舰船复合材料防护结构的选择与优化

为选择与优化舰船复合材料防护结构,根据陶瓷材料的密度小、强度大、硬度高、抗冲击性能良好等特征,建立以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料结构模型,研究复合材料层合板在爆炸冲击载荷下的抗冲击性能,陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。在此基础上,考虑复合材料层合板在防护结构中的位置,讨论不同结构参数对防护结构爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,当复合材料层合板设置在空舱外板时,舰船的抗爆炸冲击性能相对较优。     

Analysis of impact damage characteristics of marine carbon fiber composite laminates embedded with PEI film北大核心CSCD

[目的]在传统船用碳纤维复合材料层合板层间添加热塑性相材料能有效提升船用复合材料的抗冲击性能,为探究其冲击损伤特性,开展实验研究。[方法]使用光学显微镜观察层合板的热塑性/热固性界面,分析两相材料的结合方式;对不同结构的复合材料层合板进行低、中、高3种不同能量的低速冲击;通过超声C扫描与电子显微镜,对各试件的损伤形貌进行观测,以研究各试件的冲击响应及损伤机理。[结果]结果显示,相较于碳纤维层合板,含热塑性相的船用复合材料层合板具有更好的损伤阻抗;内部嵌膜层合板试件在冲击能量为8和12 J的冲击下,内部分层损伤分别减少了19%和39%,且受到12 J冲击后,内部结构损伤较小,完整性较好。[结论]将PEI热塑性膜嵌于内部能提升层合板的韧性,显著减少内部分层损伤,明显提升内部嵌膜层合板的抗冲击性能。     

舰船新型冲击防护层的水下爆炸特性研究

利用结构变形的吸能原理和阻抗不匹配材料界面反射冲击波特性,设计了一种新型的冲击能吸收和防护结构,用来提高舰船的抗水下爆炸生命力.这种冲击防护层可以粘贴在舰船壳体的外表面.文中使用试验和数值计算的方法检验此冲击防护层的抗冲击特性.采用水下爆炸试验的方法得到舰船模型粘贴冲击防护层前后的加速度和应变,并通过试验确定数值计算的冲击波载荷.利用ABAQUS显示动力学模块分别建立与试验对应的数值模型,计算得到相应的动态响应值.试验和数值计算的结果表明冲击防护层具有显著的冲击隔离特性,同时数值计算与试验结果具有较好的一致性.     

舰船舷侧防护结构水下接触爆炸动响应分析研究

舰船舷侧防护结构在接触爆炸载荷作用下的动响应问题是舰船抗爆抗冲击设计的重要组成部分。根据国外水面舰船防护结构形式,在某单层舷侧舰船模型基础上增设舷侧防护隔壁结构,并应用国际上通用的动力有限元程序ABAQUS对其进行水下接触爆炸系列数值仿真实验,考核舷侧防护结构对舰船抗爆抗冲击性能的影响。通过结果的对比分析发现,增设舷侧防护结构后较明显改善了船体外板的损伤情况,且防护隔壁仅发生了少量的塑性变形没有产生破口,从而达到了保护内部机舱等重要舱室的目的,并以防护结构双层隔舱内填充液体抗冲击性能最佳。     

层合板上层建筑侧壁抗空爆性能研究

层合板的抗空爆性能分析论证,需以板架为计算对象。本文以上层建筑侧壁典型平面板架为研究对象,分别论证研究E和S玻纤正交布/环氧层合板对上层建筑侧壁抗空爆能力的影响。结果表明S玻纤/环氧抗冲击性能比E玻纤/环氧更优秀,并且在减重方面的效果更好,为轻型上层建筑结构设计提供参考。     

U型折叠式夹层板防护性能数值仿真分析

开展夹层板单元防护性能研究可为舰船防护结构设计提供指导。以某船底加筋板架为应用对象,设计出U型折叠式夹层板结构;利用MSC.Dytran对船底板架及夹层板结构在水下爆炸冲击载荷下的动态响应进行数值仿真分析,通过分析流-固耦合压力、损伤变形、速度、加速度、结构塑性吸能等性能参数,对比研究两结构的防护性能;分析夹层板在不同冲击强度下的损伤特性,面板厚度、夹芯板厚、夹芯与面板夹角、夹芯单元宽度、夹芯高度等结构参数对夹层板损伤变形、结构吸能等特性的影响。通过研究得到了U型夹层板在水下爆炸冲击载荷下的损伤特性、变形模式等,U型夹层板的防护性能明显优于传统加筋板架,夹芯层在夹层板抵抗水下冲击载荷中起到关键作用,结构参数对防护性能产生不同程度的影响。     

钢板/凯夫拉层合结构爆炸响应数值分析

复合材料层合板在防护结构中得到了越来越广泛的应用,数值模拟是分析这类结构在爆炸载荷作用下动态响应的有效方法之一。基于LS-DYNA软件平台,建立凯夫拉纤维细观结构有限元模型,通过弹体侵彻试验验证该建模方法的正确性,进而采用所提出的建模方法建立钢板/凯夫拉层合板的有限元模型,实现钢板/凯夫拉纤维细观结构有限元模型爆炸响应的数值模拟。研究表明:纤维材料细观结构有限元模型可以较好地模拟弹体侵彻过程以及层合板在爆炸载荷下的破坏模式。计算结果对比显示凯夫拉层对钢板的抗爆性能可起到明显增强作用。     

