内爆防护装置、防护能力评估方法及潜器

本发明涉及水下内爆结构毁伤防护，具体地，涉及一种内爆防护装置、防护能力评估方法及潜器。

背景技术：

1、中空结构的耐压壳作为深海潜器的重要组成部分，为内部的非耐压设备的正常作业提供了保障。但针对深海潜器的安全性评估，一般只考虑静力学强度、疲劳载荷及极限载荷三个方面。但是，在极端环境下工作的耐压壳承受着超高静水压力，一旦这样的外部应力载荷超过了抗拉强度、屈曲强度或抗拉强度，潜器耐压结构就容易发生内爆，对深海潜器会造成灾难性毁伤。因此，通过设计一种深海潜器适用的轻量化内爆防护装置，能够有效避免局部内爆导致的多个耐压壳的连锁内爆反应，从而避免整个设备的破坏，这能为极端环境下重点设备和目标的提供安全防护。

2、深海水下内爆会对临近水下结构分别产生吸引和冲击毁伤作用。通过内爆防护装置对内爆产生的稀疏波和冲击波进行削弱和衰减，能够有效地降低内爆对临近水下结构物的毁伤能力，对于水下航行器和载人深潜器等深海设备的安全性和使用寿命具有重要的工程应用价值。

3、现有公开号为cn103303430a的中国专利申请文献，其公开了一种新型复合材料的水下潜器的设计理念，给出了设计工艺。复合潜器的船体的外壳主要分为三层壳结构，分为外层(高强度碳纤维扰流层)，内层(高强度碳纤维包裹曾)以及复合夹层(预制的特殊工艺的浮力材料拼装粘合)。其主要的制作工艺包括：模具制作要求，外表层涂层制作，内部夹层材料填充，内表层涂层固定，潜器整体固定成型处理及空间填充。

4、现有技术中存在以下缺陷：在对冲击毁伤防护装置方面，现有的水面舰艇及潜艇防护装置没有要考虑超高静水压对防护装置防护能力的影响。在防护装置材料应用方面，现有的弹性材料、泡沫材料等没有考虑在超高静水压下的密实化问题，现有的金属材料没有考虑防护装置的轻量化问题及深海环境对材料的腐蚀问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内爆防护装置、防护能力评估方法及潜器。

2、根据本发明提供的一种内爆防护装置，包括外层支撑板、夹心点阵结构以及内层支撑板，所述夹心点阵结构位于外层支撑板和内层支撑板之间；所述夹心点阵结构包括多个由多个金字塔型晶胞，任一所述金字塔型晶胞均包括多个胞元梁；所述外层支撑板和夹心点阵结构组成吸能结构，安装在被防护结构外表面。

3、优选地，位于夹心点阵结构中部的任一所述金字塔型胞元的每个胞元梁的端点都与不同方向的其它金字塔型晶胞的胞元梁连接。

4、优选地，开放结构点阵边缘的胞元梁自由移动。

5、优选地，封闭结构点阵边缘封闭，边缘处胞元梁与其他金字塔型晶胞或支撑薄板连接。

6、优选地，在深海潜器耐压壳处布置固定支架，在固定支架上布置内爆防护吸能装置；内爆防护吸能装置的内部留有被防护结构布置腔且内爆防护吸能装置的形状与耐压壳的形状相适应。

