一种舰用舱壁变形防护装置及其设计方法

1.本发明属于舰船的舱壁防护装置的技术领域，具体涉及抗冲击和抗内爆的舰用舱壁变形防护装置的技术领域。


背景技术：

2.随着反舰武器类型的快速增多，现代舰船舱壁对内爆冲击防护要求越来越高。目前舰船舱壁多采用防爆墙进行防护，其主要选用具有良好抗冲击性能的高强度钢板，虽然防爆墙能有效的抵御内爆带来的冲击，但其难以抵御内爆发生时可能产生的舱壁大变形导致的边界破坏。从已有的内爆引起的舱壁破坏的案例来看，舱壁的破坏也确实多发生于舱壁的边界部位，因此，提高舱壁边界的变形协调能力，增强边界防护性能尤为必要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种具有舱壁边界变形协调能力的、对内爆产生的冲击能进行有效吸收的舰用舱壁变形防护装置及其设计方法，该防护装置可对舱壁端部(边界部)的防护能力进行加强，保障周边舱室完好。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种舰用舱壁变形防护装置的设计方法，其包括：
6.一种舰用舱壁变形防护装置的设计方法，其特征在于，其包括：
7.s1构建舰用舱壁变形防护装置的仿真模型；
8.s2通过对所述舰用舱壁变形防护装置的仿真模型在受到内爆炸冲击载荷作用下的变形性能模拟，获得其最优设计参数；
9.s3根据所得最优设计参数制备所述舰用舱壁变形防护装置；
10.其中，所述舰用舱壁变形防护装置包括：固定于舰艇舱壁的顶端甲板和底端甲板上的两个结构相同的固定基座，与该两个固定基座分别相连的中部弧形板；所述中部弧形板在其弧形段与所述舱壁相切；所述两个固定基座均包括对称相连的内部弧形基座和外部弧形基座，其相连处即所述中部弧形板与固定基座的相连处；所述内部弧形基座为在其弧形段端部与所述舱壁相切的弧形板；所述外部弧形基座为与所述内部弧形基座呈镜像对称的弧形板；所述中部弧形板在其弧形段两端的厚度小于其在弧形段中的厚度。
11.根据本发明的一些优选实施方式，所述中部弧形板、所述内部弧形基座、所述外部弧形基座均采用船用低碳钢材料。
12.根据本发明的一些优选实施方式，所述中部弧形板、所述内部弧形基座、所述外部弧形基座的外表面均涂覆有绝缘层。
13.根据本发明的一些优选实施方式，所述s2包括：
14.s21构建所述仿真模型的有限元模型；
15.s22设置有限元模型中各部件的材料类型和参数及接触形式，所述接触形式包括点接触和/或面接触；
16.s23设置所述防护装置所用材料满足的应力、应变条件；
17.s24设置模拟中的有限元参数；
18.s25通过仿真模拟，向设置后的有限元模型施加持续时间的、均匀分布的三角脉冲压力，以模拟装置受到的内爆炸载荷；
19.s26通过有限元软件求解舱壁在内爆炸载荷作用下的变形参数，得到舱壁变形状态、材料等效塑性应变分布和应力状态结果；
20.s27改变仿真模型中，所述中部弧形板、内部弧形基座和外部弧形基座的厚度、弧段长度、弧段半径以及选材，在满足舱壁的强度及变形要求的前提下，以可获得装置最小重量对应的参数，为最优防护装置设计参数。
21.根据本发明的一些优选实施方式，所述s22中，所述材料类型和参数包括：所述甲板为刚体，所述舱壁、中部弧形板、内部弧形基座和外部弧形基座均为船用低碳钢材料，其密度ρ＝7 850kg/m3，弹性模量e＝210gpa，泊松比μ＝0.3，准静态屈服应力为σ0＝235mpa，eh＝250mpa，材料常数d、p分别为d＝40.4/s，p＝5。
22.根据本发明的一些优选实施方式，所述s22中，所述接触形式包括：所述舱壁和所述中部弧形板、所述中部弧形板和所述内部弧形基座、所述中部弧形板和所述外部弧形基座之间的接触均为面接触。
23.根据本发明的一些优选实施方式，所述s23中，所述应力、应变条件包括：
24.动态屈服应力与静态屈服应力比值关系：
[0025][0026]
其中，σd为动态屈服应力，σy为静态屈服应力，为材料的应变率，d和p均为材料常数；
[0027]
损伤开动临界塑性应变εd计算模型：
[0028][0029]
其中，η为应力三轴度，d
01
、d
02
、d
03
、d1、d2、d3、d4为材料的断裂参数。
[0030]
根据本发明的一些优选实施方式，所述s25中，所述持续时间设置为10ms。
[0031]
根据本发明的一些优选实施方式，所述应力状态结果包括：
[0032]
当η≤-1/3时，材料只受到压缩应力作用；