水下非接触爆炸舰员抗冲击防护地板设计与试验

[目的]为有效保护水面舰船舰员免受水下非接触爆炸所引起的冲击损伤,[方法]在分析水面舰船人员冲击环境和安全限值的基础上,提出舰员抗冲击防护地板设计方法,设计一种具有非线性变刚度力学特性的新型抗冲击弹性地板。在模拟舰船典型中、重度冲击环境的冲击台试验中,对抗冲击弹性地板的防护效果进行验证和评估。[结果]结果表明,抗冲击弹性地板可以衰减88%以上的冲击载荷,能有效降低对舰员的冲击损伤程度。[结论]所做研究可为舰船冲击环境恶劣的部位提供有效的舰员抗冲击防护。     

水下爆炸作用下箱型梁舰船冲击环境数值研究

舰船的冲击环境研究是舰船抗爆炸抗冲击设计的基础。箱型梁作为新型甲板结构,势必会从结构形式和总布置2个方面改变舰船刚度和质量的分布,从而改变了舰船的冲击环境。本文通过数值仿真技术,建立箱型梁结构舰船水下爆炸模型,运用冲击响应谱分析方法对箱型梁舰船结构冲击环境进行研究,将箱型梁舰船冲击环境特性与母型船进行对比,并将箱型梁内外冲击环境特性进行描述,得出箱型梁-舰船冲击环境特性规律,对箱型梁舰船抗水下爆炸冲击设计有一定的参考意义。     

基于夹层板抗水下爆炸舰船底部结构设计

水面舰船抗水下爆炸的性能是舰船生命力的重要方面,一直受到各国海军的重视;金属基夹层板在航空航天、汽车等轻型交通运输系统中得到广泛应用。本文以某型水面舰船为研究,设计出夹层板舰船底部结构,采用三舱段模型技术,利用MSC.Dytran仿真分析结构在典型工况水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应,比较分析流-固耦合力、结构变形、速度、加速度、吸能等。结果表明,夹层板应用于舰船底部结构减小了结构位移,增加了结构的吸能,显著改善了结构的冲击环境,夹层板舰船底部结构具有优良的防护性能;夹芯层在结构抵抗水下爆炸冲击波载荷过程中起到重要作用。     

水下爆炸环境中舰船浮筏装置冲击响应研究

针对舰船所面临的水下爆炸冲击环境,研究了船用柴油发电机组的隔振浮筏系统对于水下爆炸冲击的响应特性.通过建立带有设备以及隔振系统的舰船结构连同周围水介质的有限元分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了水下爆炸冲击波在水中的传播及其对船体的流固耦合作用,研究了柴油发电机组、浮筏筏体以及设备基座在爆炸冲击下的动态响应.文中着重分析了不同爆炸冲击因子对船体与浮筏结构的冲击响应的影响,探讨了提高舰船设备抗冲击性能的途径.     

爆炸载荷下复合材料层合板的抗冲击性能

研究复合材料层合板在爆炸载荷冲击下的抗冲击性能,并且讨论不同铝合金含量以及不同铺层类型的层合板试件。建立一种新型零厚度粘结层单元模型,可以准确地预测复合材料层间分层扩展。采用Johnson-Cook准则模拟铝板的损伤,Hashin准则模拟碳纤维的损伤,运用有限元软件Abaqus进行模型的仿真计算,并通过试验对比验证该模型计算的有效性。最后得出结论:在适当范围内,提高铝合金含量的比例,或者采用比较少的铺层数,可以很有效地减小爆炸载荷冲击引起的板件变形,减轻金属材料和纤维材料的损伤程度。但它们有负面效果,即会使板件吸能的能力降低。     

柴油机抗冲击性能实船水下爆炸冲击试验研究

柴油机是现代舰船主要动力源之一,其抗冲击性能直接影响舰船生命力.舰用柴油机具有体积重量大、附属设备多、运行维护要求高等特点,难以在陆上进行抗冲击台架试验.实船水下爆炸冲击试验是发现舰用柴油机抗冲击薄弱环节,检验舰用柴油机抗冲击性能的有效手段.通过试验中对舰用柴油机进行运行监控、实时测量,以及试验后对柴油机进行拆检分析,初步总结出舰用柴油机的抗冲击薄弱环节,提出舰用柴油机冲击防护设计建议,研究成果可应用于舰船动力设备抗冲击防护措施设计中.     

