CN112623137A - 一种基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,包括外板、夹芯层和内板,外板与内板相对设置,且外板与内板之间通过夹芯层粘接;夹芯层包括阵列排布的若干手性负泊松比胞元和缓冲填料,缓冲填料填充于手性负泊松比结构的间隙处;每一手性负泊松比胞元均由若干节点环、若干韧带以及刚体金属填料构成,每一节点环与至少三条韧带连接,且节点环中均填充有刚体金属填料。本发明通过在夹芯层中引入阵列排布的手性负泊松比胞元,并用低密度的缓冲填料进行填充,使在承受冲击载荷的时候于冲击方向承受压缩,而在侧面也发生压缩,材料就会向冲击部位附近流动,进而使得结构局部密度增大,显著提升了抵抗损伤的能力。
Description
技术领域
本发明涉及舰船结构抗冲击研究领域,特别是一种基于负泊松比效应的舷 间抗冲击防护结构及其应用。
背景技术
目前,随着人们对海洋资源的探索和开采,关于海洋领土的问题也日益凸 显。大型舰船是保护我国海洋领土的中坚力量之一,加之目前超空泡鱼雷及智 能水雷等先进反舰武器对大型舰船的威胁愈加严重,进一步提高水下爆炸载荷 作用下大型舰船抗爆抗冲击性能,做好大型舰船的防护工作,保证它的持续作 战,是当前海洋军事发展的重点。
大型舰船在受到鱼雷、反舰导弹等攻击的时候,会受到穿甲效应、爆炸碎 片效应、爆炸冲击波效应的多重影响,这是个瞬时且多变的过程。为了提高舰 船的生存能力,对舰船舷侧防护结构的研究从未停止过。传统的舰船舷侧防护 采用厚厚的金属装甲,强度和抗爆抗冲击能力强,一定程度上可以减少舰体中 弹所受到的破坏。但是随着科技水平的提高,各类反舰武器层出不穷,其杀伤 手段比起传统武器来也有很大变化,一方面可以通过末端的高速增加冲击力, 一方面弹头的样式多种多样,既有外爆式,也有内爆式,力求击破舰船外部防 护后,在舰船内部造成更大的毁伤,传统防护手段已显得贫弱不堪。除此之外,传统的舰船防护材料仍有着诸多不足,如重量大、易腐蚀、维护费用高等。为 了保证舰船安全,提高生存能力,亟需开展基于满足抗爆性能的新型舷侧多层 防护结构设计。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构及 其应用,用于解决现有技术中舷侧防护结构的防护性能不佳的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于负泊松比效应的舷间抗冲击 防护结构,包括外板、夹芯层和内板,外板与内板相对设置,且外板与内板之 间通过夹芯层粘接;夹芯层包括阵列排布的若干手性负泊松比胞元和缓冲填料, 缓冲填料填充于手性负泊松比结构的间隙处;每一手性负泊松比胞元均由若干 节点环、若干韧带以及刚体金属填料构成,每一节点环与至少三条韧带连接, 且节点环中均填充有刚体金属填料。
优选的,沿外板至内板的方向上,若干节点环以相互平行的若干行形式排 布,且各行中节点环的半径呈逐渐递增趋势排布。
优选的,手性负泊松比胞元中,每一节点环与六条韧带均匀连接,且每一 韧带均位于节点环的切线处。
优选的,手性负泊松比胞元中,每一节点环与四条韧带均匀连接,且每一 韧带均位于节点环的切线处。
优选的,手性负泊松比胞元中,每一节点环与三条韧带均匀连接,且每一 韧带均位于节点环的切线处。
优选的,手性负泊松比胞元和缓冲填料之间通过粘接材料粘接,粘接材料 为环氧树脂。
优选的,外板与内板均具有凯夫拉纤维防护增强表层,外板和内板均通过 粘接材料同夹芯层粘接。
优选的,缓冲填料为乙丙橡胶、聚氨酯中的任意一种或两种,且缓冲填料 的密度小于1g/cm3。
优选的,韧带为碳玻混杂纤维钩织而成。
为解决上述技术问题,本发明还提供了一种基于负泊松比效应的舷间抗冲 击防护结构的应用,该应用基于前述舷间抗冲击防护结构,且该基于负泊松比 效应的舷间抗冲击防护结构应用于舰船舷侧抗爆抗冲击装置。
本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明提供了一种基于负 泊松比效应的舷间抗冲击防护结构及其应用,通过在夹芯层中引入阵列排布的 手性负泊松比胞元,并用低密度的缓冲填料进行填充,使在承受冲击载荷的时 候于冲击方向承受压缩,而在侧面也发生压缩,材料就会向冲击部位附近流动, 进而使得结构局部密度增大,显著提升了抵抗损伤的能力。
附图说明
图1是本发明中基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构一实施方式的结 构示意图;
图2是本发明实施例1中手性负泊松比胞元的结构示意图:a为胞元图,b 为参数关系图;
图3是本发明实施例1中手性负泊松比胞元的受压变形图;
图4是本发明实施例2中手性负泊松比胞元的结构示意图;
图5是本发明实施例3中手性负泊松比胞元的结构示意图;
