一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法技术

本发明专利技术提供一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法，首先确定回转体撞击横梁之前的初始运动物理量与横梁力学参数；然后通过编程求解方程计算横梁破坏时刻塑性铰位置ξ

【技术实现步骤摘要】
一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法
本专利技术涉及一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法，属于穿甲力学领域。
技术介绍
穿甲力学是一门经典学科，对于弹丸撞击板结构或半无限厚介质有着丰富的研究。对于弹丸高速撞击船体运动规律的研究，由于其直接关系到船体防护能力，因此具有重要意义。与均质平板的撞击问题相比，船体板架结构的撞击运动具有特殊之处。船体板架结构是由薄板和横梁、纵骨等型材构成，其主要承力构建为横梁和纵骨，因此撞击运动规律不同于均质平板撞击，横梁和纵骨对弹丸运动速度和偏转会产生较大影响。目前均质平板撞击剩余速度经验公式和半经验公式较多，但对于船体板架结构撞击运动特性研究较少。宋卫东[宋卫东,宁建国.刚性回转体撞击加筋靶板的力学模型[J].弹道学报,2007(04):47-50.]和姚熊亮[姚熊亮,吴子奇,王治,等.战斗部对舰船靶标撞击毁伤效能研究[J].哈尔滨工程大学学报,2019,40(1):141-145.]等人对于船体板架结构撞击剩余速度进行了理论模型建立与预报，但其工作存在不足之处，一是其理论在均质平板撞击模型基础上对板架结构修正，并未能真正考虑到横梁的变形模式；二是其理论仅能预报剩余速度，对弹丸的偏转没有预报方法，而船体板架横梁对于弹丸的偏转运动十分显著，对弹丸运动有着重要影响。为此，本专利将弹丸视为光滑头部回转体，将船体板架横梁视为刚塑性梁模型，给出回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了对光滑头部回转体撞击船体板架横梁后的运动情况提供一种理论预报方法而提供一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤如下：步骤1：确定回转体撞击横梁之前的初始运动物理量与横梁力学参数；步骤2、得到横梁破坏时刻塑性铰位置ξm；步骤3、计算横梁破坏时刻tm和破坏前的最大位移Wm；步骤4、计算横梁破坏后回转体转角αm、剩余速度Vq以及运动方向角βm，完成回转体撞击船体板架横梁后的运动情况的理论预报。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.步骤1中所述的回转体撞击横梁之前的初始运动物理量包括回转体质量M、转动惯量Jc、头部到质心距离Lc、初始速度V0、初始运动方向与横梁高度方向夹角β0、回转体轴线与初始运动方向夹角α0；横梁力学参数包括单位长度质量m、极限弯矩M0。2.步骤2中横梁破坏时刻塑性铰位置ξm计算方程为：其中：εm为材料断裂应变；3.步骤3中横梁破坏时刻tm和破坏前的最大位移Wm计算公式为：其中，为横梁破坏前运动速度，且4.步骤4中横梁破坏后回转体转角αm、剩余速度Vq以及运动方向角βm的计算公式分别为：αm＝-AWm+AtmV0cosβ0+α0其中，与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的一种光滑头部回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法，根据回转体运动初始参数与横梁结构参数，可以理论计算出回转体撞击后剩余速度、转角与运动方向角，对回转体撞击板架结构运动特性进行快速预报。由于目前并无回转体撞击板架结构横梁的转角与运动方向角理论模型，因此本专利技术填补了这一领域的空白。通过本专利技术公式，可以对船体板架结构撞击问题进行快速和准确的预报，对于船体受撞击毁伤程度的评估与防护结构设计具有理论意义与工程实用价值。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是光滑回转体撞击船体板架横梁简化模型图；图3是横梁运动速度场图；图4是回转体质心位移图；图5是撞击结束后回转体质心速度图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。