CN113650374B - 一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层及制作方法，属于舰船舷侧防护领域。本发明采用玻璃纤维网格布层与聚脲层交替分布。聚脲层的厚度为玻璃纤维网格布层的k倍。所述玻璃纤维网格布层、聚脲层均能起到防止破片侵彻的作用；利用所述聚脲和玻璃纤维网格布的复合材料提升舰船舷侧的防护效果，加强舷侧液舱对于破片侵彻的防护，降低破片动能；柔性抗侵彻层在外部发生爆炸时，有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性，保护空舱‑液舱‑空舱不受破坏，降低舰船维修成本；玻璃纤维网格布层还用于对入射速度进行衰减，且起到耐高温作用；聚脲层还用于减缓破片冲击的作用，起到少量吸收动能作用，在提升防护能力的同时，减少防护涂层的厚度与成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层及制作方法，属于舰船舷侧防护领域。
背景技术
大型水面舰船,虽然有其突出的作战能力,但也存在致命的弱点，舰船舷侧是反舰导弹攻击的要害部位，所以船舰需要对舷侧重要舱室进行有效防护。目前大型水面船舰多采用多层板架舷侧防护结构，即空舱-液舱-空舱的防护结构，其中液舱的作用是利用液舱中的水层快速吸收战斗部发生爆炸后产生的碎片及外板破裂产生的二次碎片。因此，在液舱外板上增加柔性抗侵彻层，可以在外部发生爆炸时，防止破片的侵彻。可以有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性。可以有效保护空舱-液舱-空舱不受破坏，从而降低舰船受爆后的维修成本。而聚脲作为典型的高聚物弹性材料，与其他高聚物弹性材料相比，具有弹性模量高、抗拉强度大、延展性高、抗冲击性能好的特点。一般来说，聚脲涂层越厚，越有利于提升结构的抗冲击力学性能，但单纯通过增加聚脲涂层厚度的方法来提升结构的抗冲击力学性能因价格和实际操作等原因有些不切实际。同时，也需要在设计过程中，明确各项设计参数，保证加工的便利性，因此，需要一种针对性的柔性防护层设计方法。
发明内容
为了提高舰船舷侧抗破片侵彻能力，本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层，具有防破片侵彻的作用，从而能够起到对对空舱-液舱-空舱的防护结构起到保护作用，在受到爆炸后有效保护船体结构不受破坏，提升舰船舷侧的防护性能，保证舰船可靠性，此外，本发明还能降低后续维修成本。本发明还公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层制作方法，用于制作所述舰船舷侧柔性抗破片侵彻层。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层，采用玻璃纤维网格布层与聚脲层交替分布，所述玻璃纤维网格布层层数为a，所述聚脲层层数为聚脲层和玻璃纤维网格布层的数量和厚度，其中b＝a-1。聚脲层的厚度为玻璃纤维网格布层的k倍。
所述玻璃纤维网格布层、聚脲层均能起到防止破片侵彻的作用。
所述玻璃纤维网格布层与聚脲层交替分布，利用所述聚脲和玻璃纤维网格布的复合材料可以有效的提升舰船舷侧的防护效果，可以很好的加强舷侧液舱对于破片侵彻的防护，降低破片动能。
所述柔性抗侵彻层在外部发生爆炸时，有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性，保护空舱-液舱-空舱不受破坏，降低舰船维修成本。
所述玻璃纤维网格布层还用于对入射速度进行衰减，且起到耐高温作用。
所述聚脲层还用于减缓破片冲击的作用，起到少量吸收动能作用，在提升防护能力的同时，减少防护涂层的厚度与成本。
作为优选，聚脲层的厚度为玻璃纤维网格布层的1.5倍，保证聚脲与玻璃纤维网格布层的附着性。
作为优选，所述聚脲层的总面积应大于玻璃纤维网格布层，以保证此抗侵彻层的连接性。
作为优选，所述玻璃纤维网格布的单个网孔尺寸应大于或等于5mm*5mm，且单个玻璃纤维层的网格布数目应为3-5层，以保证层与层之间的连接性。
作为优选，玻璃纤维网格布层的厚度通过下述方法得到：
破片的速度计算公式为：
式中，E为战斗部装药的特征能量。计算为
其中De为装药爆速,C和M分别是TNT和壳体的质量。
破片的质量计算公式为：
式中，Bx为炸药的爆炸常数，hs和di分别是战斗部壳体的平均厚度和平均内径。
破片的初始动能计算式为：
柔性防护层的能量吸收率为：
式中，Ea为柔性抗侵彻层吸收的能量；vr为破片的剩余速度。
