基于脆性陶瓷球的内爆冲击源的设计方法及系统

本发明涉及水下内爆实验，具体地，涉及一种基于脆性陶瓷球的内爆冲击源的设计方法及系统，尤其是一种以脆性陶瓷球作为深海气泡的内爆冲击源的设计方法及系统。

背景技术：

1、中空结构的薄壁陶瓷耐压结构具有高强度、耐磨、绝缘、硬度高、弹性模量高、塑性韧性差等特点，为设计深海超高压气泡产生装置和方法提供了基础。因此，在深海超高水压下，一方面脆性薄壁陶瓷球具有高强度等特性，能够承受外界超高压载荷，同时又可以根据实验需要，在深海高压环境下利用外部挤压装置将脆性陶瓷球形薄壳挤爆，从而在陶瓷壳被瞬间压成粉末的同时得到一个完整的实验气泡源。

2、深海水下内爆会对临近水下耐压结构会产生冲击毁伤作用。通过该方法生成的气泡可以模拟深海环境下可压缩气泡源内爆的真实场景，能够科学地预测气泡源内爆对临近水下结构物的破坏能力，对于水下航行器和载人深潜器等深海设备的设计和制造具有重要的工程应用价值。

3、但是目前尚无法实现任意水深条件下任意尺度气泡源的设计，因此无法开展深海高压环境下内爆气泡源对临界水下耐压结构的冲击试验研究。

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基于脆性陶瓷球的内爆冲击源的设计方法及系统。

2、根据本发明提供的基于脆性陶瓷球的内爆冲击源的设计方法，包括如下步骤：

3、步骤s1：确定脆性陶瓷球的试验压力，并根据理想球壳理论临界载荷崔林关系式确定脆性陶瓷球的材料，将脆性陶瓷球的材料特性带入所述临界载荷崔林关系式中，估计脆性陶瓷球球壳的厚径比；

4、步骤s2：将脆性陶瓷球的初挠度作为修正系数，并引入所述临界载荷崔林关系式中，得到带有修正系数的临界载荷公式；

5、步骤s3：根据带有修正系数的临界载荷公式和所述脆性陶瓷球球壳的厚径比的估计值，计算相对初挠度须满足的条件；

6、步骤s4：判断所述相对初挠度须满足的条件是否能在现有技术加工条件下达到，若不能达到，根据所能达到的加工精度重新估计厚径比，并重复步骤s3，若能够达到，则执行步骤s5；

