含泡沫铝手性周期构件的复合结构及其设计方法

1.本发明涉及舰船防护技术领域，尤其是涉及一种含泡沫铝手性周期构件的复合结构及其设计方法。


背景技术：

2.随着科技的不断进步，军事高技术也在多个领域、多范围发展取得较快、发展。高技术的出现迫使人们对传统的战争理念、理论、原则发生改变。由于军事高技术高风险、高技术、高速度、高效益等特点使的现代军事在某些方面发生改变，例如：打击精确化。
3.海上作战时，打击的精确化使得舰船的作战能力、生存能力等面临重大的威胁。当舰船受到攻击时，船体中会随之产生强烈的应力波。当产生的应力波到达物体边界或者不同波阻抗材料的界面时，将发生反射与透射，经常引起材料的断裂破坏。于是减小应力波的产生与削减应力波的产生就显得尤为重要，因此需要不断创新发展一种新型结构去减弱应力波对舰船的影响。
4.泡沫铝相较于传统的金属材料有着优异的物理性能、化学性能、力学性能以及可回收性，具有轻质、易加工、不燃烧、高比刚度、高阻尼减震性能及冲击能量吸收率的特点。目前，对于应力波在泡沫铝中的传播规律已有一定认识，但是对于含泡沫铝手性周期构件夹层复合结构的研究少之甚少。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的不足及研究的空缺，减少应力的产生与削减应力的传播，使舰船在现代战争中拥有更强的作战能力、生存能力，本发明公开了一种含含泡沫铝手性周期构件的复合结构及其设计方法。本发明克服现有技术存在的不足及研究的空缺，可以较好的减弱应力波对舰船造成的损坏。
6.为实现上述目的，本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
7.本发明公开一种含泡沫铝手性周期构件复合结构，实现舰船应力波防护，包括铝板、泡沫铝手性周期构件，铝板与泡沫铝手性周期构件通过粘结剂粘结。
8.包括泡沫铝手性周期构件和铝板，所述的铝板与泡沫铝手性周期构件通过粘结剂粘结；泡沫铝手性周期构件与铝板均为长方体结构，泡沫铝手性周期构件为不同的排列组合，其中铝板平整光滑且无通孔；
9.所述泡沫铝手性周期构件包括基体、嵌入芯体、嵌入芯体软包覆层；基体为泡沫铝空腔结构，基体内设有多个嵌入芯体，嵌入芯体外设有软包覆层材料；
10.嵌入芯体的软包覆层为橡胶，嵌入芯体为金属圆柱体。
11.泡沫铝空腔结构的较大孔径为0.3～7mm，较大孔径应小于3mm。基体中放嵌入芯体的孔径应大于嵌入芯体的直径。
12.所述铝板无特定要求，也可根据实际情况替换为其他船体材料。
13.所述的泡沫铝手性周期构件和铝板为长方体结构，各自高度无特定要求，根据实
际情况而定，但两者具有相同的长度与宽度且泡沫铝手性周期构件复合结构的总高度保持不变；其中铝板与泡沫铝手性周期构件表面光滑；另外泡沫铝手性周期构件中的嵌入芯体为金属圆柱形结构，表面光滑。
14.本发明公开的一种含泡沫铝手性周期构件复合结构的工作原理为：在现代军事战争中，当舰船受到爆炸、碰撞等攻击时，应力波会在舰船受攻击部位迅速产生并向周围进行传递，泡沫铝手性周期构件通过变形来减少应力波的产生、削减应力波的传递，铝板的存在可加强泡沫铝手性周期构件的作用效果，同时两者合理的排列能达到更优的防护效果。泡沫铝手性周期构件复合结构通过减少应力波的产生并对传播中的应力波进行削减，使舰船在现在战争的精确化等打击中拥有更强的生存力，为更好的反击提供条件。
15.所述的含泡沫铝手性周期构件的复合结构的设计方法，包含以下步骤：
16.第一步：通过实验获取各个材料的力学性能；
17.进行拉伸试验、扭转试验、压缩试验、冲击试验、硬度试验、应力松弛试验、疲劳试验，得到材料或者结构的力学性能；
18.第二步：预设铝板与泡沫铝手性周期构件的排列方式与各面板厚度；
19.在保证含泡沫铝手性周期构件的复合结构的总高度不变的情况下，对铝板和泡沫铝手性周期构件的排列方式和各面板厚度进行一些预设；
20.第三步：对含泡沫铝手性周期构件的复合结构进行有限元建模仿真
21.利用有限元建模软件对复合结构进行建模；建模过程中所采用的泊松比、弹性模量、屈服极限等物理量的输入为第一步中得出的力学性能结果；所建立的铝板与泡沫铝手性周期构件的基体均为长方体实体，两者在有限元软件中通过约束条件绑定在一起；
22.在有限元软件中，模拟实际实验模型，建立压杆与入射杆，两者的尺寸与力学性能与实际应尽量一致；将含泡沫铝手性周期构件的复合结构放在两杆之间，测出需要的力学量；
23.第四步：含泡沫铝手性周期构件的复合结构结果分析与比较
24.将有限元得出的结果根据力学性能对复合结构进行对比；若模型对应力波有着相同的削减作用，这时就需要对复合结构的其他力学性能进行分析，选择对应力波进行削减；
25.第五步：选取具有代表的结构进行实验
26.根据上一步有限元仿真得出的结果，选取代表性的结构进行实验，观察实验过程中含泡沫铝手性周期构件的复合结构的变形过程，并记录各数据的变化过程及最终结果；
