螺式空化器、圆台可碎件以及可伸缩连接管组成。陀螺式空化器的作用是通过绕流来诱导降压，创造空化条件，以及调整超空泡的形态。与现有技术相比，本发明有如下优点：
本发明组合陀螺型高速入水多级降载装置，用于航行体高速入水冲击，与降载头帽相比，头型所受载荷更低，圆台可碎件受力更均匀，破碎吸能更彻底。入水速度为50m/s-150m/s，可根据入水速度不同更换不同的陀螺式空化器和圆台可碎件；
本发明组合陀螺型高速入水多级降载装置，可根据入水速度不同，在水中航行受到的阻力不同自动调整可伸缩连接器的长度，与陀螺式空化器连接用于水下航行，避免了降载头帽中外罩碎片影响航行体；
本发明组合型高速入水多级降载装置调整了陀螺式空化器的布置，进而避免了弹头过长。易于建造，花费较小。
附图说明
图1(a)为圆管件立体图，图1(b)为圆管件剖视图；
图2(a)为空化器立体图，图2(b)为空化器剖视图；
图3(a)为圆柱件立体图，图3(b)为圆柱件剖视图；
图4(a)为多级降载装置入水冲击状态整体组装正视图，图4(b)为多级降载装置入水冲击状态整体组装剖视图；
图5(a)为多级降载装置降载泡沫破碎后水下航行状态整体组装正视图，图5(b)为多级降载装置降载泡沫破碎后水下航行状态整体组装剖视图；
图6为本发明多级降载装置入水工作过程图；
图7为本发明多级降载装置的圆台可碎件选择时压缩强度随入水速度变化曲线；
图8为本发明阻力系数随头型长细比变化曲线；
图9为本发明多级降载装置尺寸参数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明的多级降载装置，主要由三部分组成，分别为：陀螺型空化器，圆台可碎件(泡沫)，可伸缩连接管。
本发明组合陀螺型高速入水多级降载装置，安装在航行体头部，降载装置底盘通过紧固螺钉与航行体头部固定连接，航行体入水时，降载装置先入水。陀螺式空化器首先形成入水空泡，减小抨击载荷作用面；在入水抨击载荷作用下，陀螺式空化器沿着可伸缩连接器轨道向内推进，将抨击载荷转换为陀螺式空化器的动能；与此同时，布置于陀螺式空化器后面的圆台可碎件将吸收该部分动能；在吸收能量变形、破碎脱离后，可伸缩连接管在水动力载荷作用下持续受压，最终实现卡扣锁紧，固定于航行体头部，用于水下航行的后续减阻。圆台可碎件在吸收能量后变形破碎脱离，可伸缩连接管受压后，缩短后实现卡扣锁紧，固定于航行体头部，用于水下航行。
本发明组合陀螺型高速入水多级降载装置，前端为陀螺式空化器，其形状为圆锥体，安装于航行体头部。航行体最大直径为D，陀螺式空化器底面圆直径等于航行体最大直径。头部锥角范围为90°～150°。理论上，锥角大小可在0～180°之间进行选择。实际上，航行体入水时，锥角越大，周围流线越复杂，入水冲击载荷峰值随着锥角的增大而增大。而锥角较小时，产生的空泡长度短，直径小，过小的锥角无法产生包裹整个航行体的空腔，从而影响减阻性能，且空化器最大直径一定时，锥角越小，导致整体长度增加，影响入水的弹道以及稳定。因此，锥角的大小存在上限和下限，考虑不同锥角时的流体动力特性，锥角大小范围为90°～150°。根据速度要求不同，可选择不同大小锥角的空化器进行更换，入水速度较大时，选择较小锥角。陀螺式空化器上喷涂聚脲弹性体涂层，聚脲作为一种重量轻，制造成本低，各方面性能优异的减震吸能材料，能够大幅度的削弱冲击。
本发明组合陀螺型高速入水多级降载装置的圆台可碎件套在可伸缩连接管外。材料为硬质高密度泡沫材料或聚脲材料，如无机物泡沫材料中的硬质聚氨酯泡沫以及金属泡沫中的泡沫铝等。外型为一类圆台型结构。
本发明组合陀螺型高速入水多级降载装置，中间为可伸缩连接管，该连接管一端通过螺纹与陀螺式空化器连接，另一端通过四个紧定螺钉与航行体头部连接。可伸缩连接管主要有两节，分别为圆柱节和圆管节，中间通过限位环防止两个部件脱离，圆环与圆柱接触处涂油状物，油状物选用粘性系数较大的材料。连接管最大长度等于圆台可碎件高度，伸缩长度范围为110mm～200mm。圆柱节和圆管节长度皆为110mm。圆柱节直径与圆管节内径相等。圆柱节首端开槽，其内开有螺纹，用于与陀螺式空化器连接。圆管节尾端设有弹性卡扣，入水后，被压缩过的伸缩连接管的两个部件可以通过卡扣进行衔接固定。
结合图1(a)-1(b)、图2(a)-2(b)、图3(a)-3(b)、图4(a)-4(b)、图5(a)-5(b)、图6-9，本发明多级降载装置，主要由三部分组成，三部分可分为陀螺式空化器9，圆台可碎件15以及可伸缩连接管的圆柱件10和圆管件11，通过螺钉和螺栓连接。
本发明组合陀螺型高速入水多级降载装置，主要使用方法为：
