CN114810893A - 一种组装式预应力型抗侵彻防护结构 - Google Patents

一种组装式预应力型抗侵彻防护结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种组装式预应力型抗侵彻防护结构，其包括多个组元结构；所述组元结构包括陶瓷片、弹簧、金属套筒、螺钉孔、大螺钉、小螺钉和金属边框；处于正中心的所述陶瓷片通过周围每条边上均匀分布的多个所述弹簧与外部的金属边框相连；所述金属套筒设置在所述弹簧外部，用于限制所述弹簧并提供承载能力；所述大螺钉用于实现所述弹簧的预应力的调节；各个所述组元结构之间通过所述小螺钉的连接进行组装。本发明在达到轻量化、机动性和可修复性目的的同时使防护装置仍能够保持很高的强度以及承载能力，尤其是在高速的动态冲击条件下防护结构的强度达到要求，并且能够大大提升材料的利用率。

Description

一种组装式预应力型抗侵彻防护结构
技术领域
本发明属于高速冲击下的防护结构领域，具体涉及一种组装式预应力型抗侵彻防护结构。
背景技术
目前最典型陶瓷复合防护结构是以陶瓷为面板、以复合材料为背板胶粘而成的多层复合结构。陶瓷强度的提升对增强防护结构抗冲击性能有决定性作用。但是，陶瓷性能提升带来脆性的增加则不利于运动中的防护结构。为了提高防护结构的抗冲击性能，实现现代轻量化和高韧性的要求，需要优化复合结构来提高能量耗散效率。由于目前陶瓷材料和复合材料的抗冲击性能已经接近极限，因此需要采用新的观念设计出发明结构，使得陶瓷复合防护结构不仅质量轻，而且抗冲击性能优良。同时，目前陶瓷防护结构采用的是披挂技术，它的缺点是耗时长、机动性差。
发明内容
为了在达到轻量化、机动性和可修复性目的的同时使防护装置仍能够保持很高的强度以及承载能力，尤其是在高速的动态冲击条件下防护结构的强度达到要求，并且能够大大提升材料的利用率，本发明提供一种组装式预应力型抗侵彻防护结构。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种组装式预应力型抗侵彻防护结构，包括多个组元结构，所述多个组元结构拼合成一个结构平面，所述结构平面设置在后方的实心平板上；所述组元结构包括陶瓷片、弹簧、金属套筒、螺钉孔、大螺钉和金属边框；处于正中心的所述陶瓷片通过其周围每条边上均匀分布的多个所述弹簧与外部的金属边框相连；所述组元结构的整体和所述陶瓷片属于中心轴对称图形；所述金属套筒设置在所述弹簧的外部，用于限制所述弹簧并提供承载能力；多个所述大螺钉分别与每个所述弹簧的底部连接，用于实现所述弹簧的预应力的调节；所述弹簧和金属边框采用高强度的钢材，所述陶瓷片采用高硬度的陶瓷材料；各个所述组元结构之间通过所述小螺钉的连接进行拼合。
进一步地，所述弹簧与陶瓷片采用先将两者连接部分的陶瓷区域进行金属化，涂上一层膏，经一定温度烧结，在陶瓷上结合成一薄层金属，然后将需要连接的金属钎焊。
进一步地，通过添加所述弹簧的初始预应力来实现所述的组装式预应力型抗侵彻防护结构的强度的提升，其中，所述初始预应力的大小利用所述大螺钉的松紧来进行调节。
进一步地，所述组元结构的整体和所述陶瓷片为正六边形。
进一步地，所述膏由金属粉加低温玻璃粉组成。
进一步地，所述金属粉为银、金、铌或钯粉。
有益效果：
为了使防护结构满足轻量化和高强度的要求，并使其具有好的机动性和可修复性，本发明应用预应力弹簧与陶瓷以及金属边框组合形成防护基元；应用防护基元进行组装形成整体的防护结构。此结构中，预应力弹簧的应用不仅可以降低结构的面密度，而且通过预应力的施加将陶瓷和相关结构的应力状态从一维改变为三维应力状态，同时实现了轻量化和高强度特性；防护基元的应用则提升了此防护结构的可修复性和机动性。本发明主要是通过对抗侵彻防护结构的组元进行设计来达到上述所说的效果，该组元的设计中考虑了蜂窝结构的优点，它整体的形状是一个六边形，外部是金属边框，内部的主体是一些弹簧和处于中心的陶瓷材料，陶瓷和边框通过弹簧来完成连接。
附图说明