7、优选地，夹心点阵结构的形状包括平板状的夹心结构，用于防护耐压壳之间布置的潜器设备，包括动力系统、传动系统、控制系统和数据采集系统；

8、和/或，夹心点阵结构的形状包括半圆柱状或圆柱状的夹心结构，用于防护潜器上的圆柱形耐压壳、摄像机及探照灯等非封闭防护结构；

9、和/或，夹心点阵结构的形状包括球形夹心结构，用于防护潜器上的球形耐压壳等封闭防护结构。

10、优选地,夹心点阵结构的材料包括钛合金。

11、根据本发明提供的一种内爆防护装置的防护能力评估方法,包括：

12、胞元梁的最小临界失效应力为：

13、

14、其中：e为应力为σpb处的切线模量，i为杆件的界面惯性矩，l为杆件长度，a为杆的截面积；

15、胞元梁的吸能e1可定义为夹心点阵结构失效前吸收能量，通过计算得到单个胞元梁失效前吸收的水下内爆冲击能量，进而计算到夹心点阵结构总体吸收能量；

16、内层支撑板和外层支撑板的临界失效应力强度为：

17、

18、其中：d为板的刚性系数，k为板的稳定性系数，t为板的厚度；

19、内层支撑板和外层支撑板二者的吸能e2可定义为结构失效前吸收能量；

20、内爆防护装置吸收总能量为：eabsorb＝e1+e2。

21、优选地，内爆源为存在制造缺陷的中空耐压壳，该耐压壳内内爆产生的初始能量为：

22、einitial＝pcr*δv

23、当目标结构受到的外部载荷超过自身承载极限时即认为保护失败，保护目标结构临界坍塌前所吸收的能量为：

24、estructure＝einitial-eabsorb

25、因此，内爆防护装置的最小结构失效前能量为：

26、emin≥eabsorb＝einitial-estructure

27、由内层支撑板和外层支撑板的尺寸、可布置空间和防护等级可以确定夹心点阵结构的点阵填充层尺寸及层数；由被防护的结构形状和防护等级可以确定内层支撑板和外层支撑板的尺寸。

28、根据本发明提供的一种潜器，内爆防护装置设置在被防护结构的外表面。

29、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

30、1、本发明通过采用钛合金点阵填充的深海潜器内爆防护装置在受到水下内爆载荷作用时，通过夹心点阵结构中每个钛合金胞元梁变形吸收内爆能量，胞元梁会经历弹性变形、塑性变形两个阶段，在每个胞元梁变形过程中，减小或消除水下内爆导致的冲击波载荷和气泡脉动载荷所致大的震动损伤和结构变形，保护深海潜器动力系统及设备及人员安全，最大限度的保证深海潜器受到水下内爆冲击波载荷及内爆气泡载荷后的生命力。

技术特征：

1.一种内爆防护装置，其特征在于，包括外层支撑板(1)、夹心点阵结构(2)以及内层支撑板(3)，所述夹心点阵结构(2)位于外层支撑板(1)和内层支撑板(3)之间；

2.如权利要求1所述的内爆防护装置，其特征在于，位于夹心点阵结构(2)中部的任一所述金字塔型胞元的每个胞元梁的端点都与不同方向的其它金字塔型晶胞(4)的胞元梁连接。

3.如权利要求1所述的内爆防护装置，其特征在于，开放结构点阵边缘的胞元梁自由移动。

4.如权利要求1所述的内爆防护装置器，其特征在于，封闭结构点阵边缘封闭，边缘处胞元梁与其他金字塔型晶胞(4)或支撑薄板连接。

5.如权利要求1所述的内爆防护装置，其特征在于，在深海潜器耐压壳处布置固定支架，在固定支架上布置内爆防护吸能装置；

6.如权利要求1所述的内爆防护装置，其特征在于，夹心点阵结构(2)的形状包括平板状的夹心结构，用于防护耐压壳之间布置的潜器设备，包括动力系统、传动系统、控制系统和数据采集系统；

7.如权利要求1所述的内爆防护装置，其特征在于，夹心点阵结构(2)的材料包括钛合金。

8.一种内爆防护装置的防护能力评估方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的内爆防护装置，包括：

9.如权利要求8所述的内爆防护装置(5)的防护能力评估方法，其特征在于，内爆源为存在制造缺陷的中空耐压壳，该耐压壳内内爆产生的初始能量为：

10.一种潜器，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的内爆防护装置，内爆防护装置(5)设置在被防护结构的外表面。

技术总结本发明提供了一种内爆防护装置、防护能力评估方法及潜器，包括：所述夹心点阵结构位于外层支撑板和内层支撑板之间；所述夹心点阵结构包括多个由多个金字塔型晶胞，任一所述金字塔型晶胞均包括多个胞元梁；所述外层支撑板和夹心点阵结构组成吸能结构，安装在被防护结构外表面。采用钛合金点阵填充的深海潜器内爆防护装置在受到水下内爆载荷作用时，通过夹心点阵结构中每个钛合金胞元梁变形吸收内爆能量，胞元梁会经历弹性变形、塑性变形两个阶段，在每个胞元梁变形过程中，减小或消除水下内爆导致的冲击波载荷和气泡脉动载荷所致大的震动损伤和结构变形，最大限度的保证深海潜器受到水下内爆冲击波载荷及内爆气泡载荷后的生命力。技术研发人员：赵敏,李明怡,郑建才,孙盛夏,黄己协,张玉麒受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11