一种舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构及其设计与制备方法技术

本发明专利技术公开了一种舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构及其设计与制备方法，所述设计方法包括：构建柔性抗侵彻防护结构的仿真模型并通过仿真模拟获得最优的结构参数，其中，柔性抗侵彻防护结构包括：第一胶膜层，与第一胶膜层粘接的下板层，与下板层通过第二胶膜层粘接的上板层；所述下板层包括依次粘接的低模量有机纤维层和第一碳化陶瓷片层；所述上板层包括依次粘接的第二碳化陶瓷片层和聚脲涂层；所述低模量有机纤维层由弹性模量为120

【技术实现步骤摘要】
一种舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构及其设计与制备方法


[0001]本专利技术属于舰船舱壁防护结构的设计方法的


技术介绍

[0002]随着先进武器装备的迅速发展，舰艇迫切需要具有优良抗侵彻性能的先进防护装备。对于大型水面舰艇而言,舷侧是最易受反舰导弹攻击的部位之一。为保护舰艇，在舷侧布置抗侵彻层是一种有效便捷的防御措施。聚脲等高分子聚合物具有优良的防腐和抗侵彻性能，常用于各种防护领域，被用作抗弹涂层保护结构物，凯夫拉、碳化陶瓷等均具有高强硬质的特点，广泛应用于抗侵彻领域。单一的材料无法兼顾吸能和抗侵彻防护，因此抗侵彻层往往需要多种抗侵彻材料相互配合以实现最佳抗侵彻效果。由于舰船舷侧外板为具有一定弧度的三维曲面，刚性材料难以与舷侧外板贴合，造成抗侵彻层的初始性能损耗。抗侵彻层的传统铺设方式会导致铺设交接处材料不连续，造成抗侵彻防护的缺陷。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于公开一种舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构及其设计方法，所得柔性抗侵彻防护结构能够有效保护船体结构的安全，提升舰船舷侧的防护性能，进一步的，通过其与舷侧贴合的制备方法，可克服防护结构铺设不连续的问题，进一步提高舷侧防护能力。
[0004]本专利技术首先提供了以下技术方案：
[0005]一种舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构的设计方法，其包括：
[0006]S1构建柔性抗侵彻防护结构的仿真模型；
[0007]S2通过对所述柔性抗侵彻防护结构的仿真模型在破片载荷冲击下的有限元模拟，获得其最优设计参数；
[0008]S3根据所述最优设计参数获得柔性抗侵彻防护结构；
[0009]其中，所述柔性抗侵彻防护结构包括：与船体舷侧材料进行粘接的第一胶膜层，与所述第一胶膜层粘接的下板层，与所述下板层通过第二胶膜层粘接的上板层；所述下板层包括依次粘接的低模量有机纤维层和第一碳化陶瓷片层，所述低模量有机纤维层与所述第一胶膜层粘接；所述上板层包括依次粘接的第二碳化陶瓷片层和聚脲涂层，所述第二碳化陶瓷片层与所述第二胶膜层粘接；所述粘接包括全面积粘接或部分面积粘接，即粘接双方完全重叠或部分重叠，所述低模量有机纤维层由弹性模量为120
‑
190Gpa的有机纤维形成。
[0010]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述第一胶膜层和第二胶膜层均由环氧树脂胶黏剂形成。
[0011]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述有机纤维选自聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和/或碳纤维。
[0012]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述低模量有机纤维层和所述第一碳化陶瓷片层通过聚乙烯醇缩醛树脂胶黏剂粘接。
[0013]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述第一和/或第二碳化陶瓷片层由经环氧树脂拼接粘合的碳化陶瓷片形成。
[0014]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述碳化陶瓷片的材料为碳化硅和/或碳化硼。
[0015]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述上层板与所述下层板为尺寸相同的矩形板，且在两者边角部存在全板四分之一面积的重叠粘接。
[0016]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述柔性抗侵彻防护结构的仿真模型中，设置所述抗侵彻防护结构总厚度不高于20mm；所述第一或第二碳化陶瓷片层中每枚碳化陶瓷片为边长100
‑
120mm的矩形，其厚度不低于4mm，单位面积的碳化陶瓷片覆盖率λ不低于0.9；所述下板层为所述有机纤维层和所述第一碳化陶瓷片层全面积粘接的矩形板层，其边长不小于1m；所述上板层为所述第二碳化陶瓷片层与所述第二胶膜层全面积粘接的矩形板层，其边长不小于1m；所述聚脲涂层的厚度不低于1mm。
[0017]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述S2包括：
[0018]通过测试实验，获得防护结构各层材料的力学参数，所述参数包括弹性模量、体积密度、极限强度、抗弯强度中的一项或多项；
[0019]设置防护结构各层厚度参数，包括：设置第一、第二胶膜层的厚度均为1mm，聚脲涂层的厚度为1mm，低模量有机纤维层的初始厚度为amm，第一、第二碳化陶瓷片层的初始厚度均为bmm、由边长为100mm、厚度不低于5mm的正方形碳化陶瓷片形成，单位面积的碳化陶瓷覆盖率λ为0.9，满足：
[0020]a≤b＝t/5+5，且a≥3mm，b≤12mm；
[0021]其中，t表示船体舷侧材料的厚度；
[0022]进行有限元建模及破片冲击模拟；