7、步骤s5：根据材料力学公式计算压碎所述脆性陶瓷球球壳所需的力。

8、优选地，步骤s2包括：

9、将脆性陶瓷球的初挠度作为修正系数，并引入所述临界载荷崔林关系式中，得到带有修正系数的临界载荷公式：

10、

11、其中ν为泊松比，e为弹性模量，r为球壳中面半径，t为壳板平均板厚，α为与形状相关的修正系数，β为不利影响修正系数：

12、

13、其中：

14、

15、f′为相对初挠度，即：

16、f′＝f/t

17、f为球壳偏离理想形状的最大初挠度。

18、优选地，步骤s3包括：

19、根据带有修正系数的临界载荷公式，得到脆性陶瓷球球壳不被压爆须满足的条件：

20、

21、其中t为球壳厚度,r为中面半径，pcr为设计压力，e为材料的弹性模量；

22、得到相对初挠度须满足的条件：

23、

24、优选地，步骤s4中，根据国标或国际通用标准判断相对初挠度须满足的条件是否能在现有技术加工条件下达到。

25、优选地，步骤s5包括：

26、假设挤压装置平面与脆性陶瓷球壳接触面为圆面，该圆面半径为ρ，设其形变为dr，

27、根据材料力学公式有：

28、

29、其中θ为接触圆面与球心的张角，r为脆性陶瓷球球壳的外半径，r为脆性陶瓷球球壳的内半径，同时有：

30、

31、解出：

32、

33、对于脆性材料：

34、[τ]＝(0.8-1.0)[σ]/n

35、[σ]为材料许用正应力，n为材料安全系数；

36、校核其许用切应力，根据切应力公式并联立上述θ计算结果得：

37、

38、要使得压碎结构，即需要：

39、

40、将球壳厚度与球壳中面半径的比记作γ，即：

41、

42、得到：

43、

44、其中t表示球壳厚度，r为球壳内径，即气泡半径，γ为球壳厚度与中面半径的比，无量纲，e为材料弹性模量，[τ]为材料许用切应力，f为挤压装置施加给球壳的力。

45、根据本发明提供的基于脆性陶瓷球的内爆冲击源的设计系统，包括如下模块：

46、模块m1：确定脆性陶瓷球的试验压力，并根据理想球壳理论临界载荷崔林关系式确定脆性陶瓷球的材料，将脆性陶瓷球的材料特性带入所述临界载荷崔林关系式中，估计脆性陶瓷球球壳的厚径比；

47、模块m2：将脆性陶瓷球的初挠度作为修正系数，并引入所述临界载荷崔林关系式中，得到带有修正系数的临界载荷公式；

48、模块m3：根据带有修正系数的临界载荷公式和所述脆性陶瓷球球壳的厚径比的估计值，计算相对初挠度须满足的条件；

49、模块m4：判断所述相对初挠度须满足的条件是否能在现有技术加工条件下达到，若不能达到，根据所能达到的加工精度重新估计厚径比，并重复模块m3，若能够达到，则执行模块m5；

50、模块m5：根据材料力学公式计算压碎所述脆性陶瓷球球壳所需的力。

51、优选地，模块m2包括：

52、将脆性陶瓷球的初挠度作为修正系数，并引入所述临界载荷崔林关系式中，得到带有修正系数的临界载荷公式：

53、

54、其中ν为泊松比，e为弹性模量，r为球壳中面半径，t为壳板平均板厚，α为与形状相关的修正系数，β为不利影响修正系数：

55、

56、其中：

57、

58、f′为相对初挠度，即：

59、f′＝f/t

60、f为球壳偏离理想形状的最大初挠度。

61、优选地，模块m3包括：

62、根据带有修正系数的临界载荷公式，得到脆性陶瓷球球壳不被压爆须满足的条件：

63、

64、其中t为球壳厚度,r为中面半径，pcr为设计压力，e为材料的弹性模量；

65、得到相对初挠度须满足的条件：

66、

67、优选地，模块m4中，根据国标或国际通用标准判断相对初挠度须满足的条件是否能在现有技术加工条件下达到。

68、优选地，模块m5包括：

69、假设挤压装置平面与脆性陶瓷球壳接触面为圆面，该圆面半径为ρ，设其形变为dr，

70、根据材料力学公式有：

71、

72、其中θ为接触圆面与球心的张角，r为脆性陶瓷球球壳的外半径，r为脆性陶瓷球球壳的内半径，同时有：

73、

74、解出：

75、

76、对于脆性材料：

77、[τ]＝(0.8-1.0)[σ]/n

78、[σ]为材料许用正应力，n为材料安全系数；

79、校核其许用切应力，根据切应力公式并联立上述θ计算结果得：

80、

81、要使得压碎结构，即需要：

82、

83、将球壳厚度与球壳中面半径的比记作γ，即：

84、

85、得到：

86、

87、其中t表示球壳厚度，r为球壳内径，即气泡半径，γ为球壳厚度与中面半径的比，无量纲，e为材料弹性模量，[τ]为材料许用切应力，f为挤压装置施加给球壳的力。

88、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

89、1、本发明能够设计一种在深海极端高压环境下的内爆冲击源，能够开展深海高压环境下可压缩气泡内爆冲击下的耐压结构动态响应模型试验，可以实现任意水深条件下任意体积的气泡源。

90、3、本发明考虑了球面加工精度的评估方法，更好的保证了结构在高压下的强度稳定性，能提高深海高压环境下开展内爆冲击试验的成功率。