图中:1:外板;2:夹芯层;21:节点环;22:韧带;23:缓冲填料;24: 刚体金属填料;3:内板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实 施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前 提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明保护的范围。
请参阅图1,图1是本发明中基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构一 实施方式的结构示意图。本发明中基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构包 括外板1、夹芯层2和内板3,外板1与内板3相对设置,且外板1与内板3 之间通过夹芯层2粘接;夹芯层2包括阵列排布的若干手性负泊松比胞元和缓 冲填料23,缓冲填料23填充于手性负泊松比结构的间隙处;每一手性负泊松 比胞元均由若干节点环21、若干韧带22以及刚体金属填料24构成,每一节点 环21与至少三条韧带22连接,且节点环中均填充有刚体金属填料24;通过外板1、夹芯层2和内板3的夹层结构,并利用手性负泊松比胞元的物理特性, 能够有效缓冲外部冲击,显著减轻伤害。下面分别对基于负泊松比效应的舷间 抗冲击防护结构的各个组成部分进行描述。
具体地,沿外板1至内板3的方向上,若干节点环21以相互平行的若干行 形式排布,且各行中节点环21的半径呈逐渐递增趋势排布,即构成多层的手性 负泊松比结构,这种排布方式可以使冲击力由外板1传递至内板3时,抗冲击 能力逐渐增强;同时结合填充负泊松比的缓冲材料,可以形成多重缓冲机制, 显著增强抗爆抗冲击能力。
具体地,手性负泊松比胞元和缓冲填料23之间通过粘接材料粘接,粘接材 料为环氧树脂;外板1与内板3均具有凯夫拉纤维防护增强表层,外板1和内 板3均通过粘接材料同夹芯层粘接。
本实施方式中,缓冲填料23优选为低密度的乙丙橡胶、聚氨酯中的任意一 种或两种,优选的缓冲填料的密度小于1g/cm3,在受到外部冲击或爆炸时,低 密度的缓冲填料在受力压缩后表现成较高的整体密度状态,从而强化了抗爆抗 冲击效果,并且由于缓冲填料具有较低密度,使得整体结构的总重量显著降低。 节点环中均填充有刚体金属填充材料,增加了整体结构的刚度和抗爆抗冲击能 力;韧带为碳玻混杂纤维钩织而成,既能大幅提高结构抗冲击效果,又能减小 结构的占用空间,提高整体结构空间利用率,总体的质量轻、成本低、易制造, 适合大规模应用。
下面通过具体的实施例对不同结构的手性负泊松比胞元及其机理进行详细 描述。
实施例1
请参阅图2和图3,图2是本发明实施例1中手性负泊松比胞元的结构示 意图,图3是本发明实施例1中手性负泊松比胞元的受压变形图,其中图2a 为胞元图,图2b为相应的参数关系图。本实施例中,每个手性负泊松比胞元中, 每一节点环与六条韧带均匀连接,且每一韧带均位于节点环的切线处,某一节 点环中心与相邻两节点环中心之间的连线所呈夹角均为60度,构成六韧带形式 的手性负泊松比胞元。根据图2a对实施例1中手性负泊松比胞元的定量关系进 行阐述,图2a中l、R、r、θ、分别为韧带长度、相邻两圆环节点间的距离、 圆环节点半径、相邻节点中心连线间的夹角、中心连线与韧带之间的夹角,并 满足关系式:R2=l2+4r2,这种六韧带形式的手性负泊松比胞元具有 旋转对称的特点,当胞元在面内围绕其中心圆环节点旋转2θ时,可与原结构 相重合,具有良好的形变特性。
实施例2
请参阅图4,图4是本发明实施例2中手性负泊松比胞元的结构示意图。 本实施例中,每个手性负泊松比胞元中,每一节点环与四条韧带均匀连接,且 每一韧带均位于节点环的切线处,某一节点环中心与相邻两节点环中心之间的 连线所呈夹角均为90度,构成四韧带形式的手性负泊松比胞元。
实施例3
请参阅图5,图5是本发明实施例3中手性负泊松比胞元的结构示意图。 本实施例中,每个手性负泊松比胞元中,每一节点环与三条韧带均匀连接,且 每一韧带均位于节点环的切线处,某一节点环中心与相邻两节点环中心之间的 连线所呈夹角均为120度,构成三韧带形式的手性负泊松比胞元。
对于上述实施例1~3中所描述的三韧带、四韧带或六韧带形式的手性负泊 松比胞元,可以实现较大的变形,各方向的泊松比值均为-1,使得各个方向的 变化量一致。以六韧带为例,六韧带手性结构在受到冲击时,各韧带将沿着圆 环节点发生顺时针旋转变形,表现出各向同性的宏观特征,随着应变的增加, 韧带紧紧缠绕在各中心节点上,逐渐向固定端延伸,最后整个部件发生变形。 手性结构在变形过程中,各韧带紧密缠绕在中心节点,圆环节点充分接触,厚 度加倍,变形困难,发生硬化;在冲击速度增强的情况下,惯性效应增强,手 性结构也表现出明显的能量吸收特性。
进一步地,在冲击速度和手性负泊松比胞元厚度的一定情况下,韧带长度 越小,韧带缠绕变形越明显,其整体的“颈缩”现象和硬化增强;增加韧带的 宽度,也会提高手性结构的稳定性。在实际应用过程中,可根据实际需求对节 点环和韧带的尺寸进行适应性调整,可显著提高手性结构吸收能量的能力,在 此不作限定。