[0033]
当-1/3＜η＜0时，材料受到压缩和剪切应力的联合作用；
[0034]
当η＝0时，材料只受剪切应力作用；
[0035]
当0＜η＜1/3时，材料受到拉伸和剪切应力的联合作用；
[0036]
当η≥1/3时，材料只受到拉伸应力作用。
[0037]
根据以上设计方法可对应获得舰用舱壁变形防护装置。
[0038]
本发明的舰用舱壁变形防护装置，在受到任意方向外力作用于舱壁表面时，由于内部弧形基座的作用，能够有效阻止舱壁发生边界剪切破坏，舱壁受到的部分能量由传递
至中部弧形板后，由中部弧形板发生塑性变形吸收一部分能量，再将其余一部分能量传递到外部弧形基座，通过外部弧形基座分散冲击能量至相连的甲板，充分分散应力，达到良好抗冲击和抗内爆效果。
[0039]
本发明提供的舰用舱壁变形防护装置有较高强度和优良的端部抗剪切效果，具有良好的变形协调性能，能够够有效抵御变形，具有良好的减振性能，能降低产生裂缝及疲劳的可能性；且其结构简单，方便涂装施工和质量检验。
[0040]
本发明建立的舰用舱壁变形防护装置有限元模型中，可以根据所确定的有限元模型参数对舱壁变形进行仿真计算，然后，根据仿真结果优化模型尺寸，如仿真结果显示舱壁与甲板连接处发生明显的剪切变形、甚至发生剪切破坏，则可将内部弧形基座更换刚度更大的材料抵抗舱壁变形或者增大内部弧形支座厚度重新设计尺寸，重新建立变形协调装置几何模型，再次根据确定的有限元模型参数对舱壁变形进行仿真计算，不断迭代，直到满足舰用舱壁设计性能要求，本发明根据有限元仿真结果对结构进行优化设计的方法，可缩短舰用舱壁变形防护装置的开发时间，极大地提高开发效率。
附图说明
[0041]
图1为舰用舱壁变形防护装置的总体结构示意图。
[0042]
图2为舰用舱壁变形防护装置侧视结构示意图。
[0043]
图3为舰用舱壁变形防护装置设计方法流程图。
[0044]
其中：1-甲板，2-竖直舱壁，3-中部弧形板，4-内部弧形基座，5-外部弧形基座。
具体实施方式
[0045]
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
[0046]
参照附图3所示的设计方法实施过程，其包括：
[0047]
s1构建舰用舱壁变形防护装置仿真模型；
[0048]
在一些具体实施方式中，舰用舱壁变形防护装置具有如附图1-2所示的结构，其包括：固定于竖直舱壁2的顶端甲板1和底端甲板上的两个结构相同的固定基座，与该两个固定基座分别相连的中部弧形板3，该中部弧形板3在其弧形段与竖直舱壁2相切，两个固定基座均包括对称相连的内部弧形基座4和外部弧形基座5，其相连处即中部弧形板3与固定基座的相连处，其中，内部弧形基座4为在弧形段端部与竖直舱壁2相切的弧形板，外部弧形基座5为弧形段弯曲方向与内部弧形基座4的弧形段弯曲方向相反的弧形板，且，中部弧形板3在其弧形段两端的厚度小于其在弧形段中的厚度。
[0049]
以上装置中，中部弧形板3由上、下两个内部弧形基座4和两个外部弧形基座5共同支撑，中部弧形板3能够将竖直舱壁受到的冲击通过变形吸收并分散出去，内部弧形基座4可改变舱壁与甲板连接处的应力状态，达到良好的边缘抗剪切作用，外部弧形基座5可缓冲获得的中部弧形板变形冲击，并将部分冲击继续传递给甲板。
[0050]
在具体的一些实施方式中，内部弧形基座4、外部弧形基座5均可通过焊接方式与甲板连接，中部弧形板3可嵌入至内部弧形基座4和外部弧形基座5之间。
[0051]
该舰用舱壁变形防护装置上下对称，结构简单、强度高，抗冲击性能好，应力分散性强，吸收的振动能量多。
[0052]
在一些优选实施方式中，中部弧形板3、内部弧形基座4、外部弧形基座5的外表面均可涂覆绝缘层，绝缘层选用陶瓷纤维为主要原料，可采用如湿法成型工艺制成，为耐高温绝缘隔热的高级轻质材料。
[0053]
在一些优选实施方式中，中部弧形板3、内部弧形基座4、外部弧形基座5均采用屈服强度为235mpa的船用低碳钢。
[0054]
以上装置中，中部弧形板的弧段圆心、半径、长度和厚度，内部弧形基座的圆心、半径、长度和厚度，外部弧形基座的圆心、半径、长度和厚度等根据仿真模拟设计获得。
[0055]
s2通过对所述舰用舱壁变形防护装置的仿真模型在受到内爆冲击后的变形过程的有限元模拟，获得满足舱壁设计性能要求的最优防护装置设计参数；
[0056]
在一些具体实施方式中，所述有限元模拟包括：
[0057]