图1为本发明的组元结构示意图；
图2为本发明的组元结构平面图；
图3为本发明的防护结构示意图。
其中，1,2,3,4,5,6-弹簧，7-陶瓷片，8-金属边框、11、12-小螺钉，9-金属套筒，10-大螺钉，13-后方的实心平板，14-结构平面，15-组元结构，N-组元结构数目。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-3所示，本发明的组装式预应力型抗侵彻防护结构由多个组元结构15组成。所述多个组元结构15拼合成一个结构平面14，所述结构平面14设置在后方的实心平板13上。所述组元结构15包括陶瓷片7、弹簧1,2,3,4,5,6、金属套筒9、螺钉孔、大螺钉10和金属边框8。处于正中心的所述陶瓷片7通过周围每条边上均匀分布的弹簧1,2,3,4,5,6与外部的金属边框8相连。所述组元结构15的整体和所述陶瓷片7属于中心轴对称图形，优选为正六边形。所述金属套筒9设置在所述弹簧1,2,3,4,5,6的外部，用于限制所述弹簧1,2,3,4,5,6并提供承载能力。所述大螺钉10连接所述弹簧1,2,3,4,5,6的底部，其主要功能是能够实现弹簧预应力的调节，以此来达到所需要的数值。所述弹簧1,2,3,4,5,6和外沿的金属边框使用的都是强度较高的钢材，中心的陶瓷片7使用的是硬度很高的陶瓷材料。所述弹簧1,2,3,4,5,6与中心的陶瓷片7可以采用先将两者连接部分的陶瓷区域进行金属化，涂上一层专门配制的膏，经一定温度烧结，在陶瓷上结合成一薄层金属，然后把要连接的金属钎焊。所述膏一般是由金属粉如银、金、铌、钯等加低温玻璃粉组成。所述金属套筒9与陶瓷片7的连接方式也可以如此。而所述金属套筒9与金属边框是采用焊接的方式连接。各个组元结构15之间可以通过小螺钉11,12的连接来进行组装，其他金属边框上相同的位置也是同样的小螺钉。
本发明的组装式预应力型抗侵彻防护结构通过把多个组元结构15合并，组成一个非常大的平面，大致的模样和形状如图2所示，组元结构15的数量根据平面的大小决定。然后与一个后方的实心平板13进行组合，形成一个完备的抗冲击的防护结构。所述后方的实心平板13的材料可以是钢材或者是高强度的碳纤维等的材料。所述组装式预应力型抗侵彻防护结构的整体结构的侧视图如图3所示，其中显示出由多个组元结构15组成的结构平面14。
本发明的工作原理为：
本发明主要是通过添加初始预应力来实现结构强度的提升，其中预应力的大小可以根据需要利用大螺钉10的松紧来进行调节。对于单个的组元结构15来说，每个组元结构15中的弹簧1,2,3,4,5,6都会施加上一定数值大小的预应力，例如100MPa。其中弹簧1,2,3,4,5,6的尺寸从以下数据进行设计：
具体的尺寸参数有弹簧外径D1、内径D2、中径D、节距d1、弹簧丝的直径d2、螺旋升角α以及弹簧的自由长度H。假设确定了弹簧外径D1以及节距d1和弹簧丝的直径d2：
其中，D2＝D1-d2，
Figure BDA0003619598780000031
大致的尺寸关系如上述表达式，根据弹簧设计标准：α的取值范围为5°～9°。
所述大螺钉10的螺纹的尺寸的与弹簧1,2,3,4,5,6的外径D1相等。
处于中心的陶瓷片7是脆性材料，所述弹簧1,2,3,4,5,6上施加的预应力作用在陶瓷片7上能够提升它的承载能力，弹簧1,2,3,4,5,6本身预应力的存在也会使自身强度得到提升。
预应力与弹簧的压缩量的关系：在弹性范围内，预应力的大小与压缩量成正比，根据弹簧设计规范中的要求：
Figure BDA0003619598780000041
其中：G是横弹性系数；N是有效圈数；D是弹簧的中径；d是材料直径；P是压缩弹簧中的力；δ为压缩的弹簧位移量；K为应力修正系数。
本发明通过利用多个组元结构15组成一个大的平面，对于由多个组元结构15组成平面(如图2所示)，弹簧1,2,3,4,5,6上添加的初始应力不仅能够提升陶瓷片7和弹簧1,2,3,4,5,6本身的强度，而且因为多个组元结构15的存在，金属边框8不仅受到了所述组元结构15的应力作用，而且还受到相邻组元结构内的所述弹簧1,2,3,4,5,6的预应力作用，所以，金属边框8的强度也会得到提升。弹簧1,2,3,4,5,6中施加的预应力对于钢材和陶瓷强度提升表达式如下：
