CN116080846A

CN116080846A - 一种柔性防护装置

Info

Publication number: CN116080846A
Application number: CN202310189061.6A
Authority: CN
Inventors: 巨圆圆; 张磊; 杜志鹏; 刘海燕; 李茂�
Original assignee: Chinese People's Liberation Army 92942 Army
Current assignee: Chinese People's Liberation Army 92942 Army
Priority date: 2023-02-22
Filing date: 2023-02-22
Publication date: 2023-05-09

Abstract

本申请提供了一种柔性防护装置，涉及防护技术领域，包括：正方形的柔性网索和四个预储能扭簧；在正方形的柔性网索的四个边角处分别设置一个预设边长的正方形缺口，所述柔性网索的每个边向内卷起预设边长的长度并通过一个预储能扭簧固定；所述柔性网索由凯夫拉纤维布和其上覆盖的多个弹性板组成。本申请的柔性防护装置基于凯夫拉等高强纤维材料抗拉强度高的特性，利用扭簧类机构将其张紧在重要船舱舷侧外板内壁，使来袭物被网索始终兜住，不能穿透，最终将其反弹回去，避免进入船体，该装置具有轻量化和价格低廉的优点。

Description

一种柔性防护装置

技术领域

本申请涉及船舶防护技术领域，尤其是涉及一种柔性防护装置。

背景技术

目前，船舶传统的防护技术需要占用很大的舱室空间和重量，经济代价也很高。而且，由于船舶总尺度与吨位总体资源的限制，传统的防护技术无法对来袭物进行有效防护。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种的柔性防护装置，以解决上述技术问题。

本申请实施例提供了一种柔性防护装置，包括：正方形的柔性网索和四个预储能扭簧；在正方形的柔性网索的四个边角处分别设置一个预设边长的正方形缺口，所述柔性网索的每个边向内卷起预设边长的长度并通过一个预储能扭簧固定；所述柔性网索由凯夫拉纤维布和其上覆盖的多个弹性板组成。

进一步地，所述柔性网索的凯夫拉纤维布的强度不小于2GPa。

进一步地，所述柔性网索的凯夫拉纤维布的厚度为0.01m。

进一步地，所述柔性网索的最大变形量的计算步骤包括：

根据牛顿第二定律，柔性网索和来袭物之间的运动方程为：

其中，M为来袭物的质量；W为柔性网索的变形长度；σ为柔性网索的最大抗拉强度；A为柔性网索的未卷入预储能扭簧的凯夫拉纤维布的横截面积；α为柔性网索的变形角度；t为来袭物进入柔性网索的时刻；

其中，柔性网索的变形角度α的正弦函数为：

其中，L为柔性网索的未卷入预储能扭簧的凯夫拉纤维布的横向长度的一半；

运动方程的初始条件为：

其中，V₀为来袭物入射船体舷侧外板的速度；

运动方程的终结条件为：

对运动方程进行数值积分，得到来袭物速度降为0时，t_f时刻柔性网索的最大变形量W_f。

进一步地，当柔性网索的未卷入预储能扭簧的凯夫拉纤维布的边长为5m时，则向内卷入一个预储能扭簧的凯夫拉纤维布的长度为1m，所述预储能扭簧的直径为0.3m。

进一步地，所述弹性板在横纵方向上均匀布设在未卷入预储能扭簧的凯夫拉纤维布上。

进一步地，所述弹性板的厚度为0.1m，边长为0.5m。

进一步地，所述弹性板和纤维布在变形过程中的所受拉力始终小于其材料抗拉强度。

本申请的柔性防护装置基于凯夫拉等高强纤维材料抗拉强度高的特性，利用扭簧类机构将其张紧在重要船舱舷侧外板内壁，使来袭物被网索始终兜住，不能穿透进入船体内部，最终将其反弹回去，由此实现拦截防护目的；该装置具有轻量化、价格低廉的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的柔性防护装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的柔性网索对来袭物动能吸收理论示意图；

图3为本申请实施例提供的柔性网索动能吸收与变形曲线示意图；

图4为本申请实施例提供的弹性板剪切增强理论模型示意图；

图5为本申请实施例提供的弹性板弯曲变形示意图；

图6为本申请实施例提供的预储能扭簧示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。

针对目前船舶防护能力较弱的技术问题，本申请基于预应力弦振动和应力波传导理论基础，结合预储能材料与复合结构的能量平衡、转化与吸收机制，提出了一种的柔性防护装置，由柔性预储能网索组合形成，力求实现高效防护。

如图1所示，本申请实施例提供了一种柔性防护装置，包括：柔性网索，柔性网索贴在舷侧外板内侧，四个边通过预储能扭簧固定在船体上，当来袭物穿透外板后与柔性网索发生碰撞，网索被拉紧，四边扭簧扭转，拉出预存的网索，使其能始终兜住来袭物，使来袭物速度最终降为0。随后，扭簧反转，网索收紧，将来袭物再反弹出船体外。

