CN117966998A - 一种抗冲击防护地板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗冲击防护地板，涉及爆破冲击条件下的人员及设备保护技术领域。抗冲击防护地板包括面板和设置在面板下方的隔振器，隔振器为一端密封另一端开口的空心结构，包括顶板和腹板，腹板的一端和顶板连接，另一端和支撑基座连接，腹板为高回弹性材料，顶板设置在面板的下方。腹板的屈曲载荷临界值Fc大于防冲击物体静载Fm，腹板为变厚度结构。利用腹板的结构状态改变产生变刚度效果，可吸收爆破冲击环境下从支撑基座传递到人员下肢的冲击。在正常情况下，隔振器不产生明显变形；受到爆破冲击时，地板瞬间冲击值Ft大于屈曲载荷临界值Fc，腹板发生屈曲变形，降低隔振器的动刚度，提高缓冲吸能的效果。外部冲击消失后，腹板回弹至初始位置。

Description

一种抗冲击防护地板

技术领域

本发明涉及爆破冲击条件下的人员及设备保护技术领域，特别涉及一种抗冲击防护地板。

背景技术

冲击波会导致船体、车身产生剧烈的冲击振动，若不采取有效的冲击防护措施，外部冲击载荷传递到舱室地板，会给舱室中的工作人员及设备带来严重损伤，在一定时间内不能恢复正常工作，甚至危及人员生命安全。另一方面，在进行爆破冲击试验时，为了保护附近的观测人员，需要搭建临时工作房间并设置抗冲击地板，避免爆炸冲击波对人员和设备造成损害，试验后还要求及时拆除抗冲击地板。面对以上情况，国内外设计了一些防冲击防护装置，主要用于车内、爆炸试验场等可能产生剧烈冲击的环境。

现有技术中，公开号CN113911214A提供了一种防爆炸冲击主动防御地板，乘员座椅下方车厢底部设有冲击力吸收组件，感应到爆炸信号后通过泄压阀排出气囊中的空气，引起悬浮地板下落来抵消部分冲击和加速度，这种主动防御地板需要安装主动控制系统，系统复杂度高且不便安装。CN209857762U设计了一种车辆防雷胶垫，通过缓冲来自地板的冲击，分散爆炸能量从而降低人员伤害，其整体抗冲击性能有限。综上看出，目前已有的抗冲击防护装置按照防护原理主要分为被动隔振和主动控制隔振两种，被动隔振在工作范围内隔振器刚度基本不变，隔振器简单但抗冲击效果一般，同时结构发生变形的位置不可控。主动控制隔振可自适应调整隔振器刚度，防护振性能良好但装置复杂且造价较高。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种抗冲击防护地板，利用隔振器结构状态改变产生变刚度效果，结构简单，在静态时起到稳定支撑作用，在受到冲击时能提供良好的抗冲击保护作用，同时可根据具体使用场景在特定位置发生弯曲变形。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种抗冲击防护地板，安装在支撑基座上，所述抗冲击防护地板包括面板和设置在面板下方的隔振器，所述隔振器为一端密封另一端开口的空心结构，所述隔振器包括顶板和腹板，所述隔振器的密封端为顶板，所述腹板的一端和顶板连接，另一端和支撑基座连接，所述腹板为高回弹性材料，所述顶板设置在面板的下方。利用面板提供承载和支撑分散作用。利用腹板的结构状态改变产生变刚度效果，可吸收爆破冲击环境下从支撑基座传递到人员下肢的冲击，从而降低人员及设备的损伤。所述腹板的屈曲载荷临界值为Fc，所述屈曲载荷临界值Fc大于防冲击物体静载Fm，所述腹板为变厚度结构。在正常情况下，抗冲击防护地板的整体静刚度能满足人体承载重量或设备重量，并提供良好的支撑性能，隔振器不产生明显变形；在受到爆破冲击时，地板瞬间冲击值Ft大于屈曲载荷临界值Fc，腹板发生屈曲变形，显著降低隔振器的动刚度，从而提高缓冲吸能的效果。当外部冲击消失后，腹板回弹至初始位置。通过变厚度设计，抗冲击防护地板具有定位屈服能力，使得在爆破冲击时腹板在目标位置发生屈服。

