CN115854800A - 具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体结构 - Google Patents
具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体结构，属于船舶与海洋工程技术领域。本发明针对反复出入水问题中需要多次降载难题，提供一种高速入水实验研究中，具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的细长型弹体实验结构，实现一个弹性缓冲结构多次有效降低弹体所承受入水冲击力的目的；实现在高速入水问题中降低细长型弹体的主体部分所承受的瞬态冲击力的目的，达到保护弹体主体部分的外部结构和内部设备的目的；实现测量具有弹性缓冲结构的细长型弹体入水全过程冲击力的目的；实现研究具有不同力学参数的弹性缓冲器对细长型弹体入水力学特性影响的目的。
Description
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程技术领域，特别是涉及具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体结构。
背景技术
21世纪被称为是海洋的世纪，作为海上军事力量的重要组成部分，水下武器对于维护和争夺海上主权具有重要意义。水下武器不仅会引起舰艇的局部毁伤，使其丧失作战能力，严重时甚至导致舰艇折断从而完全丧失生命力。在新的国际形势下，我国发展海军水下武器装备至关重要。
当水下武器由空中发射入水，弹体高速跨介质问题由于存在着高速冲击问题、多相问题及自由液面飞溅问题等多种强非线性问题，给数值模拟带来了巨大困难，并且数值模拟参数设置对结果有较大的影响，存在着不确定性，同时，数值模拟结果的正确性和精度都有待考证。弹体在撞水阶段可能面临巨大的入水冲击载荷，当冲击环境过于恶劣时往往会引起结构损坏甚至解体。为了解决这个难题，可以通过采取隔离冲击和吸能降载等措施，对于在弹体头部采用塑性吸能材料的缓冲结构，在入水过程中仅能实现一次降载效果，并不适用于对于需要反复出入水过程中降载的情况。
鉴于上述问题，基于试验有着结果真实可信、准确可靠的优势，因此有必要进行机理性模型实验研究。
发明内容
有鉴于此，本发明针对反复出入水问题中需要多次降载难题，提供一种高速入水实验研究中，具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的细长型弹体实验结构，实现一个弹性缓冲结构多次有效降低弹体所承受入水冲击力的目的；实现在高速入水问题中降低细长型弹体的主体部分所承受的瞬态冲击力的目的，达到保护弹体主体部分的外部结构和内部设备的目的；实现测量具有弹性缓冲结构的细长型弹体入水全过程冲击力的目的；实现研究具有不同力学参数的弹性缓冲器对细长型弹体入水力学特性影响的目的。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体实验结构，包括弹性缓冲结构、连杆、缓冲器底座、转接段、冲击力测量系统容纳段、冲击力测量系统安装底座、固定螺栓和弹体尾部；所述缓冲器底座、转接段、冲击力测量系统容纳段和弹体尾部依次连接，所述冲击力测量系统容纳段内安装有冲击力测量系统，所述连杆一端固定在缓冲器底座内，另一端连接有弹性缓冲结构。
更进一步的，所述弹性缓冲结构包括缓冲件和吸能缓冲材料，所述连杆外套固有吸能缓冲材料，所述吸能缓冲材料与缓冲件连接。
更进一步的，所述吸能缓冲材料为弹簧。
更进一步的，所述缓冲件为缓冲器圆盘。
更进一步的，所述连杆通过连杆尾部固定件固定在缓冲器底座内。
更进一步的，所述转接段的另一端连接于冲击力测量系统容纳段的凸台。
更进一步的，所述冲击力测量系统容纳段末端设置有冲击力测量系统安装底座，所述冲击力测量系统通过螺栓安装于冲击力测量系统安装底座。
更进一步的，所述冲击力测量系统安装底座尾部设置有安装密封圈的密封圈凹槽。
更进一步的，所述转接段和冲击力测量系统容纳段通过固定螺栓进行固定连接。
一种具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体结构的缓冲方法，具体包括以下步骤：