凯夫拉高强度纤维布覆盖以弹性板形成柔性网索，依此构成柔性被动式防护技术的最小化能量转化和吸收单元；并通过该最小化单元多种结构组合(如正交排布、编织等构型)和材料搭配构成具备一定防护面积的结构系统。当来袭物冲击该防护结构时，冲击能量被转化为纤维布内能和四边拉紧的扭簧储能，可实现对来袭物有效拦截，大幅度减低对船舶的破坏能力。

本申请的柔性网索结构具有较低的面外刚度，在受到冲击时更可充分发挥纤维拉伸强度高的特性，通过大范围的弹性形变进行能量转换和能量耗散，该装置具有原创性、轻量化、价格低廉等特点。

本申请提出了柔性膜应力吸收来袭物动能的理论。以此为基础，针对柔性网索易被来袭物冲击剪切断裂等问题，提出了弹性板剪切增强理论、弹性板弯曲变形理论和预储能网索理论等，以说明本申请的科学性和原理的可行性，并为进一步的研究提供基础支撑。

1.柔性膜应力动能吸收理论

柔性网索具有膜应力动能吸收能力，如图2所示。质量为M的来袭物以速度V₀击中总长度为2L的柔性网索中间弹性板上，使网索产生了W的变形。

根据牛顿第二定律建立网索和来袭物的运动方程为：

式中，σ为柔性网索极限抗拉强度(单位Pa)；A为柔性网索横截面积(单位为m²)；α为柔性网索变形角度；

根据几何关系，柔性网索的应变∈为：

网索夹角α的正弦函数为：

引入运动初始和终结条件：

来袭物速度降为0时，t_f时刻柔性网索的最大变形量W_f。

将运动方程进行数值积分得到无量纲动能与无量纲变形之间的关系如图3所示，随着来袭物无量纲动能的增大，柔性网索的变形也随之增加。举一个示例进行说明：对于200kg来袭物，以250m/s速度入射船体舷侧外板。舷侧外板高度L＝2.5m，外板内侧敷设了一层厚度为0.01m的柔性网索，阻挡了来袭物的进一步破坏。柔性网索由凯夫拉纤维布制成，抗拉强度为2GPa。其受力横截面保守估计为0.75*0.01m²。由上述参数计算得到无量纲动能为0.16，对应的无量纲变形为0.4，也就是柔性网索实际变形为1m。也就是说理论上，如果凯夫拉制成的柔性网索能够在被击中后不破碎，而且持续以其最大抗拉强度兜住来袭物使其不断减速的话，则来袭物只能进入1m(最大变形量)，速度就降为0。

2.弹性板剪切增强理论

上述柔性网索通过膜应力吸收来袭物动能的理论一个前提是柔性网索不破裂。然而来袭物撞击到柔性网索上时是一个集中载荷，就像用针扎布，很容易扎破。纤维类的材料最怕剪切，因为是各向异性材料，抗剪性能最低。凯夫拉的抗拉强度约2GPa，而剪切强度只有100MPa，相差20倍。因此要实现柔性网索膜应力动能吸收理论，必须提高抗剪性能。本申请提出了弹性板，将集中载荷受力面积增大，增强柔性网索抗剪切性能，如图4所示。

弹性板在来袭物撞击下通过增加柔性网索的受力面积避免局部剪切破裂。对于直径为D、质量为M、速度为V₀的来袭物，基于能量守恒，推导出撞击柔性网索时的平均冲击力F为：

式中，V_f是剩余速度，W为撞击过程的行程。如果来袭物直接撞击柔性网索，则对其造成的剪切应力τ为：

式中，h为柔性网索厚度；如果来袭物撞击边长为B、厚度为H的正方形弹性板，则弹性板上的剪切应力τ为：

由于H>>h，因此弹性板上的剪切应力足够小，可确保弹性板不破坏。由于弹性板代替柔性网索承受了剪切力，将局部撞击载荷变为大面积的压力载荷，此时柔性网索基本不再承受剪切应力。

以下用一个示例说明上述剪切增强理论的意义：直径D＝0.35m，M＝200kg的来袭物，以V₀＝250m/s速度入射柔性网索，如果要在柔性网索变形W＝1m时使其剩余速度V_f降为0，则来袭物对网索的平均冲击力F＝6.25MN。如果直接撞击柔性网索，则对网索的剪切应力为570MPa，远超过凯夫拉纤维抗剪强度100MPa，因此网索必然被剪切破坏失去效果。如果来袭物撞击在厚度0.1m边长为0.5m的弹性板上，则对弹性板造成的剪切应力为45MPa，远小于凯夫拉的剪切强度100MPa，因此弹性板本身不会破坏。