进一步的，所述腹板选用橡胶、聚氨酯材料中的任意一种，便于受到冲击时发生屈曲变形，并在外部冲击消失后，腹板回弹至初始位置。

进一步的，所述隔振器设置多个，所述隔振器密封端在面板上的投影面积大于开口端在面板上的投影面积。使隔振器为上小下大的结构，便于将多个隔振器堆叠放置，方便存放及运输。

进一步的，所述顶板和面板通过预埋螺栓连接，方便隔振器和面板的安装和拆卸，在进行完爆破冲击试验后，快速将抗冲击防护地板进行拆除和收纳。

进一步的，所述顶板和腹板单独成型或一体成型。优选的，所述顶板和腹板一体成型，便于加工制造，并提高顶板和腹板的连接稳定性。

进一步的，所述抗冲击防护地板设置多个，相邻面板通过卡扣、胶粘中的任意一种方式连接。将多个抗冲击防护地板铺设在易发生冲击振动的地方，减少人员和/或设备受到的冲击，保护人员的安全性。

相对于现有技术，本发明所述的一种抗冲击防护地板具有以下优势：

（1）本发明的抗冲击防护地板具有高静刚度和低动刚度的特点，在正常情况下，能对抗冲击物体提供良好的支撑，在发生爆破冲击时，可以提升在冲击载荷下的隔振量，起到缓冲保护的作用；

（2）本发明的抗冲击防护地板的腹板采用变厚度的薄壁结构，具有定位屈服能力，可以使隔振器在爆炸冲击下，腹板在目标位置发生屈服；

（3）本发明的抗冲击防护地板设置多个隔振器，且多个隔振器可堆叠放置，方便存放及运输；

（4）本发明的抗冲击防护地板的腹板采用高回弹性材料制作，外部冲击消失后，腹板可回弹至初始位置。

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抗冲击防护地板的结构示意图；

图2为本发明所述的隔振器的结构示意图；

图3为本发明所述的多个隔振器堆叠放置的结构示意图；

图4为图3在A-A方向上的剖视图；

图5为本发明所述的腹板在A位置发生屈服的结构示意图；

图6为本发明所述的腹板在B位置发生屈服的结构示意图；

图7为本发明所述的隔振器的载荷-变形曲线；

图8为单级抗冲击防护系统的力学模型图。

附图标记说明：

1、面板；2、隔振器；21、顶板；22、腹板。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。本发明描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。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。

如图1-4所示，一种抗冲击防护地板安装在支撑基座上，所述抗冲击防护地板包括面板1和设置在面板1下方的隔振器2，所述隔振器2为一端密封另一端开口的空心结构，所述隔振器2包括顶板21和腹板22，所述隔振器2的密封端为顶板21，所述腹板22的一端和顶板21连接，另一端和支撑基座连接，所述腹板22为高回弹性材料，所述顶板21设置在面板1的下方。腹板22的屈曲载荷临界值为Fc，所述屈曲载荷临界值Fc大于防冲击物体静载Fm，所述防冲击物体为人体和/或设备。所述腹板22为变厚度结构。

本发明的抗冲击防护地板在使用时，隔振器2铺设在支撑基座上，人员踩在面板1上，利用面板1便于人员脚部放置，或者设备放置于面板1上，利用面板1提供承载和支撑分散作用。由于隔振器2为空心形成了薄壁结构，即腹板22为薄壁结构，利用腹板22的结构状态改变产生变刚度效果，可吸收爆破冲击环境下从支撑基座传递到人员下肢的冲击，减少人员下肢受到的力，从而降低人员及设备的损伤。由于屈曲载荷临界值Fc大于防冲击物体静载Fm，在正常情况下，抗冲击防护地板的整体静刚度能满足人体承载重量或设备重量，并提供良好的支撑性能，隔振器2不产生明显变形；在受到爆破冲击时，地板瞬间冲击值Ft大于屈曲载荷临界值Fc，腹板22发生屈曲变形，显著降低隔振器2的动刚度，从而提高缓冲吸能的效果。当外部冲击消失后，腹板22回弹至初始位置，继续提供支撑作用。本发明的抗冲击防护地板具有高静刚度低动刚度的特点，能满足不同状态下的使用需求。隔振器2的载荷-变形曲线如图7所示。在面板1和腹板22之间设置顶板21，增加了腹板22和面板1的连接位点。本发明的抗冲击防护地板可在船体内、车内、进行爆破冲击试验的房间内等场景使用，所述支撑基座为船体的甲板、车辆的轿厢底座或房间的地板。在上下方向上，腹板22的厚度可变，本发明所述的厚度是指腹板22的壁厚。通过变厚度设计，抗冲击防护地板具有定位屈服能力，使得在爆破冲击时腹板22在目标位置发生屈服。通常情况下，腹板22在厚度最薄的地方发生屈服。可根据不同的使用场景或需求设置腹板22的厚度。在本申请中，对腹板22的厚度变化情况不做具体限定，所述腹板22可以沿着自上至下的方向逐渐变厚，或者逐渐变厚，也可以为两端厚、中间薄。