一种光滑头部回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法，包括以下步骤：步骤1、确定回转体撞击横梁之前的初始运动物理量与横梁力学参数；步骤2、通过编程求解方程计算横梁破坏时刻塑性铰位置ξm；步骤3、计算横梁破坏时刻tm和破坏前的最大位移Wm；步骤4、计算横梁破坏后回转体转角αm、剩余速度Vq以及运动方向角βm。上述方案中，步骤1中所述的回转体撞击横梁之前的初始运动物理量包括回转体质量M、转动惯量Jc、头部到质心距离Lc、初始速度V0、初始运动方向与横梁高度方向夹角β0、回转体轴线与初始运动方向夹角α0；横梁力学参数包括单位长度质量m、极限弯矩M0。上述方案中，步骤2中横梁破坏时刻塑性铰位置ξm计算方程由回转体运动方程与横梁变形方程推导而得。首先针对此问题作出如下假设：1)回转体假设为刚体；2)船体板架横梁视为刚塑性梁模型；3)横梁与回转体运动面垂直，即运动为二维的。4)由于撞击过程短，横梁运动效应在撞击过程中不会抵达边界，因此将横梁视为无限长梁，而塑性铰在撞击过程中沿着梁移动。通过以上假设将问题转化为回转体撞击刚塑性梁问题，简化后的模型如图2所示。由于对称性，回转体在x-y平面作二维平面运动。其中水平方向x为回转体速度方向，板架结构平面法线与水平方向角度为β0。回转体的质心为C。回转体转角α为回转体轴线与水平方向的角度。在撞击过程中，由于横梁的位移相比板架结构尺寸是微小的，因此假设撞击过程中板架结构角度不变，而弹头受力FN沿靶面法线方向。横梁受力大小为FN，方向与回转体受力反向。定义板架结构法线方向为q方向，如图2所示，横梁中点沿q方向位移为W。横梁运动局部坐标系如图3所示。在回转体作用下，横梁塑性铰不断向边界移动，塑性铰坐标为ξ。假设横梁速度场为线性分布，如图3所示，沿全梁分布的速度场可表达为：首先建立回转体运动方程。转动力矩与回转体转角关系为：实际问题中，转角α随时间而改变，即：α(t)＝α0+Δα(t)(4)其中，Δα(t)为转角随时间变化量。但由于撞击时间较短，Δα(t)相比于β0+α0很小，因此式简化为：回转体质心C垂直于靶面位移为Wc，平行于靶面位移为Uc，如图4所示。回转体沿q方向运动方程为：由刚体运动可知，回转体质心位移Wc与梁中点挠度W的关系为：Wc-LcΔα＝W(7)由式和可得：进一步代入式，可得：其中，为等效质量，定义为：假设撞击过程中，回转体在平行于靶板方向不受力，因此平行于靶板的速度分量保持不变：由梁的受力平衡方程可得：代入式可得：在塑性铰处，仅有梁的极限弯矩M0作用，而没有剪力，因此由弯矩平衡方程可得：对式和进行求解，可得梁挠度公式。文献[Normam.Jones著.结构冲击[M].第二版.许俊，蒋平译.北京：国防工业出版社，2018:72-79.]中对求解过程有详细论述，本文不做赘述，仅引用其结论。梁变形区域挠度公式为：...

【技术保护点】
1.一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法，其特征在于：步骤如下：/n步骤1：确定回转体撞击横梁之前的初始运动物理量与横梁力学参数；/n步骤2、得到横梁破坏时刻塑性铰位置ξ

【技术特征摘要】
1.一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：确定回转体撞击横梁之前的初始运动物理量与横梁力学参数；
步骤2、得到横梁破坏时刻塑性铰位置ξm；
步骤3、计算横梁破坏时刻tm和破坏前的最大位移Wm；
步骤4、计算横梁破坏后回转体转角αm、剩余速度Vq以及运动方向角βm，完成回转体撞击船体板架横梁后的运动情况的理论预报。


2.根据权利要求1所述的一种回转体撞击船体板架横梁剩余速度与转角计算方法，其特征在于：步骤1中所述的回转体撞击横梁之前的初始运动物理量包括回转体质量M、转动惯量Jc、头部到质心距离Lc、初始速度V0、初始运动方向与横梁高度方向夹角β0、回转体轴线与初始运动方向夹角α0；横梁力学参数包括单位长度质量m、极限弯矩M0。


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【专利技术属性】
技术研发人员：王治，姚熊亮，王志凯，叶墡君，王逸南，秦业志，洪峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23