(1)弹体结构在发射装置的动力作用下沿发射管向自由液面运动，同时弹体结构在发射装置的动力作用下会具有一定的加速度，当弹体结构的加速度值大于某一设定阈值后，弹载冲击力测量系统便会开始记录弹体主体部分的受力数据；
(2)随后，弹体结构射出发射管，缓冲器圆盘撞击自由液面，弹簧会受到压缩，弹体的部分动能会存储为弹簧的弹性势能，该过程中弹性缓冲结构起到吸收冲击能量，进而减缓弹体主体部分的瞬态冲击力的目的，并且，冲击后缓冲结构不会失效，达到弹体在面临多次入水冲击时缓冲结构可多次吸能降载的目的。
与现有技术相比，本发明所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体实验方法的有益效果是：
(1)、本发明所述的弹性缓冲结构在设置合理结构参数的前提下，可实现一个弹性缓冲结构多次有效降低入水冲击力的目的。
(2)、本发明具有很好的通用性和可操作性，结构简单，容易实现，操作便捷，实验效率高，弹性缓冲结构可重复使用，节约实验成本。
(3)、本发明将弹性缓冲结构与弹载力学测量系统结合，可完整记录具有弹性缓冲结构的细长型弹体入水全过程的力学特性。
(4)、本发明提供了一种具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的细长型弹体结构。对于单次发射过程中，可能面临多次入水冲击的问题，本发明可实现一个弹性缓冲结构多次有效降低入水冲击力的目的，在对缓冲结构设置合理的力学参数的前提下，入水冲击过程中弹性缓冲结构不会失效，可以起到多次吸能缓冲的作用。并实现记录弹体入水受力全过程的目的，为研究航行体入水降载力学问题提供了一种有效的技术手段。本发明结构紧凑，易于实现，在达到预期效果的同时，可以充分提高实验效率。
(5)、本发明可便捷更换弹性缓冲结构的各个部件，举例说明：缓冲器圆盘所在位置的部件可替代为，不仅限于本发明中缓冲器圆盘的构型和惯性参数的其他部件，并且弹簧同样可替代为其他类型的缓冲材料。所更换的部件可用以调整弹性缓冲结构的力学特性参数，实现研究具有不同力学参数的弹性缓冲结构入水特性问题的目的，充分掌握弹性缓冲结构对入水冲击力的影响规律和作用机理，这对入水问题的科学研究具有重要的意义。
(6)、本发明可应用于各类高速入水细长型弹体降载和冲击力测量的科研实验研究中，为掌握有效的降载缓冲结构的参数提供了一种具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体结构，用于相关的冲击实验，实现降低弹体主体部分冲击载荷进而保护设备的目的。本发明安全可靠，可充分实现研究具有不同力学参数弹性缓冲器对弹体力学特性影响的目的，一套设备可反复使用，实现成本低，操作安全简单，结构紧凑，适用于各类场地应用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体实验结构的结构示意图；
图2本发明所述的一种具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体实验结构的结构剖视图；
图3本发明所述的弹体实验结构入水冲击时缓冲器受压缩后装置的结构图；
图4本发明所述的弹体实验结构入水冲击时缓冲器受压缩后装置的A-A剖视图；
图5本发明所述的缓冲器圆盘的立体图；
图6本发明所述的缓冲器圆盘的剖视图；
图7本发明所述的连杆的结构示意图；
图8本发明所述的连杆的剖视图；
图9本发明所述的缓冲器底座的立体图；
图10本发明所述的缓冲器底座的剖视图；
图11本发明所述的转接段的结构示意图；
图12本发明所述的转接段的剖视图；
图13为本发明所述的冲击力测量系统容纳段的结构示意图；
图14为本发明所述的冲击力测量系统容纳段剖视图；
图15为本发明所述的冲击力测量系统安装底座的结构示意图；
图16为本发明所述的冲击力测量系统安装底座的剖视图；
图17为本发明所述的弹体尾部的结构示意图；
图18为本发明所述的弹体尾部的剖视图；
附图标记说明：1-缓冲器圆盘，2-弹簧，3-连杆，4-连杆尾部固定件，5-缓冲器底座，6-转接段，7-冲击力测量系统容纳段，8-冲击力测量系统安装底座，9-固定螺栓，10-弹体尾部，11-密封圈，12-第一凹槽，13-第一内螺纹，14-顶面，15-第一外螺纹，16-通孔，17-第二凹槽，18-第二外螺纹，19-第二内螺纹，20-第三外螺纹，21-第三内螺纹，22-凸台，23-密封圈凹槽，24-电池安装段，25-冲击力测量系统安装段，26-减轻槽，27-第四外螺纹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