3.弹性板弯曲变形理论

弹性板虽然自身厚度较大，不会被剪切破坏，但如果以其它的模式破坏也不起作用，比如弯曲破坏或者周围的柔性网索被弹性板传递而来的剪切力破坏。这就要求弹性板既不能太大，也不能太小。太大的话容易弯曲破坏，太小的话传递给周围柔性网索的剪切力还是太大，容易剪切破坏。

建立弹性板的力学模型如图5所示。弹性板两端被柔性网索拉住，因此可近似为简支边界。

以下用一个示例说明上述弹性板弯曲变形理论的意义：质量M＝200kg的来袭物，以V₀＝250m/s速度撞击厚度H＝0.1m、边长B＝0.5m的弹性板，弹性板以受压为主，因此取凯夫拉受压强度σ＝460MPa，计算得到弹性板的弯曲变形W_f＝0.18m，弯曲变形比其厚度0.1m略高，即可保持完整性不被穿透，又可形成一定的角度使两端柔性网索不再受剪切力，而是以凯夫拉纤维最擅长的拉伸状态承受来袭物冲击。

4.预储能网索理论

柔性膜应力动能吸收理论的一个假设是网索始终以不超过其抗拉强度的膜应力兜住来袭物，持续吸收其动能，直至变形达到1m量级时才能将来袭物速度降为0。但对于一个边界固定约束的网索来说，受到来袭物的碰撞后开始变形，边界会越来越紧，根本不可能变形那么大，也就无法持续利用膜应力吸收来袭物动能。为此本申请提出了预储能网索理论，将网索预先通过扭簧卷在四边，受碰撞后被拉出，其张紧应力低于凯夫拉纤维抗拉强度，如图6所示；对于L＝2.5m的柔性网索，如需变形W＝1m才能兜住来袭物，则网索伸长量为0.2m，所需的预储能网索长度约为1m，扭簧直径约为0.3m。

在柔性网索兜住来袭物后，如果任其留在船体内仍会对船舶造成一定损伤，因此最好能将其反弹到船体外部。此时需要预储能扭簧具有足够的势能，也需要来袭物以较好的姿态反向撞击外板。

预储能扭簧将在弹力作用下反向运动，绷紧网索，将来袭物弹出船体外。假设预储能扭簧总体的储能与释放效率为50％，则来袭物的弹出速度为入射速度的50％，即125m/s。根据下述计算公式计算反弹时能否穿透船体外板飞出去：

式中，v_b为极限穿透速度，m/s；K为系数，通常取2400；d为来袭物直径，单位为分米；b为钢板厚度，取值为0.1分米。

本申请的装置基于凯夫拉等高强纤维材料抗拉强度高的特性，利用扭簧类机构将其张紧在重要舱室舷侧外板内壁，使来袭物被网索始终兜住，不能穿透，最终将其反弹回去。该结构力求将外部的局部冲击转变为结构整体响应，利用大变形将冲击能量转变为材料内部应变能，同时使冲击能量与预应力储能相互叠加耗散，实现拦截防护目的，具有轻量化、价格低廉的特点。

在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。

如图1所示，本申请实施例提供了一种的柔性防护装置，包括：正方形的柔性网索和四个预储能扭簧；在正方形的柔性网索的四个边角处分别设置一个预设边长的正方形缺口，所述柔性网索的每个边向内卷起预设边长的长度并通过一个预储能扭簧固定；所述柔性网索由凯夫拉纤维布和其上覆盖的多个弹性板组成。

优选的，所述柔性网索通过多个预储能扭簧固定在舷侧外板的内侧。

优选的，所述柔性网索的凯夫拉纤维布的强度不小于2GPa。

优选的，所述柔性网索的凯夫拉纤维布的厚度为0.01m。

所述柔性网索的最大变形量的计算步骤包括：

根据牛顿第二定律，柔性网索和来袭物之间的运动方程为：

其中，柔性网索的变形角度α的正弦函数为：

运动方程的初始条件为：

其中，V₀为来袭物入射船体舷侧外板的速度；

运动方程的终结条件为：

当柔性网索的未卷入预储能扭簧的凯夫拉纤维布的边长为5m时，则向内卷入一个预储能扭簧的凯夫拉纤维布的长度为1m，所述预储能扭簧的直径为0.3m。

优选的，所述弹性板在横纵方向上均匀布设在未卷入预储能扭簧的凯夫拉纤维布上。

优选的，所述弹性板的厚度为0.1m，边长为0.5m。

优选的，所述弹性板的材料为凯夫拉纤维布，其强度大于所述柔性网索的凯夫拉纤维布的强度。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。