装置安装在航行体头部，在航行体入水时，一方面形成稳定包裹弹身的空泡，另一方面通过压缩圆台可碎件以及可伸缩连接管部分，使得圆台可碎件被压溃吸收能量，以及可伸缩连接管内部动能转化为内能吸收一部分能量，使得传递到航行体的加速度冲击远小于未安装降载装置时的载荷水平。此后，圆台可碎件被压溃脱离，航行体入水后进入水下航行阶段，可伸缩连接管根据入水不同，调整长度，装置作为变长度空化器，为航行体形成稳定持久的超空泡，用于水下航行阶段降低航行阻力。
本发明组合型高速入水多级降载装置，其降载机理主要通过三个方面：
陀螺式空化器的作用：一方面陀螺式空化器形成的稳定的空泡，有利于降低入水冲击的压力；另一方面，锥角头部更有利于入水。
圆台可碎件的作用：选用受压吸能材料，对于高速冲击问题，在受到压缩加载的情况下，其应力应变曲线存在一段较宽的平台应力阶段，此阶段是材料吸能性能的重要影响阶段，较宽的平台应力阶段代表着其理想吸能效率较高。
可伸缩连接管的作用：通过圆柱件与圆管件的摩擦，将一部分动能转换为内能，从而减少一部分的冲击。
带降载器的航行体入水时，当整体结构撞击水面，由于是陀螺式空化器先接触到水面，而航行体本体所受到的力是由锥形空化器通过缓冲结构传递到航行体上的。图6中航行体入水初始阶段，陀螺式空化器首先接触到水面，由于巨大的砰击压力，使得空化器速度降低，空化器速度小于航行体速度，航行体与空化器之间出现相对位移，中间的降载元件受压缩，压缩长度为航行体与空化器之间的相对位移大小。降载泡沫经过一段塑性变形，传递到航行体的冲击一直限定在某一特定值之下。之后相对位移继续增大，降载泡沫部分达到密实阶段，进而压溃脱离。随着入水深度增加，以及之前降载泡沫受压阶段，空化器与航行体之间相对位移达到一定大小后卡住凹槽。航行体的加速度值逐渐减小趋于平缓，并进入水下航行阶段，此时降载装置由两部分组成，分别为锥形空化器和连接管，在水下航行阶段为航行体提供一个稳定持久的超空泡，降低水下航行时所受阻力。
本发明组合型高速入水多级降载装置，由多个部件组成。图1(a)-1(b)为可伸缩连接管的圆管件，图3(a)-3(b)为可伸缩连接管的圆柱件，圆管件与圆柱件共同组成了可伸缩连接管。圆管件上开有四个沉孔1，其上有螺纹，可通过螺钉与航行体头部13进行连接。圆管上端开有四个小沉孔2，沿圆周分布四个，其内装有弹性部件14，水下航行阶段，当圆柱件在压力作用下相对圆管向上运动，圆柱顶部将弹性部件14压入小沉孔2内，当继续运动时，当弹性部件14到达圆柱件头部的凹槽8时，弹性部件14弹入凹槽8内，卡住圆柱件头部的凹槽8，形成陀螺式空化器，用于水下航行。进一步的，沉孔里弹性材料为螺旋弹簧。图2(a)-2(b)为陀螺式空化器，锥角6的取值范围在90°～150°，根据速度不同，调整锥角大小。陀螺式空化器采用内凹结构，5处设有150°凹角，凹角随锥角大小变化，用于减小装置的高度以及装置的重量。空化器设有螺纹孔3，用于与圆柱件下端螺栓7连接，4为陀螺式空化器的圆管凹槽，入水冲击结束后，可伸缩连接管经压缩后，圆管件头部卡进陀螺式空化器的凹槽内，进行固定。图4(a)-4(b)为降载装置受入水冲击时装配示意图，航行体头部与降载装置通过紧定螺钉12固定，该装置由陀螺式空化器9，圆柱件10，圆管件11，降载泡沫15，缓冲垫片16组成。缓冲垫片选用橡胶材料。入水时，降载泡沫在入水过程被压溃后脱离，装置进入图5(a)-5(b)状态，降载泡沫脱离，圆管件11头部卡进陀螺式空化器凹槽4中，圆柱件10头部凹槽8与圆管件的弹性部件14连接固定，形成一体，作为水中空化器用于水下航行。图6为带本发明降载装置的航行体入水过程图，①为入水初始时刻，航行体及降载装置位于水面上，②中航行体头部入水，降载装置中圆台可碎件受到部分压缩，③和④为圆台可碎件吸收能量变形、破碎脱离后，可伸缩连接管在水动力载荷作用下持续受压，最终实现卡扣锁紧，固定于航行体头部，在水下航行。图7为通过仿真计算得到的圆台可碎件选择依据，速度范围在50m/s到150m/s，根据速度不同在图中选择对应的平台强度，从而选择特定的圆台可碎件安装于装置上。通过实验数据得到图8中阻力系数随头型长细比s变化的拟合曲线。由于制造限制，长细比不可能无限增大，可以看出，长细比大于0.8时，随着长细比的增大，阻力系数的降低并不明显。综合考虑头部的稳定以及入水阻力系数的影响，头型的长细比选为0.8～1.3。在入水过程中，圆台可碎件被压缩，可伸缩连接管发生相对滑动，装置长细比发生变化，长细比s在整个过程中的变化范围为：
H1为圆台可碎件的高，H2为陀螺式空化器内高、即为装置贡献的有效高度，D为航行体直径。通过长细比的选取，对图9中参数尺寸，选取如下关系.