根据目标能量吸收率值，可以计算出破片经过柔性抗侵彻层后的剩余速度为：
对于抗侵彻层的抗冲击性能，采用面密度确定其能量吸收能力，柔性抗侵彻层整体面密度为：
d＝∑hi×ρi
式中，d为面密度，hi为第i层材料板的厚度，单位是m,ρi为第i层材料板的密度，单位是kg·m-3
面密度吸收能为Eα,计算公式为：
由于共有a聚脲层和b层玻璃纤维网格布层，且聚脲层厚度设置为玻璃纤维网格布层的1.5倍，所以计算公式为：
式中h1为聚脲层的厚度，ρ1为聚脲层的密度，h2为玻璃纤维网格布层的厚度，ρ2为玻璃纤维网格布层的密度。
由总层厚h，以及h1＝1.5h2计算出聚脲与玻璃纤维网格布层的层数为：
根据面密度吸收能，得出厚度计算公式为:
为实现保证舰船防护能力的基础上，尽可能减轻涂层厚度，以达到减轻自重和减小体积的目的，同时也可以通过后续提升涂层厚度进一步提升防护等级，柔性扛侵彻层总厚度h在满足最高防护等级的前提下，其值应不超过目前最高防护等级涂层厚度的β％。
本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层的制作方法为：
步骤1：根据导弹战斗部爆炸破片形成理论，计算爆炸产生破片的速度和质量。计算公式为：
步骤2：根据柔性抗侵彻层目标能量吸收率，确定破片穿过柔性抗侵彻层的能量耗散，计算破片的剩余速度。计算公式为：
步骤3：根据复合材料分层面密度计算公式，确定由聚脲和玻璃纤维网格布组成的复合抗侵彻层的面密度。计算公式为：
步骤4：根据破片的初始速度和剩余速度，结合经验面密度吸收能，得出面密度吸收能与层厚度的关系计算式。计算公式为：
步骤5：根据层厚、层数与总厚度的关系，结合面密度吸收能计算式，联合推导出聚脲和玻璃纤维网格布的层数与单层层厚。计算公式为：
步骤6：根据步骤5确定的聚脲和玻璃纤维网格布的层数与单层层厚，制作舰船舷侧柔性抗破片侵彻层。
本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层的工作方法为：当舰船舷侧受到攻击时，其设置的聚脲以及玻璃纤维网格布的复合材料可以有效的提升舰船舷侧的防护效果，可以很好的加强舷侧液舱对于破片侵彻的防护，降低破片动能。因此，在液舱外板上增加柔性抗侵彻层，在外部发生爆炸时，防止破片的侵彻，有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性；有效保护空舱-液舱-空舱不受破坏，从而降低舰船受爆后的维修成本。同时，由于聚脲的加入，能够减少爆炸过程中破片的飞散。
玻璃纤维增强的聚脲层起到吸收能量、减少碎片飞散的作用。聚脲层与玻璃纤维网格布组成的增强聚脲-玻璃纤维网格布复合材料，能够有效地提升舰船舷侧的抗破片侵彻性能，同时可以起到降低涂层厚度，减少加工成本的作用。
有益效果
1.本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层及制作方法，其聚脲以及玻璃纤维网格布的复合材料可以有效的提升舰船舷侧的防护效果，可以很好的加强舷侧液舱对于破片侵彻的防护，降低破片动能。因此，在液舱外板上增加柔性抗侵彻层，可以在外部发生爆炸时，防止破片的侵彻。可以有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性。可以有效保护空舱-液舱-空舱不受破坏，从而降低舰船受爆后的维修成本。
2.本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层及制作方法，由于聚脲的加入，能够减少爆炸过程中破片的飞散，而玻璃纤维网格布的应用，能够在提升防护能力的同时，减少防护涂层的厚度与成本。
3.本发明公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层及制作方法，通过对破片飞散质量和速度的计算，结合目标能量吸收率，确定面密度吸收能，推算出厚度和层数，较为准确的设计了在防护破片过程中聚脲层和玻璃纤维网格布层应有的厚度，实现经济、可靠防护。
附图说明
图1为本发明的剖视图；
其中：1-聚脲层；2-玻璃纤维网格布层。
图2为本发明确定不同层层数与厚度的计算流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本次发明，但不用来限制本次发明范围。
如图1所示，本实施例公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层，采用玻璃纤维网格布层2与聚脲层1交替分布，所述玻璃纤维网格布层2层数为a，所述聚脲层1层数为聚脲层1和玻璃纤维网格布层2的数量和厚度，其中b＝a-1。聚脲层1的厚度为玻璃纤维网格布层2的k倍。