s21构建所述仿真模型的有限元模型，如：所述仿真模型可先通过solidworks、catia等三维设计软件进行建模，其后可进一步导入abaqus等有限元软件中，获得有限元模型。
[0058]
s22设置模型中各结构件的材料参数及接触形式。
[0059]
如在一些具体实施例中，将甲板1设置为刚体，竖直舱壁2、中部弧形板3、内部弧形基座4和外部弧形基座5均采用船用低碳钢材料，其材料参数为：密度ρ＝7 850kg/m3，弹性模量e＝210gpa，泊松比μ＝0.3，准静态屈服应力为σ0＝235mpa，上屈服强度eh＝250mpa，低碳钢的材料常数d、p分别取d＝40.4/s，p＝5。
[0060]
在一些具体实施例中，根据接触面的定义要求，将竖直舱壁2和中部弧形板3、中部弧形板3和内部弧形基座4、中部弧形板3和外部弧形基座5之间的接触均设置为表面接触。
[0061]
s23设置装置所用材料需要满足的力学条件。
[0062]
如设置模型所用材料满足以下采用cowper-symonds模型的动态屈服应力与静态屈服应力比值关系：
[0063][0064]
其中，σd为动态屈服应力，σy为静态屈服应力，为材料的应变率，d和p均为材料常数。
[0065]
且，所用材料满足以下损伤开动临界塑性应变εd计算模型：
[0066][0067]
其中，η为应力三轴度，d
01
、d
02
、d
03
、d1、d2、d3、d4为材料的断裂参数，均为常量，通过材料试验数据进行拟合得到。
[0068]
s24设置模拟中的有限元参数，如在划分网格的形式下，采用沙漏控制的c3d8r8节点，单元特征边长设置为5mm。
[0069]
s25通过仿真模拟，向有限元模型施加一定持续时间的、均匀分布的三角脉冲压力，以模拟装置受到的内爆炸载荷，压力持续时间可设置如10ms。
[0070]
s26通过有限元软件求解舱壁在内爆炸荷载下的变形参数，分别得到舱壁变形状态、舰用舱壁变形防护装置的等效塑性应变分布和应力状态结果。
[0071]
所述求解可通过如在abaqus软件中提交job实现。
[0072]
其中，舱壁变形状态变形过程中，各处的应力状态均将不断变化。研究表明，材料的受力特征可以用应力三轴度η直接表征：当材料受纯压缩时，η≤-1/3；材料受压剪联合作用时，-1/3＜η＜0；材料受纯剪切时，η＝0；材料受拉剪联合作用时，0＜η＜1/3；材料受纯拉伸作用时，η≥1/3。
[0073]
舰用舱壁变形防护装置的等效塑性应变分布和应力状态结果可通过abaqus软件的后处理模块输出模型的应力三轴度得到。
[0074]
s27改变中部弧形板、内部弧形基座和外部弧形基座的厚度、弧段长度、弧段半径以及选材，以满足舱壁的强度及变形要求为设计前提，以满足设计前提下的最小重量对应的装置参数，为最优防护装置设计参数，其中，所述变形要求如：在舱壁不发生破坏的前提下，尽量减小舱壁的最大塑性变形、局部塑性应变和剪切应力。
[0075]
其中，中部弧形板的弧段长度由上下甲板间的距离确定，中间弧段厚度及端部缩减厚度需满足在所选择的弧形板材料下承受由舱壁传递出的载荷而不发生破坏，其厚度缩减的端部应在确定尺寸后拼接在内部弧形基座和外部弧形基座之间，其端部缩减弧段长度应大于等于内部弧形基座和外部弧形基座的厚度，内部弧形基座端部的弧段半径和长度根据竖直舱壁的厚度和中部弧形板的弧段长度和端部厚度缩减部分长度确定。
[0076]
在具体实施例中，以上过程如：可先确定内外部弧形基座的厚度和弧度，之间预留一定间隙以设计中部弧形板端部缩减区域厚度，中部弧形板中间区域厚度略大于端部，然后根据abaqus软件进行模拟验证。根据舱壁的破坏状态不断调整内外弧形基座的间隙大小，以此调整中部弧形板厚度。从而在满足舱壁端部不发生破坏的前提下尽量减小中部弧形板厚度。
[0077]
s3根据所得最优设计参数制备所述舰用舱壁变形防护装置。
[0078]