一、具体实施方式一，参见图1-18说明本实施方式，具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体实验结构，包括弹性缓冲结构、连杆3、缓冲器底座5、转接段6、冲击力测量系统容纳段7、冲击力测量系统安装底座8、固定螺栓9和弹体尾部10；所述缓冲器底座5、转接段6、冲击力测量系统容纳段7和弹体尾部10依次连接，所述冲击力测量系统容纳段7内安装有冲击力测量系统，所述连杆3一端固定在缓冲器底座5内，另一端连接有弹性缓冲结构。
所述弹性缓冲结构包括缓冲件和吸能缓冲材料，所述连杆3外套固有吸能缓冲材料，所述吸能缓冲材料与缓冲件连接。本实施例中，所述吸能缓冲材料为弹簧2。所述缓冲件为缓冲器圆盘1。
本发明可根据实际需求调整弹簧2的刚度和缓冲器圆盘1的质量以达到合适的缓冲效果，或者也可将弹簧2替换为其他类型的吸能缓冲材料，或者也可将缓冲器圆盘1替换为其他构型。
所述连杆3通过连杆尾部固定件4固定在缓冲器底座5内。
所述转接段6的另一端连接于冲击力测量系统容纳段6的凸台22。
所述冲击力测量系统容纳段7末端设置有冲击力测量系统安装底座8，所述冲击力测量系统通过螺栓安装于冲击力测量系统安装底座8。
所述冲击力测量系统安装底座8尾部设置有安装密封圈11的密封圈凹槽23。
所述转接段6和冲击力测量系统容纳段7通过固定螺栓9进行固定连接。
如图所示，图1为本发明的结构示意图，图2本发明的结构剖视图。所述缓冲器圆盘1的第一内螺纹13连接连杆3的第一外螺纹15；所述缓冲器圆盘1开有环形凹槽12；所述连接缓冲器圆盘1的连杆3穿过弹簧2，所述连杆3穿过缓冲器底座5，连杆3的外径与缓冲器底座5上的通孔16内径基本一致，保证连杆3能够在通孔中顺畅滑动，并且连杆3在通孔径向位移非常小；弹簧2的上下端分别安置于缓冲器圆盘1和缓冲器底座5的安装凹槽内，其中弹簧2的外径与缓冲器圆盘1和缓冲器底座5的安装凹槽最大直径基本一致；将连接杆尾部固定件4安装于连杆3；缓冲器底座5的第二外螺纹18连接于转接段6一端的第二内螺纹19，转接段6的另一端内螺纹19连接于冲击力测量系统容纳段7的凸台上的第三外螺纹20；将冲击力测量系统安装于冲击力测量系统安装底座8。
冲击力测量系统安装底座8上分为电池安装段24和采集系统安装段25，并且冲击力测量系统安装底座8尾部具有安装密封圈11的密封圈凹槽23，密封圈11保证该部分具有一定的水密性，防止实验后弹体在水中时，水流入冲击力测量系统容纳段7，而造成冲击力测量系统损坏。
将安装有冲击力测量系统的冲击力安装底座8通过冲击力测量系统容纳段7的末端，放置于冲击力测量系统容纳段7的内部；将弹体尾部10安装于冲击力测量系统容纳段7的末端；固定螺栓9与冲击力测量系统容纳段7通过螺纹连接，拧紧固定螺栓9，保证冲击力测量系统与弹体主体部分的刚性连接。
本发明所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体实验结构的安装及使用过程：
本发明在实际使用过程中，根据实验需求确定弹体几何尺寸及入水的速度需求，确定冲击力测量系统容纳段7的外径，进而确定缓冲器底座5、转接段6、冲击力测量系统安装底座8、弹体尾部10的外径以及密封圈11的尺寸；根据所研究中所关注的具体问题，确定缓冲器圆盘1的尺寸和弹簧2的尺寸，并根据弹簧2的外径确定缓冲器圆盘1凹槽的最大直径；同时，结合弹簧2的长度和内径，确定连杆3的外径和长度，进而确定缓冲器圆盘2的第一内螺纹型号和连杆尾部固定件4的内螺纹型号，以及缓冲器底座5通孔的直径。
此外，特别需要关注连杆3的长度。首先，连杆3的长度需要满足弹簧2不出现压缩；并且，保证在实验过程中弹簧2在被完全压缩的情况下，连杆3的末端不会与固定螺栓9发生碰撞，同时也要尽量减小连杆3尾部与连杆尾部固定件4间连杆3部分的长度。基于上述条件，进而确定转接段6的长度。若发生碰撞会对冲击力测量系统所采集的实验数据造成干扰。根据连杆3的外径和缓冲器底座5外径确定缓冲器底座5外螺纹和转接段6的第二内螺纹19型号，进而确定冲击力测量系统容纳段7凸台外螺纹的型号，进而确定固定螺栓9的型号。综合上述内容，将各个部件组合为本发明所述的实验弹体。