所述腹板22选用橡胶、聚氨酯材料中的任意一种，便于受到冲击时发生屈曲变形，并在外部冲击消失后，腹板22回弹至初始位置。

所述面板1至少和一个隔振器2完全或部分连接，为了提高抗冲击效果，所述隔振器2设置多个，考虑到收纳及节省空间，所述隔振器2密封端在面板1的投影面积大于开口端在面板1上的投影面积，即隔振器2为上小下大的结构，便于将多个隔振器2堆叠放置，方便存放及运输，如图3-4所示。所述顶板21和面板1通过螺栓、铆钉、胶粘中的任意一种方式连接。优选的，所述顶板21和面板1通过预埋螺栓连接，方便隔振器2和面板1的安装和拆卸，在进行完爆破冲击试验后，快速将抗冲击防护地板进行拆除和收纳。

所述顶板21和腹板22单独成型或一体成型，优选的，所述顶板21和腹板22一体成型，便于加工制造，并提高顶板21和腹板22的连接稳定性。顶板21和腹板22切线的夹角根据具体使用工况确定，通常情况下，所述顶板21和腹板22切线的夹角小于150°。在本发明中对顶板21的形状不做具体限定，所述顶板21为圆形、多边形中的任意一种。

为了提高抗冲击效果，本发明的抗冲击防护地板在使用时，通常设置多个。相邻面板1通过卡扣、胶粘中的任意一种方式连接。将多个抗冲击防护地板铺设在易发生冲击振动的地方，减少人员和/或设备受到的冲击，保护人员的安全性。具体的，隔振器2根据本领域技术人员的经验值以及具体使用工况确定刚度和数量，使得抗冲击防护地板的整体静刚度满足人员承载重量或设备重量，支撑性能良好。通常情况下，单个隔振器2的刚度不大于1000N/mm。此外，隔振器2根据本领域技术人员的经验值和具体使用工况确定厚度和截面形状，以确定腹板22的屈曲载荷临界值Fc。当发生外部冲击时，地板瞬间冲击值Ft大于屈曲载荷临界值Fc时，腹板22发生屈曲变形，显著降低隔振器2动刚度，从而提高缓冲吸能的效果。

以下对本发明的抗冲击防护地板的参数设计进行进一步说明。

不考虑系统内部的阻尼力，单级抗冲击防护系统的力学模型如图8所示。定义防冲击物体的位移为x，支撑基座的位移为u，二者的相对位移为：

（1）

若防冲击物体的质量为m，缓冲隔振器2的刚度系数为k，采用相对位移δ作为广义坐标，建立单级抗冲击防护系统系统力学模型的运动方程：

（2）

式中，为基座受到的外部冲击加速度；/>为防冲击物体与基座的相对加速度。

根据运动方程（2），导出隔振器2的固有频率。

隔振器2的设计过程中，一般实际工况测量到的基座加速度曲线不是公式化的解析结果。因此，根据图8中所示基座的加速度曲线，先计算出冲击后基座速度的增量：

（3）

式中，t₁是图8中所示的冲击持续时间。

再用矩形脉冲代替基座的加速度曲线，根据矩形脉冲加速度产生的速度增量与图中基座加速度产生的速度增量相等原则，确定矩形脉冲加速度的作用时间：

（4）

式中，是图8中所示基座加速度的最大值。

利用速度增量相等原则，建立基座加速度的解析式

（5）

隔振器2受到外部冲击前腹板22通常处于自由状态。因此，运动微分方程（2）要用零初始条件，，利用这个定解条件求得微分方程（2）的一般解，再将其代入初始条件，经过整理，得到防冲击物体与基座间相对位移的解析解：