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种舰用舱壁变形防护装置的设计方法，其特征在于，其包括：s1构建舰用舱壁变形防护装置的仿真模型；s2通过对所述舰用舱壁变形防护装置的仿真模型在受到内爆炸冲击载荷作用下的变形性能模拟，获得其最优设计参数；s3根据所得最优设计参数制备所述舰用舱壁变形防护装置；其中，所述舰用舱壁变形防护装置包括：固定于舰艇舱壁的顶端甲板和底端甲板上的两个结构相同的固定基座，与该两个固定基座分别相连的中部弧形板；所述中部弧形板在其弧形段与所述舱壁相切；所述两个固定基座均包括对称相连的内部弧形基座和外部弧形基座，其相连处即所述中部弧形板与固定基座的相连处；所述内部弧形基座为在其弧形段端部与所述舱壁相切的弧形板；所述外部弧形基座为与所述内部弧形基座呈镜像对称的弧形板；所述中部弧形板在其弧形段两端的厚度小于其在弧形段中的厚度。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述中部弧形板、所述内部弧形基座、所述外部弧形基座均采用船用低碳钢材料。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述中部弧形板、所述内部弧形基座、所述外部弧形基座的外表面均涂覆有绝缘层。4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述s2包括：s21构建所述仿真模型的有限元模型；s22设置有限元模型中各部件的材料类型和参数及接触形式，所述接触形式包括点接触和/或面接触；s23设置所述防护装置所用材料满足的应力、应变条件；s24设置模拟中的有限元参数；s25通过仿真模拟，向设置后的有限元模型施加持续时间的、均匀分布的三角脉冲压力，以模拟装置受到的内爆炸载荷；s26通过有限元软件求解舱壁在内爆炸载荷作用下的变形参数，得到舱壁变形状态、舰用舱壁变形防护装置的材料等效塑性应变分布和应力状态结果；s27改变仿真模型中，所述中部弧形板、内部弧形基座和外部弧形基座的厚度、弧段长度、弧段半径以及选材，在满足舱壁的强度及变形要求的前提下，以可获得装置最小重量对应的参数，为最优防护装置设计参数。5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述s22中，所述材料类型和参数包括：所述甲板为刚体，所述舱壁、中部弧形板、内部弧形基座和外部弧形基座均为船用低碳钢材料，其密度ρ＝7850kg/m3，弹性模量e＝210gpa，泊松比μ＝0.3，准静态屈服应力σ0＝235mpa，上屈服强度e
h
＝250mpa，材料常数d、p分别为d＝40.4/s，p＝5。6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述s22中，所述接触形式包括：所述舱壁和所述中部弧形板、所述中部弧形板和所述内部弧形基座、所述中部弧形板和所述外部弧形基座之间的接触均为面接触。7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述s23中，所述应力、应变条件包括：动态屈服应力与静态屈服应力比值关系：
其中，σ
d
为动态屈服应力，σ
y
为静态屈服应力，为材料的应变率，d和p均为材料常数；损伤开动临界塑性应变ε
d
计算模型：其中，η为应力三轴度，d
01
、d
02
、d
03
、d1、d2、d3、d4为材料的断裂参数，通过材料试验数据拟合得到。8.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述s25中，所述持续时间设置为10ms。9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述应力状态结果包括：当η≤-1/3时，材料只受到压缩应力作用；当-1/3＜η＜0时，材料受到压缩和剪切应力的联合作用；当η＝0时，材料只受剪切应力作用；当0＜η＜1/3时，材料受到拉伸和剪切应力的联合作用；当η≥1/3时，材料只受到拉伸应力作用。10.根据权利要求1-9中任一项所述的设计方法制备得到的舰用舱壁变形防护装置。

技术总结
本发明公开了一种舰用舱壁变形防护装置及其设计方法，所述设计方法包括：构建防护装置仿真模型，该防护装置包括：固定于舱壁顶端甲板和底端甲板上的两个相同的、包括对称相连的内部弧形基座和外部弧形基座固定基座，与该两个固定基座分别相连的、在其弧形段与舱壁相切的中部弧形板，中部弧形板在其弧形段两端的厚度小于其在弧形段中的厚度。本发明可获得具有舱壁边界变形协调能力的、对内爆产生的冲击能进行有效吸收的舰用舱壁变形防护装置。能进行有效吸收的舰用舱壁变形防护装置。能进行有效吸收的舰用舱壁变形防护装置。


技术研发人员：李营 任宪奔 晁浩南 方岱宁
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/6/28