六边形的金属边框8受到单向的作用力，应力的大小为
Figure BDA0003619598780000042
根据材料的破坏形式——剪切破坏，根据等效剪应力公式：
Figure BDA0003619598780000043
其中，没有预应力的情况下：σ2＝σ3＝0,等效剪应力为：
Figure BDA0003619598780000044
对于钢材：受到单向的力作用，即σ2不为零,等效剪应力为：
Figure BDA0003619598780000045
对于陶瓷片：σ2、σ3均不为零,等效剪应力为：
Figure BDA0003619598780000046
强度的提升可以根据最大等效剪应力进行计算：
Figure BDA0003619598780000047
其中，σ1、σ2、σ3分别是三个主应力方向上的应力，η是相应结构的强度提升率。
因此，本发明的组装式预应力型抗侵彻防护结构整体的每个部分都会因为受到预应力的作用效果而提升自身的强度。弹簧1,2,3,4,5,6本身除了起到提升结构强度的作用，还有一个作用就是和金属套筒9一起起到承载的作用。当受到来自正面的高速冲击时，平面上数量最多的弹簧和相应的金属套筒9也是防护结构承受冲击载荷的重要部分。同时本发明考虑了减少材料使用率的要求，达到了使结构更加轻量化的目的，这一点可以从结构的面密度大小进行体现。这里我们假设弹簧1,2,3,4,5,6的单个质量为M弹，金属套筒9的质量设为M筒，图中的螺钉有大小两种，这里将大螺钉10的质量设为MA，小螺钉11,12的质量设为MB，金属边框8的质量为M。则面密度的计算公式为：
Figure BDA0003619598780000051
其中：S为单个组元所对应的平面面积，n为构成平面的组元结构个数。这里用相对应形状的实心钢板来进行对比，假设钢板的面密度为ρ。我们可以得到密度的降低率为：
Figure BDA0003619598780000052
本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种组装式预应力型抗侵彻防护结构，其特征在于：包括多个组元结构，所述多个组元结构拼合成一个结构平面，所述结构平面设置在后方的实心平板上；所述组元结构包括陶瓷片、弹簧、金属套筒、螺钉孔、大螺钉和金属边框；处于正中心的所述陶瓷片通过其周围每条边上均匀分布的多个所述弹簧与外部的金属边框相连；所述组元结构的整体和所述陶瓷片属于中心轴对称图形；所述金属套筒设置在所述弹簧的外部，用于限制所述弹簧并提供承载能力；多个所述大螺钉分别与每个所述弹簧的底部连接，用于实现所述弹簧的预应力的调节；所述弹簧和金属边框采用高强度的钢材，所述陶瓷片采用高硬度的陶瓷材料；各个所述组元结构之间通过所述小螺钉的连接进行拼合。
2.根据权利要求1所述的组装式预应力型抗侵彻防护结构，其特征在于：所述弹簧与陶瓷片采用先将两者连接部分的陶瓷区域进行金属化，涂上一层膏，经一定温度烧结，在陶瓷上结合成一薄层金属，然后将需要连接的金属钎焊。
3.根据权利要求1所述的组装式预应力型抗侵彻防护结构，其特征在于：通过添加所述弹簧的初始预应力来实现所述的组装式预应力型抗侵彻防护结构的强度的提升，其中，所述初始预应力的大小利用所述大螺钉的松紧来进行调节。
4.根据权利要求1所述的组装式预应力型抗侵彻防护结构，其特征在于：所述组元结构的整体和所述陶瓷片为正六边形。
5.根据权利要求2所述的组装式预应力型抗侵彻防护结构，其特征在于：所述膏由金属粉加低温玻璃粉组成。
6.根据权利要求5所述的组装式预应力型抗侵彻防护结构，其特征在于：所述金属粉为银、金、铌或钯粉。
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