本发明的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构在受到爆炸冲击载荷的 时候会出现三个阶段:(1)夹芯层所粘接的外板,获得冲量后加速,并且将冲 量传递给夹芯层,夹芯层的手性负泊松比胞元发生塑性变形,并且将力传递给 内板;(2)夹芯层失效,外板和夹芯层获得相同速度;(3)经过塑性弯曲和拉 伸吸能,整体密度增加,结构会一直吸收能量直至结束,可以让冲击载荷得到 充分的缓冲,减少舰船所受的伤害。
本发明还提供了一种基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构的应用,该 应用基于前述舷间抗冲击防护结构,且该基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护 结构应用于舰船舷侧抗爆抗冲击装置,其结构与性能在前文中已详细描述,在 此不做赘述。
区别于现有技术的情况,本发明提供了一种基于负泊松比效应的舷间抗冲 击防护结构及其应用,通过在夹芯层中引入阵列排布的手性负泊松比胞元,并 用低密度的缓冲填料进行填充,使在承受冲击载荷的时候于冲击方向承受压缩, 而在侧面也发生压缩,材料就会向冲击部位附近流动,进而使得结构局部密度 增大,显著提升了抵抗损伤的能力。
需要说明的是,以上各实施例均属于同一发明构思,各实施例的描述各有 侧重,在个别实施例中描述未详尽之处,可参考其他实施例中的描述。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但 并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普 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。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要 求为准。
Claims (10)
1.一种基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,包括外板、夹芯层和内板,所述外板与内板相对设置,且所述外板与内板之间通过所述夹芯层粘接;
所述夹芯层包括阵列排布的若干手性负泊松比胞元和缓冲填料,所述缓冲填料填充于所述手性负泊松比结构的间隙处;
每一所述手性负泊松比胞元均由若干节点环、若干韧带以及刚体金属填料构成,每一所述节点环与至少三条所述韧带连接,且所述节点环中均填充有所述刚体金属填料。
2.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,沿所述外板至所述内板的方向上,所述若干节点环以相互平行的若干行形式排布,且各行中节点环的半径呈逐渐递增趋势排布。
3.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,所述手性负泊松比胞元中,每一所述节点环与六条所述韧带均匀连接,且每一所述韧带均位于所述节点环的切线处。
4.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,所述手性负泊松比胞元中,每一所述节点环与四条所述韧带均匀连接,且每一所述韧带均位于所述节点环的切线处。
5.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,所述手性负泊松比胞元中,每一所述节点环与三条所述韧带均匀连接,且每一所述韧带均位于所述节点环的切线处。
6.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,所述手性负泊松比胞元和缓冲填料之间通过所述粘接材料粘接,所述粘接材料为环氧树脂。
7.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,所述外板与内板均具有凯夫拉纤维防护增强表层,所述外板和内板均通过粘接材料同所述夹芯层粘接。
8.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,所述缓冲填料为乙丙橡胶、聚氨酯中的任意一种或两种,且所述缓冲填料的密度小于1g/cm3。
9.根据权利要求1中所述的基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构,其特征在于,所述韧带由碳玻混杂纤维钩织而成。
10.一种如权利要求1~9中任一所述基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构的应用,其特征在于,所述基于负泊松比效应的舷间抗冲击防护结构应用于舰船舷侧抗爆抗冲击装置。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210409 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |