可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构

1.本发明涉及舰船结构防护技术领域，具体为可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构。


背景技术：

2.舰船服役面临着水下爆炸、冲击和侵彻等强动载荷威胁，其高峰值、短历时和重复加载的非均匀入射能量对有限空间的舰船液舱防护结构的抗冲击防护性能不断发出挑战，实现能量的有效耗散是构筑先进防护液舱结构体系的关键。在强动载荷下，降低舰船防护液舱的变形损伤和能量的继续传递，能够有效的对船体结构起到保护作用，而要达到这种效果，防护液舱结构及其内部结构形式的能量吸收和耗散能力是提升舰船结构和内部人员的安全性的关键技术。
3.传统吸能填充材料较低的能量吸收密度、吸能局部化效应以及响应速度慢等问题使其不具备作为大体积填充材料的潜力。疏液纳米多孔颗粒和对应液体组成的液态纳米能量吸收体系具有超大吸能密度、超快载荷传递速度和重复吸能特性。
4.相关技术作为优异的动态能量吸收体系在小型吸能装置中有相关文献，例如cn104228929a和cn104228727a。然而相关技术中涉及的被填充结构仅仅是较小尺寸的吸能结构，相关的容器的制造成本高、制造工艺难度大，而且涉及到了填充不同电解质等复杂工艺对液态纳米能量吸收体系进行性能调控，所关注的吸能特性不适用于舰船液舱结构，所涉及的能量吸收方式也无法满足舰船防护液舱对强动载非均匀能量吸收的要求。
5.舰船防护液舱的一个重要作用是通过液舱内液体完成对爆炸产生的冲击波，以及高速破片侵彻形成的冲击波等复杂强动载荷的耗散。爆炸冲击波作用在防护液舱上，或者是高速破片侵彻造成的水锤效应引起的冲击波在液舱中均是以圆形扩散和传播。针对这种特性在液舱中设计圆柱等冲击波弥散设计能够对冲击波进行一定程度的有效耗散，例如cn 114212194a和cn114212186a等对舰船舷侧液舱以及相连结构进行结构优化设计，达到对冲击波的弥散和降低结构变形。但是相关技术对强动载能量耗散的程度较为有限，冲击波通过液舱内部的弥散和叠加作用于舱壁上的载荷对结构的损伤无法得到较大程度的改善，且涉及到大范围的结构优化设计和改造，大幅度增加制造成本外还增加了制造和维护难度。
6.因此，在此基础上进行冲击波弥散机制的优化，并充分利用舱内液体在爆炸冲击能量吸收和耗散中的作用时至关重要的，为此，提出可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，以解决上述背景技术中提出的现有技术中对强动载能量耗散的程度较为有限，冲击波通过液舱内部的弥散和叠加作用于舱壁上的载荷对结构的损伤无法得到较大程度的改善，且涉及到大范围的结构优化设计和改造，大幅度增加制造成本外还增加了制造和维护难度问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，包括舷侧外板，还包括从舷侧外板外侧至内侧顺次排列的液舱外板、液舱和液舱内板，所述液舱内部设置有前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列，所述前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列对称设置，并通过框架固定于液舱中，所述液舱内部设置有悬浊态填充液；
9.所述前置冲击波弥散阵列包括多个前置前排楔形长柱和多个前置后排楔形长柱，所述前置后排楔形长柱与前排楔形长柱之间设置有间距，且前置后排楔形长柱和前排楔形长柱在水平方向上的投影错位分布。
10.由液舱外板、液舱内板、液舱以及液舱内部设置的悬浊态填充液与上下甲板构成舰船防护液舱的整体结构，通过前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列，以分别对入射冲击波和反射冲击波起到不同的弥散作用，降低液舱内部的冲击波强度。
11.优选的，所述前排楔形长柱底边平行与液舱外板设置，且前置前排楔形长柱与液舱外板之间设置有间距。
12.优选的，所述前置后排楔形长柱与前排楔形长柱之间的间距小于前置前排楔形长柱与液舱外板之间的间距。
13.优选的，所述后置冲击波弥散阵列包括多个后置前排楔形长柱和多个后置后排楔形长柱。
14.优选的，所述多个前置前排楔形长柱、多个前置后排楔形长柱、后置前排楔形长柱和多个后置后排楔形长柱均是等距均匀分布，且均为钢制的等腰楔形长柱。
15.在爆炸与冲击载荷作用下，作用于防护液舱上的冲击波作用之后，在液舱内部的能量耗散分为宏观能量耗散以及微观吸能吸收与耗散，且同时同时发生，实现对入射能量的高效吸收耗散。
16.宏观能量耗散通过前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列完成。
17.在爆炸点发生爆炸时，爆炸产生的冲击波呈弧形进行外扩，其中首先通过前置冲击波弥散阵列的前置前排楔形长柱进行冲击波的弥散，部分冲击波透过前置前排楔形长柱被前置后排楔形长柱捕捉，后排前置后排楔形长柱同时也对经由前排弥散后的冲击波进一步处理，削弱冲击波的峰值压力，降低水下冲击波威力。且这个过程在后续经过后置冲击波弥散阵列时再次对冲击波峰值进行削弱。
18.同样的，冲击波在经由液舱内板的反射和叠加后，作用于后置冲击波弥散阵列的后置前排楔形长柱和后置后排楔形长柱，发生对冲击波的威力的削弱，与前置冲击波弥散阵列削弱冲击波的原理相同，因此不再赘述。
19.优选的，所述悬浊态填充液具体为疏液纳米多孔固体颗粒与液体混合构成一种悬浊态液态纳米能量吸收体，所述疏液纳米多孔固体颗粒为平均孔径为0.2nm-10nm的纳米多孔材料，纳米多孔颗粒的孔容在0.2ml/g-1ml/g、比表面积为200-1000m2/g，所述的疏液纳米多孔固体颗粒采用上述不同孔径的疏液沸石和二氧化硅颗粒组成；
20.其中液体可选用海水，可在需要的随时进行随时填充，无需额外的加工工艺，能够快速实现功能。
21.微观的能量吸收过程发生在疏液纳米多孔固体颗粒与液体相互作用之间。液舱中的填充的液态纳米能量吸收体系的可重复吸能材料通过微观的纳米流控行为进行能量的
吸收、存储与耗散。在冲击波作用下，高峰值的压力载荷驱动液体以超快的响应速度进入疏液纳米多孔固体颗粒的孔道中，并以自适应的高速在孔道中流动，将外部的机械能转换为微观尺度的固液界面能。鉴于疏液纳米多孔固体颗粒的超大比表面和孔容，固液复合材料具有远高于传统吸能材料的能量吸收密度，且响应速度快。该过程能够快速的将入射冲击波能量转换为固液界面能存储与纳米材料中。
22.待液舱中能量密度降低到一定程度，以至于不会引起明显的结构损伤时，孔道中液体渗出。
23.当再次受载，或者液舱受到重复载荷加载时，液体再次渗入孔道。至此，便实现了微观尺度的吸能-存储-卸载的重复吸能过程。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.1、本发明考虑在爆炸与冲击载荷作用下，作用于防护液舱上的冲击波作用之后，在液舱内部的能量耗散分为宏观能量耗散以及微观吸能吸收与耗散，通过在液舱内部设置有前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列，通过前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列，以分别对入射冲击波和反射冲击波起到不同的弥散作用，降低液舱内部的冲击波强度；
26.2、本发明通过在液舱内部设置悬浊态填充液，悬浊态填充液具体为疏液纳米多孔固体颗粒与液体混合构成一种悬浊态液态纳米能量吸收体，通过微观的纳米流控行为进行能量的吸收、存储与耗散，在冲击波作用下，高峰值的压力载荷驱动液体以超快的响应速度进入疏液纳米多孔固体颗粒的孔道中，并以自适应的高速在孔道中流动，将外部的机械能转换为微观尺度的固液界面，多弥散的冲击波进行有效的遏制和耗散，对强动载荷具有强削弱性；
27.综上所述，本发明通过前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列、和基于纳米多孔材料的悬浊态填充液能够大幅度的提升对入射能量的耗散，显著降低作用于液舱内板的载荷，继而达到提升液舱防护能力的技术要求。
附图说明
28.图1为本发明的整体结构视图；
29.图2为本发明的前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列的示意图；
30.图3为本发明的悬浊态填充液试样及其组成示意图；
31.图4为本发明的爆炸冲击波作用下液体受载渗入纳米孔示意图；
32.图5为本发明的液态纳米能量吸收体系循环加载压力-体积变化曲线；
33.图6为本发明的基于nacl的海水的液态纳米能量吸收体系液体渗入渗出过程示意图。
34.图中：
35.1、液舱外板；
36.2、液舱内板；
37.3、前置冲击波弥散阵列；301、前置前排楔形长柱；302、前置后排楔形长柱；
38.4、后置冲击波弥散阵列；401、后置前排楔形长柱；402、后置后排楔形长柱；
39.5、疏液纳米多孔颗粒；501、孔道；
40.6、液体；
41.701、爆炸点；702、冲击波。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.请参阅图1和图2，本发明提供可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构的技术方案：
44.可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，包括舷侧外板，还包括从舷侧外板外侧至内侧顺次排列的液舱外板1、液舱和液舱内板2，所述液舱内部设置有前置冲击波弥散阵列3和后置冲击波弥散阵列4，所述前置冲击波弥散阵列3和后置冲击波弥散阵列4对称设置，并通过框架固定于液舱中，所述液舱内部设置有悬浊态填充液；
45.所述前置冲击波弥散阵列3包括多个前置前排楔形长柱301和多个前置后排楔形长柱302，所述前置后排楔形长柱302与前排楔形长柱301之间设置有间距，且前置后排楔形长柱302和前排楔形长柱301在水平方向上的投影错位分布。
46.在爆炸与冲击载荷作用下，作用于防护液舱上的冲击波作用之后，在液舱内部的能量耗散分为宏观能量耗散以及微观吸能吸收与耗散，且同时同时发生，实现对入射能量的高效吸收耗散。
47.宏观能量耗散通过前置冲击波弥散阵列3和后置冲击波弥散阵列4完成。
48.所述前排楔形长柱301底边平行与液舱外板1设置，且前置前排楔形长柱301与液舱外板1之间设置有间距，所述前置后排楔形长柱302与前排楔形长柱301之间的间距小于前置前排楔形长柱301与液舱外板1之间的间距，在爆炸点发生爆炸时，或冲击和侵彻等强动载荷而产生对舰船有害的冲击波702，冲击波702作用在防护液舱上，或者是高速破片侵彻造成的水锤效应引起的冲击波702在液舱中均是以圆形扩散和传播，形成的冲击波702，冲击波702在液舱内部呈弧形半圆形进行外扩，其中首先通过前置冲击波弥散阵列3的前置前排楔形长柱301进行冲击波702的弥散，部分冲击波702透过前置前排楔形长柱301被前置后排楔形长柱302捕捉，后排前置后排楔形长柱302同时也对经由前排弥散后的冲击波702进一步处理，削弱冲击波的峰值压力，降低水下冲击波702威力。且这个过程在后续经过后置冲击波弥散阵列4时再次对冲击波702峰值进行削弱。
49.同样的，冲击波在经由液舱内板的反射和叠加后，作用于后置冲击波弥散阵列4的后置前排楔形长柱401和后置后排楔形长柱402，发生对冲击波的威力的削弱，与前置冲击波702弥散阵列3削弱冲击波的原理相同，因此不再赘述。
50.进一步的，所述后置冲击波弥散阵列4包括多个后置前排楔形长柱401和多个后置后排楔形长柱402，所述多个前置前排楔形长柱301、多个前置后排楔形长柱302、后置前排楔形长柱401和多个后置后排楔形长柱402均是等距均匀分布，且均为钢制的等腰楔形长柱。
51.需要说明的是，前置冲击波弥散阵列3和后置冲击波弥散阵列4的具体形状不局限
于等腰三角形和一致的尺寸。
52.其中可以理解为前置冲击波弥散阵列3由前后两排组成，即多个前置前排楔形长柱301和多个前置后排楔形长柱302，所有前置前排楔形长柱301和多个前置后排楔形长柱302的尺寸均相同，仅仅存在安装位置上的差距，通过前置前排楔形长柱301和多个前置后排楔形长柱302，以起到对入射冲击波更高效的捕捉。
53.后置冲击波弥散阵列4也是由前后两排组成，与前置冲击波弥散阵列3相反，即为对称设置，后置冲击波弥散阵列4是为了对反射冲击波更高效的捕捉。
54.进一步的，所述悬浊态填充液具体为疏液纳米多孔固体颗粒5与液体6混合构成一种悬浊态液态纳米能量吸收体，所述疏液纳米多孔固体颗粒材料5为平均孔径为0.2nm-10nm的纳米多孔材料，纳米多孔颗粒的孔容在0.2ml/g-1ml/g、比表面积为200-1000m2/g，所述的疏液纳米多孔固体颗粒5采用上述不同孔径的疏液沸石和二氧化硅颗粒组成。
55.请参阅图3，将一定量的疏液纳米多孔5放置于液舱，填充进入液体6，构成一种悬浊态的液体填充材料—液态纳米能量吸收体系，所述液态纳米能量吸收体系中的液体6为海水。可在需要的随时进行随时填充，无需额外的加工工艺，能够快速实现功能。
56.所述的液态纳米能量吸收体系能够适用于舰船在受到10-1
mpa-102mpa峰值水下冲击波压力作用下的重复能量吸收、耗散和存储。
57.请参阅图4、图5和图6，以图4为例，爆炸点701而产生的冲击波702在液舱内部以弧度状外扩，微观的能量吸收过程发生在疏液纳米多孔颗粒5与海水6相互作用之间。液舱中的填充的液态纳米能量吸收体系的可重复吸能材料通过微观的纳米流控行为进行能量的吸收、存储与耗散。在冲击波702作用下，高峰值的压力载荷驱动液体6以超快的响应速度进入疏液纳米多孔颗粒5的孔道501中，并以自适应的高速在孔道中流动，将外部的机械能转换为微观尺度的固液界面能。鉴于疏液纳米多孔颗粒5的超大比表面和孔容，固液复合材料具有远高于传统吸能材料的能量吸收密度，且响应速度快。该过程能够快速的将入射冲击波能量转换为固液界面能存储与纳米材料中。
58.待液舱中能量密度降低到一定程度，以至于不会引起明显的结构损伤时，孔道501中液体6自动渗出，相当于自然界中的涨潮和退潮，与其原理类似。
59.当再次受载，或者液舱受到重复载荷加载时，液体6再次渗入孔道501。至此，便实现了微观尺度的吸能-存储-卸载的重复吸能过程。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，包括舷侧外板，其特征在于：还包括从舷侧外板外侧至内侧顺次排列的液舱外板(1)、液舱和液舱内板(2)，所述液舱内部设置有前置冲击波弥散阵列(3)和后置冲击波弥散阵列(4)，所述前置冲击波弥散阵列(3)和后置冲击波弥散阵列(4)对称设置，并通过框架固定于液舱中，所述液舱内部设置有悬浊态填充液；所述前置冲击波弥散阵列(3)包括多个前置前排楔形长柱(301)和多个前置后排楔形长柱(302)，所述前置后排楔形长柱(302)与前排楔形长柱(301)之间设置有间距，且前置后排楔形长柱(302)和前排楔形长柱(301)在水平方向上的投影错位分布。2.根据权利要求1所述的可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，其特征在于：所述前排楔形长柱(301)底边平行与液舱外板(1)设置，且前置前排楔形长柱(301)与液舱外板(1)之间设置有间距。3.根据权利要求2所述的可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，其特征在于：所述前置后排楔形长柱(302)与前排楔形长柱(301)之间的间距小于前置前排楔形长柱(301)与液舱外板(1)之间的间距。4.根据权利要求1所述的可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，其特征在于：所述后置冲击波弥散阵列(4)包括多个后置前排楔形长柱(401)和多个后置后排楔形长柱(402)。5.根据权利要求1所述的可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，其特征在于：所述多个前置前排楔形长柱(301)、多个前置后排楔形长柱(302)、后置前排楔形长柱(401)和多个后置后排楔形长柱(402)均是等距均匀分布，且均为钢制的等腰楔形长柱。6.根据权利要求1所述的可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，其特征在于：所述悬浊态填充液具体为疏液纳米多孔固体颗粒(5)与液体(6)混合构成一种悬浊态液态纳米能量吸收体，所述疏液纳米多孔固体颗粒(5)为平均孔径为0.2nm-10nm的纳米多孔材料，纳米多孔颗粒的孔容在0.2ml/g-1ml/g、比表面积为200-1000m2/g，所述的疏液纳米多孔固体颗粒(5)采用上述不同孔径的疏液沸石和二氧化硅颗粒组成。

技术总结
本发明公开了可重复的跨尺度固液复合吸能防护液舱结构，包括舷侧外板，还包括从舷侧外板外侧至内侧顺次排列的液舱外板、液舱和液舱内板，所述液舱内部设置有前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列，所述前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列对称设置，并通过框架固定于液舱中，所述液舱内部设置有悬浊态填充液；所述前置冲击波弥散阵列包括多个前置前排楔形长柱和多个前置后排楔形长柱。本发明通过前置冲击波弥散阵列和后置冲击波弥散阵列、和基于纳米多孔材料的悬浊态填充液能够大幅度的提升对入射能量的耗散，显著降低作用于液舱内板的载荷，继而达到提升液舱防护能力的技术要求。术要求。术要求。


技术研发人员：黄威 冯海琪 方搏鹏 刘加一
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/25