船用复合材料层合板螺栓孔处疲劳寿命实验研究

复合材料层合板结构由于其优异的力学性能在舰船上得到广泛使用。此种结构一般采用螺栓连接,其连接处的疲劳特性往往决定了结构的使用寿命。针对舰船桅杆上的复合材料雷达罩,阐述如何将结构疲劳实验简化为部件疲劳实验的具体方法和过程。设计了试验件和相应的夹具,开展了复合材料层合板螺栓连接结构的部件疲劳实验。分析表明:弹簧垫圈的预紧作用可延长复合材料层合板螺栓孔处的疲劳寿命;可采用结构静强度覆盖结构疲劳并辅以部件疲劳实验的方法来评估复合材料层合板结构的疲劳性能。     

一种新型舰船防护板的抗水下爆炸冲击性能研究

防护板在舰船上的应用非常广泛,它对于提高舰船抵抗水下爆炸冲击波载荷性能、抗碰撞冲击性能等都具有重要作用。利用薄壁圆管的吸能特性设计了离散型和紧密型圆管夹心板,使用大型非线性有限元软件MSCDytran建立水域、炸药及防护板的三维有限元模型,并进行水下爆炸数值计算,从板的吸能能力、加速度响应、变形量3个方面分析了2种夹心板和普通平板在水下爆炸载荷作用下的抗冲击性能。仿真计算结果表明,离散型夹心板的抗爆性能优于紧密型夹心板和普通平板。     

船用PVC夹芯板在近场水下爆炸作用下的吸能特性

泡沫材料能够有效地吸收冲击能量且防震效果好,因此被广泛应用于舰船防护领域。本文基于Ls-dyna中的ALE方法,从结构变形和结构各组成部分吸能角度,探究背水夹芯板与背空夹芯板（PVC H100泡沫夹芯板）在近场水下爆炸载荷作用的挠度响应及吸能特性的差异,为船用PVC夹芯结构的应用及舰船的防护结构设计提供参考。结果表明芯层材料可压缩性强,具有良好的吸能特性,金属前面板变形及吸能要大于后面板;相对于背水夹芯板,由于声阻抗不同,背空板减少了透射能量,本身吸能增加,前后金属面板变形均匀化。     

水下接触爆炸载荷作用下舰船防护结构模型仿真

在海上作战中,鱼雷等武器的接触爆炸是导致舰船结构失效的主要形式之一,提升舰船的水下抗打击能力具有重要意义。本文的研究包括水下接触式保障载荷的特性分析、舰船防护结构的数学模型建立、舰船水下爆炸冲击的力学特性仿真等,对于改善舰船防护结构的设计质量提供一定的参考。     

舰船用轻型陶瓷基复合装甲的抗弹性能研究

针对舰船用复合装甲特殊要求,设计出了不同结构的陶瓷基复合装甲,对其在某型号弹种的弹道冲击下的防护能力展开试验研究;比较了不同结构形式的装甲以及船体钢的抗弹性能,并进行了复合装甲防护能力的评价,着重分析了不同结构形式复合装甲的抗弹机理.试验结果表明,陶瓷层是复合装甲中的关键组成部分,同时复合装甲中的其他组成部分也对整体的防护能力有着重要影响,装甲结构形式的合理性也是陶瓷基复合装甲具备良好抗弹性能的基础.     

基于有限元分析的舰船推进轴系抗冲击性能研究

推进轴系是舰船动力系统的重要部件,决定了舰船动力输出的稳定性和可靠性。在舰船日常运行时,会受到水下爆炸、海浪作用力等动态因素的冲击载荷,导致推进轴系产生振动、变形等问题,进而影响舰船的正常运行。因此,研究动态环境下的舰船推进轴系抗冲击性能有重要意义。本文分析了舰船推进轴系工作时受到的扭振和弯曲振动,研究了舰船结构在水下爆炸下的动态响应,并利用有限元分析技术对舰船推进轴系的抗冲击强度进行校核和仿真分析。本研究对提高舰船推进轴系的抗冲击性能有重要的理论指导意义。     

碳/玻混杂夹层板低速撞击损伤特性试验研究

[目的]碳/玻混杂夹层板结构可有效提高船用复合材料层合板弯曲的刚度及强度。为探讨其耐撞击损伤及柔性层表面覆盖防护特性,开展了相关试验研究。[方法]采用落锤法对碳/玻混杂夹层板、玻璃纤维层合板以及碳/玻混杂+单侧贴敷橡胶复合板等3型平板的低速耐撞击性能进行对比试验,对3型结构撞击载荷作用下的宏观损伤形貌特征进行分析,并对比一阶模态阻尼比以评估3型平板的损伤程度特征规律。[结果]结果表明:相同冲击能量作用下,玻璃纤维层合板的损伤区域沿厚度方向呈现较为规则的圆台形,而碳/玻混杂板的损伤区域主要表现为较为明显的层间分层,并集中于碳纤维层与玻纤维层界面处;玻璃纤维层合板的层间损伤面积普遍小于碳/玻混杂夹层板;随着冲击能量的递增,冲击损伤程度的增加对碳/玻混杂夹层板一阶模态阻尼比的影响低于玻璃纤维层合板;单侧贴敷橡胶对碳/玻混杂板的防护作用随着冲击能量递增而减弱。[结论]研究结果为碳/玻混杂夹层板广泛运用于船舶领域提供了可靠的支撑。