（6）

（7）

如果冲击作用时间特别短，满足参数条件，此时，利用三角函数的公式，求得的相对位移/>的解析式（7）具有以下形式：

（8）

按照上式，相当于腹板22最大变形量为。如果冲击作用时间特别短，满足参数条件/>，则存在下列近似等式：

（9）

进而可得到腹板22最大变形量的近似解为

（10）

然后，联合式（1）和式（7），当时间t>时，可以进一步导出防冲击物体的绝对加速度为/>，则防冲击物体的最大加速度/>。

如果单次冲击波持续时间特别短，近似等式（8）成立。可以得到防冲击物体最大加速度的近似解析式为：

（11）

由上述内容可知：

（1）若外部冲击作用的时间特别短，在给定冲击强度的条件下，隔振器2的刚度系数越小，防冲击物体的最大加速度也越小，而腹板22的最大变形量越大。

（2）若外部冲击作用的时间特别短，在给定冲击强度的条件下，防冲击物体的质量越大，防冲物体的最大加速度也越小，而腹板22的最大变形量越大。

在抗冲击防护地板进行参数设计时，隔振器2的刚度系数越小，能够有效降低防冲击物体的振动加速度，但是隔振器2的变形量会越大，隔振器2的刚度过小会导致上方的人和设备产生明显下沉，引起不适感。因此，采用非金属高回弹材料制作腹板22，当外部冲击波强度（动载荷）大于材料强度时发生屈服，腹板22刚度急剧降低，提升隔离冲击振动的效果。当外部冲击波消失后，腹板22恢复至初始位置。同时，根据隔振器2在静载荷下的允许位移指标，设计隔振器2合适的静刚度，保证隔振器2在人或设备正常放置时产生的下沉量不能太大。总体上，本发明设计的抗冲击隔振器具有高静刚度和低动刚度的特点，可以提升隔振器在冲击载荷下的隔振量。

实施例1

如图5所示，腹板22在靠近顶板21的位置即A位置厚度变薄，隔振器2受压时，在A位置处腹板22朝向腹板22形成的空腔位置发生弯曲变形。

实施例2

如图6所示，腹板22在远离顶板21的位置即B位置厚度变薄，隔振器2受压时，在B位置处腹板22朝向背离空腔位置发生弯曲变形。

在本发明实施例1和实施例2中，腹板22的不同地方设置厚度变薄位置，使发生弯曲变形的位置更加可控，以满足不同的使用需求。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗冲击防护地板，安装在支撑基座上，其特征在于，所述抗冲击防护地板包括面板（1）和设置在面板（1）下方的隔振器（2），所述隔振器（2）为一端密封另一端开口的空心结构，所述隔振器（2）包括顶板（21）和腹板（22），所述隔振器（2）的密封端为顶板（21），所述腹板（22）的一端和顶板（21）连接，另一端和支撑基座连接，所述腹板（22）为高回弹性材料，所述顶板（21）设置在面板（1）的下方；所述腹板（22）的屈曲载荷临界值为Fc，所述屈曲载荷临界值Fc大于防冲击物体静载Fm；所述腹板（22）为变厚度结构。

2.根据权利要求1所述的抗冲击防护地板，其特征在于，所述腹板（22）选用橡胶、聚氨酯材料中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的抗冲击防护地板，其特征在于，所述隔振器（2）设置多个，所述隔振器（2）密封端在面板（1）上的投影面积大于开口端在面板（1）上的投影面积。

4.根据权利要求1所述的抗冲击防护地板，其特征在于，所述顶板（21）和面板（1）通过预埋螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的抗冲击防护地板，其特征在于，所述顶板（21）和腹板（22）单独成型或一体成型。

6.根据权利要求1所述的抗冲击防护地板，其特征在于，所述抗冲击防护地板设置多个，相邻面板（1）通过卡扣、胶粘中的任意一种方式连接。