H1＝D
D2＜D3＜D1＜D
其中，D1、D2分别为圆台可碎件上底圆直径和下底圆直径，H3为陀螺式空化器外高，θ和α为陀螺式空化器的锥角和凹角。图中尺寸以，D＝200mm，θ＝90°给出。本发明采用公式设计法，考虑结构强度以及流体动力特性，确定了圆台可碎件以及陀螺式空化器尺寸，确保降载装置在50m/s～150m/s入水时有效实现冲击降载和航行减阻。
综上所述，本发明公开了一种组合陀螺型高速入水多级降载装置，包括航行体首部、陀螺式空化器、圆台可碎件、可伸缩连接管。可伸缩连接管主要由圆柱件和圆管件组成，二者通过限位环连接，圆管件与航行体头部通过四个紧定螺钉连接，圆柱件与陀螺式空化器通过螺纹连接，陀螺式空化器与航行体中间装配有圆台可碎件。降载装置各个部件均可拆卸和替换，可根据入水速度不同，选用不同锥角的空化器和可碎件。本发明可实现航行体高速入水时的降载限载，后可在圆台可碎件被压溃后进入水下航行形态，为水下航行提供稳定持续的超空泡。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多级降载装置，其特征在于：包括空化器，降载可碎件和可伸缩连接管；
所述空化器为圆锥体结构；
所述可伸缩连接管包括圆柱和圆管，圆管与航行体头部固定连接，圆柱与圆管滑动连接，初始状态下，圆柱和圆管固定保持最大长度，且空化器和航行体头部之间、圆柱和圆管外围包覆有降载可碎件；圆管上端的内壁设置有弹性部件，圆柱下端与空化器锥形体平面固定连接，圆柱上端设置有与弹性部件配套的凹槽；
定义长细比s为：其中，H为多级降载装置高度，D为航行体最大直径；s满足：
装置入水初始状态时，H＝H 1+H 2，s为最大值，s≤1.3；
当降载可碎件碎裂，圆柱上端运动至圆管与航行体连接端，圆管与圆柱通过凹槽和弹性部件固定连接时，s为最小值，s≥0.8；
其中，H 1为圆台可碎件的高，H 2为空化器圆锥体顶点至圆柱安装平面的高度距离。
2.根据权利要求1所述的一种多级降载装置，其特征在于：空化器锥形体平面内凹形成一个截面为等边梯形的圆台，圆柱下端与内凹圆台的平面固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种多级降载装置，其特征在于：当航行体入水时，空化器首先接触到水面，空化器在砰击压力作用下速度降低，空化器速度小于航行体速度，航行体与空化器之间出现相对位移，降载可碎件被压缩，降载可碎件进行塑性变形，之后相对位移继续增大，降载可碎件达到密实阶段，进而压溃脱离；随着入水深度增加，当圆柱上端运动至圆管与航行体连接端时，圆管与圆柱通过凹槽和弹性部件固定连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种多级降载装置，其特征在于：降载可碎件为硬质高密度泡沫。
5.根据权利要求1或2所述的一种多级降载装置，其特征在于：降载可碎件为聚脲材料。
6.根据权利要求1或2所述的一种多级降载装置，其特征在于：空化器锥角角度范围为90°～150°。
7.根据权利要求1或2所述的一种多级降载装置，其特征在于：空化器的圆柱安装平面上设置有槽，当圆管与圆柱通过凹槽和弹性部件固定连接时，圆管下端卡入圆柱安装平面上的槽内。
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