[0023]根据模拟情况，优化防护结构各层厚度参数，包括：
[0024]在破片冲击模拟中，若柔性抗侵彻防护结构未发生失效，则先减小所述碳化陶瓷片层厚度b，至碳化陶瓷片层厚度低于6mm，其后减小所述低模量有机纤维层厚度，并建立新尺寸的有限元模型，重复该过程至获得不失效情况下的柔性抗侵彻防护结构的临界低模量有机纤维层设计a0和临界碳化陶瓷片层设计厚度b0；
[0025]在破片冲击模拟中，若柔性抗侵彻防护结构发生失效，则先增加所述碳化陶瓷片厚度b，至碳化陶瓷片层厚度高于10mm，其后增加所述低模量有机纤维层厚度，并建立新尺寸的有限元模型，重复该过程至获得不失效情况下的柔性抗侵彻防护结构的临界低模量有机纤维层设计a0和临界碳化陶瓷片层设计厚度b0；
[0026]通过以下计算模型获得实际最优的低模量有机纤维层厚度a
m
和碳化陶瓷片层厚度b
m
：
[0027]a
m
＝a0+1,b
m
＝b0+1。
[0028]根据本专利技术的一些优选实施方式，根据所述有限元建模获得的有限元模型的尺寸不小于2
×
2m。
[0029]本专利技术进一步提供了根据上述设计方法获得的舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构。
[0030]本专利技术进一步提供了根据上述设计方法获得的舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构的制备方法，其包括：
[0031]将所述低模量有机纤维预浸料进行模压成型和固化，得到矩形的所述低模量有机
纤维层，该低模量有机纤维层的厚度为根据所述设计方法得到的最优低模量有机纤维层的厚度a
m
；
[0032]将边长为100mm
‑
120mm的矩形碳化陶瓷片进行喷砂处理，其后依次按加热至50～60℃的环氧树脂胶黏剂、矩形碳化陶瓷片、加热至50～60℃的环氧树脂胶黏剂、矩形碳化陶瓷片
……
的顺序铺设，在完成铺设后，将组合结构置于40～50℃下固化2
‑
3h，得到所述第一碳化陶瓷片层或第二碳化陶瓷片层，所述第一碳化陶瓷片层或第二碳化陶瓷片层的厚度均为根据所述设计方法得到的最优碳化陶瓷片层厚度b
m
；
[0033]在所得低模量有机纤维层上涂抹厚度为1mm的聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂，将所得第一碳化陶瓷片层置于聚乙烯醇缩醛热塑性胶黏剂上，施加压力使两者贴合，形成所述下层板；
[0034]根据舷侧防护尺寸及粘接方式，确定所得第二碳化陶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种舰船舷侧柔性抗侵彻防护结构的设计方法，其特征在于，其包括：S1构建柔性抗侵彻防护结构的仿真模型；S2通过对所述柔性抗侵彻防护结构的仿真模型在破片载荷冲击下的有限元模拟，获得其最优设计参数；S3根据所述最优设计参数获得柔性抗侵彻防护结构；其中，所述柔性抗侵彻防护结构包括：与船体舷侧材料进行粘接的第一胶膜层，与所述第一胶膜层粘接的下板层，与所述下板层通过第二胶膜层粘接的上板层；所述下板层包括依次粘接的低模量有机纤维层和第一碳化陶瓷片层，所述低模量有机纤维层与所述第一胶膜层粘接；所述上板层包括依次粘接的第二碳化陶瓷片层和聚脲涂层，所述第二碳化陶瓷片层与所述第二胶膜层粘接；所述粘接包括全面积粘接或部分面积粘接，即粘接双方完全重叠或部分重叠，所述低模量有机纤维层由弹性模量为120
‑
190Gpa的有机纤维形成。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，其中，所述第一胶膜层和所述第二胶膜层均由环氧树脂胶黏剂形成；和/或，所述低模量有机纤维层和所述第一碳化陶瓷片层通过聚乙烯醇缩醛树脂胶黏剂粘接；和/或，所述有机纤维选自聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和/或碳纤维。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第一和/或第二碳化陶瓷片层由经环氧树脂拼接粘合的碳化陶瓷片形成；所述碳化陶瓷片的材料为碳化硅和/或碳化硼。4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述上层板与所述下层板为尺寸相同的矩形板，且在两者边角部存在全板四分之一面积的重叠粘接。5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述柔性抗侵彻防护结构的仿真模型中，设置所述抗侵彻防护结构总厚度不高于20mm；所述第一或第二碳化陶瓷片层中每枚碳化陶瓷片为边长100
‑
120mm的矩形，其厚度不低于4mm，单位面积的碳化陶瓷片覆盖率λ不低于0.9；所述下板层为所述有机纤维层和所述第一碳化陶瓷片层全面积粘接的矩形板层，其边长不小于1m；所述上板层为所述第二碳化陶瓷片层与所述第二胶膜层全面积粘接的矩形板层，其边长不小于1m；所述聚脲涂层的厚度不低于1mm。6.根据权利要求1的所述的设计方法，其特征在于，所述S2包括：(1)通过测试实验，获得防护结构各层材料的力学参数，所述参数包括弹性模量、体积密度、极限强度、抗弯强度中的一项或多项；(2)设置防护结构各层厚度参数，包括：设置第一、第二胶膜层的厚度均为1mm，聚脲涂层的厚度为1mm，低模量有机纤维层的初始厚度为amm，第一、第二碳化陶瓷片层的初始厚度均为bmm、由边长为100mm、厚度不低于5mm的正方形碳化陶瓷片形成，单位面积的碳化陶瓷覆盖率λ为0.9，满足：a≤b＝t/5+5，且a≥3mm，b≤12mm；其中，t表示船体舷侧材料的厚度；(3)进行有限元建模及破片冲击模拟；(4)根据模拟情况，优化防护结构各层厚度参数，包括：在破片冲击模拟中，若柔性抗侵彻防护结构未发生失效，则先减...

【专利技术属性】
技术研发人员：李营，任宪奔，黎洪秀，陈子豪，周志伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：