所述玻璃纤维网格布层2、聚脲层1均能起到防止破片侵彻的作用。
所述玻璃纤维网格布层2与聚脲层1交替分布，利用所述聚脲和玻璃纤维网格布的复合材料可以有效的提升舰船舷侧的防护效果，可以很好的加强舷侧液舱对于破片侵彻的防护，降低破片动能。
所述柔性抗侵彻层在外部发生爆炸时，有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性，保护空舱-液舱-空舱不受破坏，降低舰船维修成本。
所述玻璃纤维网格布层2还用于对入射速度进行衰减，且起到耐高温作用。
所述聚脲层1还用于减缓破片冲击的作用，起到少量吸收动能作用，在提升防护能力的同时，减少防护涂层的厚度与成本。
如图2所示，为解决上述问题，基于爆炸产生破片的能量吸收规律，提出一种计算柔性抗侵彻层厚度的计算方法，包括以下步骤：
步骤1：根据导弹战斗部爆炸破片形成理论，计算爆炸产生破片的速度和质量。
步骤2：根据柔性抗侵彻层目标能量吸收率，确定破片穿过柔性抗侵彻层的能量耗散，计算破片的剩余速度。
步骤3：根据复合材料分层面密度计算公式，确定由聚脲和玻璃纤维网格布组成的复合抗侵彻层的面密度。
步骤4：根据破片的初始速度和剩余速度，结合经验面密度吸收能，得出面密度吸收能与层厚度的关系计算式。
步骤5：根据层厚、层数与总厚度的关系，结合面密度吸收能计算式，联合推导出聚脲和玻璃纤维网格布的层数与单层层厚。
下面结合实例对本发明遭受战斗部爆炸破片冲击时柔性防护层计算方法进行详细说明。实施例为某一自然破片战斗部空中爆炸的情形。该破片战斗部的炸药当量为40.1kg，壳体质量为21.5kg爆炸所产生的破片设计质量为0.045kg。
表1玻璃纤维网格布材料参数
| 密度/g·m<sup>-3</sup> | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 伸长率 | |
| 玻璃纤维网格布 | 2.45 | 85 | 0.22 | 5.4％ |
表2聚脲材料参数
| 密度/g·m<sup>-3</sup> | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 屈服应力/GPa | |
| 聚脲 | 7.75 | 216 | 0.3 | 0.16 |
本实施例公开的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层的制作方法为：
步骤1，根据导弹战斗部爆炸破片形成理论，计算爆炸产生破片的速度和质量。
根据前述步骤1中的计算公式和实例取值可得出破片的初始速度为2089m/s。
步骤2，根据柔性抗侵彻层目标能量吸收率，确定破片穿过柔性抗侵彻层的能量耗散，计算破片的剩余速度。
柔性抗侵彻层起到破片接近舷侧装甲时有效降低动能的作用，目标能量吸收率设置为40％，根据步骤2中的计算公式可以计算出破片的剩余速度为1531m/s。
步骤3，根据复合材料分层面密度计算公式，确定由聚脲和玻璃纤维网格布组成的复合抗侵彻层的面密度与层数和层厚的关系式。
步骤4：根据破片的初始速度和剩余速度，结合经验面密度吸收能，得出面密度吸收能与层厚度的关系计算式。
步骤5：根据层厚、层数与总厚度的关系，在本例中，对于防护涂层，最高防护等级的涂层厚度为100mm，本例取为最高防护等级厚度的90％，即β＝90％，防护图层总厚度为90mm。结合面密度吸收能计算式，联合推导出聚脲和玻璃纤维网格布的层数与单层层厚。
由步骤5计算出的聚脲层1和玻璃纤维网格布层2的厚度分别为15mm和10mm，共包括4层聚脲和3层玻璃纤维网格布，满足实际防护层厚要求。
玻璃纤维增强的聚脲层1可以起到吸收能量、减少碎片飞散的作用。聚脲层1与玻璃纤维网格布组成的增强聚脲-玻璃纤维网格布复合材料，可以有效地提升舰船舷侧的抗侵彻性能，同时可以起到降低涂层厚度，减少加工成本的作用。
在受到碎片冲击时，相对于纯聚脲涂层，玻璃纤维网格布可以有效降舰船舷侧损伤过程中受到的破片侵彻。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。本次实验种选用的玻璃纤维网格布及聚脲材料，均通过力学试验获得其本构参数，在实例计算中，确保计算数据的真实可靠。通过实船实验中舰船舷侧的受破坏情况，分析出对于舰船舷侧的防护要求，由实船实验中的经验参数及材料实际参数结合，确保公式及实例计算的可靠性，保证此柔性抗侵彻层在实际舰船防护中的应用。本次所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层，其特征在于：采用玻璃纤维网格布层与聚脲层交替分布，所述玻璃纤维网格布层层数为a，所述聚脲层层数为b，聚脲层和玻璃纤维网格布层的数量关系为a＝b-1；聚脲层的厚度为玻璃纤维网格布层的1.5倍；