本发明所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力测量系统的高速入水弹体实验结构的缓冲方法：
图3为弹体入水冲击时缓冲器受压缩后装置的结构图。
(1)弹体结构在发射装置的动力作用下沿发射管向自由液面运动，同时弹体在发射装置的动力作用下会具有一定的加速度，当弹体主体部分的加速度值大于某一设定阈值后，弹载冲击力测量系统便会开始记录弹体主体部分的受力数据。
(2)随后，弹体结构射出发射管，缓冲器圆盘1撞击自由液面。由于弹体主体部分和缓冲器圆盘1是通过弹簧2和连杆3进行连接的，因此在缓冲器圆盘1受到冲击力后，二者间会产生相对位移，因此弹簧2会受到压缩，弹体的部分动能会存储为弹簧2的弹性势能。该过程中弹性缓冲结构起到吸收冲击能量，进而减缓弹体主体部分的瞬态冲击力的目的，并且，冲击后缓冲结构不会失效，达到弹体在面临多次入水冲击时缓冲结构可多次吸能降载的目的。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：包括弹性缓冲结构、连杆(3)、缓冲器底座(5)、转接段(6)、冲击力测量系统容纳段(7)、冲击力测量系统安装底座(8)、固定螺栓(9)和弹体尾部(10)；所述缓冲器底座(5)、转接段(6)、冲击力测量系统容纳段(7)和弹体尾部(10)依次连接，所述冲击力测量系统容纳段(7)内安装有冲击力测量系统，所述连杆(3)一端固定在缓冲器底座(5)内，另一端连接有弹性缓冲结构。
2.根据权利要求1所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：所述弹性缓冲结构包括缓冲件和吸能缓冲材料，所述连杆(3)外套固有吸能缓冲材料，所述吸能缓冲材料与缓冲件连接。
3.根据权利要求2所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：所述吸能缓冲材料为弹簧(2)。
4.根据权利要求2所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：所述缓冲件为缓冲器圆盘(1)。
5.根据权利要求1或2所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：所述连杆(3)通过连杆尾部固定件(4)固定在缓冲器底座(5)内。
6.根据权利要求1或2所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：所述转接段(6)的另一端连接于冲击力测量系统容纳段(7)的凸台。
7.根据权利要求6所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：所述冲击力测量系统容纳段(7)末端设置有冲击力测量系统安装底座(8)，所述冲击力测量系统通过螺栓安装于冲击力测量系统安装底座(8)。
8.根据权利要求4所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：冲击力测量系统安装底座(8)尾部设置有安装密封圈(11)的凹槽，密封圈(11)安装在密封圈凹槽(23)内。
9.根据权利要求1所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构，其特征在于：所述转接段(6)和冲击力测量系统容纳段(7)通过固定螺栓(9)进行固定连接。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的具有弹性缓冲结构和瞬态冲击力数据测量系统的高速入水弹体结构的缓冲方法，其特征在于：
(1)弹体结构在发射装置的动力作用下沿发射管向自由液面运动，同时弹体结构在发射装置的动力作用下会具有一定的加速度，当弹体结构的加速度值大于某一设定阈值后，弹载冲击力测量系统便会开始记录弹体主体部分的受力数据；
(2)随后，弹体结构射出发射管，缓冲器圆盘(1)撞击自由液面，弹簧(2)会受到压缩，弹体的部分动能会存储为弹簧(2)的弹性势能，该过程中弹性缓冲结构起到吸收冲击能量，进而减缓弹体主体部分的瞬态冲击力的目的，并且，冲击后缓冲结构不会失效，可达到弹体在面临多次入水冲击时缓冲结构可多次吸能降载的目的。
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