所述玻璃纤维网格布层、聚脲层均能起到防止破片侵彻的作用；
所述玻璃纤维网格布层与聚脲层交替分布，利用所述聚脲和玻璃纤维网格布的复合材料提升舰船舷侧的防护效果，加强舷侧液舱对于破片侵彻的防护，降低破片动能；
所述柔性抗破片侵彻层在外部发生爆炸时，有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性，保护空舱-液舱-空舱不受破坏，降低舰船维修成本；
所述玻璃纤维网格布层还用于对入射速度进行衰减，且起到耐高温作用；
所述聚脲层还用于减缓破片冲击的作用，起到少量吸收动能作用，在提升防护能力的同时，减少防护涂层的厚度与成本；
所述玻璃纤维网格布的单个网孔尺寸应大于或等于5mm*5mm，且单个玻璃纤维层的网格布数目应为3-5层，以保证层与层之间的连接性；
所述舰船舷侧柔性抗破片侵彻层的制作方法为：
步骤1：根据导弹战斗部爆炸破片形成理论，计算爆炸产生破片的速度和质量；玻璃纤维网格布层的厚度通过下述方法得到，
破片的速度计算公式为：
式中，E为战斗部装药的特征能量；计算为
其中De为装药爆速,C和M分别是TNT和壳体的质量；
破片的质量计算公式为：
式中，Bx为炸药的爆炸常数，hs和di分别是战斗部壳体的平均厚度和平均内径；破片的初始动能计算式为：
柔性防护层的能量吸收率为：
式中，Ea为柔性抗破片侵彻层吸收的能量；vr为破片的剩余速度；
步骤2：根据柔性抗破片侵彻层目标能量吸收率，确定破片穿过柔性抗破片侵彻层的能量耗散，计算破片的剩余速度；根据目标能量吸收率值，计算出破片经过柔性抗破片侵彻层后的剩余速度为：
对于抗侵彻层的抗冲击性能，采用面密度确定其能量吸收能力，柔性抗破片侵彻层整体面密度为：
d＝∑hi×ρi
式中，d为面密度，hi为第i层材料板的厚度，单位是m，ρi为第i层材料板的密度，单位是kg·m-3
步骤3：根据复合材料分层面密度计算公式，确定由聚脲和玻璃纤维网格布组成的复合抗侵彻层的面密度；面密度吸收能为Eα,计算公式为：
步骤4：根据破片的初始速度和剩余速度，结合经验面密度吸收能，得出面密度吸收能与层厚度的关系计算式；由于共有a聚脲层和b层玻璃纤维网格布层，且聚脲层厚度设置为玻璃纤维网格布层的1.5倍，所以计算公式为：
式中h1为聚脲层的厚度，ρ1为聚脲层的密度，h2为玻璃纤维网格布层的厚度，ρ2为玻璃纤维网格布层的密度；
由总层厚h，以及h1＝1.5h2计算出聚脲与玻璃纤维网格布层的层数为：
步骤5：根据层厚、层数与总厚度的关系，结合面密度吸收能计算式，联合推导出聚脲和玻璃纤维网格布的层数与单层层厚；根据面密度吸收能，得出厚度计算公式为:
为实现保证舰船防护能力的基础上，尽可能减轻涂层厚度，以达到减轻自重和减小体积的目的，同时通过后续提升涂层厚度进一步提升防护等级，柔性扛侵彻层总厚度h在满足最高防护等级的前提下，其值应不超过目前最高防护等级涂层厚度的90％；
步骤6：根据步骤5确定的聚脲和玻璃纤维网格布的层数与单层层厚，制作舰船舷侧柔性抗破片侵彻层。
2.如权利要求1所述的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层，其特征在于：所述聚脲层的总面积应大于玻璃纤维网格布层，以保证此抗侵彻层的连接性。
3.如权利要求1所述的一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层，其特征在于：工作方法为，当舰船舷侧受到攻击时，其设置的聚脲以及玻璃纤维网格布的复合材料可以有效的提升舰船舷侧的防护效果，可以很好的加强舷侧液舱对于破片侵彻的防护，降低破片动能；因此，在液舱外板上增加柔性抗破片侵彻层，在外部发生爆炸时，防止破片的侵彻，有效的提升船舰舷侧防护的可靠性和安全性；有效保护空舱-液舱-空舱不受破坏，从而降低舰船受爆后的维修成本；同时，由于聚脲的加入，能够减少爆炸过程中破片的飞散；
玻璃纤维增强的聚脲层起到吸收能量、减少碎片飞散的作用；聚脲层与玻璃纤维网格布组成的增强聚脲-玻璃纤维网格布复合材料，能够有效地提升舰船舷侧的抗破片侵彻性能，同时可以起到降低涂层厚度，减少加工成本的作用。
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