27.第六步：实验与仿真结果进行对比，分析原因
28.将第四步中得出的有限元模型数据与第五步整理的实验结果进行对比，找出两种结果的异同点；以实验结果为依据对有限元模型及有差距的数据进行分析，找出导致其发生差距的原因，更改有限元的操作，再对比结果，一直往复，直到两者结果能拟合；
29.第七步：得出最优结构。
30.有益效果：
31.本复合结构的有益效果是：本复合结构提供的含泡沫铝手性周期构件的夹层复合结构，其中的泡沫铝手性周期构件设计非常精巧，可以有效削减应力的产生与传播，起到缓冲力的作用，进而减少舰船中某些机构部件的损伤。通过有限元仿真与实验相结合的方式对此得出的结构进行比较，在达到目的同时，也可减少资源的过度浪费及不必要的金钱花
费。通过含泡沫铝手性周期构件复合结构对应力波的吸收，从而减少舰船不必要的损失。
附图说明
32.为了更加方便地对本复合结构实施例或已有技术中的工程方案进行讲解，接下来对实施例或已有技术中必要的附图简略地介绍，以下所介绍的附图仅为本技术中含有地部分实施例，对该领域大多数一线工人来说，根据这些图还可以得到与之有关地附图。
33.图1为本发明的结构设计流程图。
34.图2为本发明复合结构的试样示意图。
35.图3为本发明复合结构的结构示意图。
36.图4为本发明泡沫铝手性周期构件基体示意图。
37.图5为本发明圆柱形芯体的示意图。
38.图6为本发明含芯体的覆盖层示意图。
39.图7为本发明铝板示意图。
40.图8为本发明泡沫铝手性周期构件基体中圆柱孔截面图。
具体实施方式
41.实现本发明通过以下技术方案实现。如图1所示，得到的最优性能的含泡沫铝手性周期构件的复合结构，包含以下步骤：
42.第一步：通过实验获取各个材料的力学性能。
43.在国标下，对材料或者一定的结构构件依次进行拉伸试验、扭转试验、压缩试验、冲击试验、硬度试验、应力松弛试验、疲劳试验等，来得到更加确切的材料或者结构的力学性能，从而使实验结果更加精确。
44.第二步：预设铝板与泡沫铝手性周期构件的排列方式与各面板厚度。
45.在保证含泡沫铝手性周期构件的复合结构的总高度不变的情况下，对铝板和泡沫铝手性周期构件的排列方式和各面板厚度进行一些预设，从而方便在之后的仿真与实验中更快的得出理想的复合结构。在预设铝板与泡沫铝手性周期构件时，还应从实际出发，各面板厚度不应过小，铝板与铝板的距离应略大一些，方便泡沫铝手性周期构件充分发挥自己应有的作用。铝板与泡沫铝手性周期构件的排列方式也应当结合一定的工程应用进行合理安排，以便设计出来的结构能更好的应用于实际。
46.根据实际应用的大多数情况，复合结构的排列方式大致为：铝板+泡沫铝手性周期构件、铝板+泡沫铝手性周期构件+铝板、铝板+泡沫铝手性周期构件+铝板+泡沫铝手性周期构件、铝板+泡沫铝手性周期构件+铝板+泡沫铝手性周期构件+铝板。
47.第三步：对含泡沫铝手性周期构件的复合结构进行有限元建模仿真
48.利用有限元建模软件对复合结构进行建模；建模过程中所采用的泊松比、弹性模量、屈服极限等物理量的输入为第一步中得出的力学性能结果；所建立的铝板与泡沫铝手性周期构件的基体均为长方体实体，两者在有限元软件中通过约束条件绑定在一起。
49.在有限元软件中，模拟实际实验模型，建立压杆与入射杆，两者的尺寸与力学性能与实际应尽量一致；将含泡沫铝手性周期构件的复合结构放在两杆之间，在某些特定部位测出需要的力学量，例如：应变、应力等。
50.第四步：含泡沫铝手性周期构件的复合结构结果分析与比较
51.将有限元得出的结果根据力学性能对复合结构进行对比。若某些模型对应力波有着相同的削减作用，这时就需要对复合结构的其他力学性能进行分析，以便在某些特定情况下选择某复合结构更安全更有效的对应力波进行削减，以减少不必要的结构或构件的损坏。
52.第五步：选取具有代表的结构进行实验
53.有限元仿真在一定程度上可以减少资源的浪费与金钱的损失，但只能作为实验的参考，不能对其进行完全代替。根据上一步有限元仿真得出的结果，选取代表性的几个结构进行实验，认真观察实验过程中含泡沫铝手性周期构件的复合结构的变形过程，并详细记录各数据的变化过程及最终结果，以便下一步更好地找出实验结果与仿真数据的差异。
54.第六步：实验与仿真结果进行对比，分析原因
55.将第四步中得出的有限元模型数据与第五步整理的实验结果进行对比，找出两种结果的异同点。以实验结果为依据对有限元模型及有差距的数据进行分析，找出导致其发生差距的原因，更改有限元的操作，再对比结果，一直往复，直到两者结果能很好拟合。第六步操作使今后的操作更加规范，仿真结果更真实有效，更有说服力。
56.第七步：得出最优结构
57.不考虑其他条件只考虑对应力波的削减作用，即使有的结构对应力波的削减作用大致相同，但一定存在一个结构是最优。但实际应用不可能只考虑复合结构对应力波的削减作用，还会考虑经济性、重复性等因素，所以在某些情况下有着不同的最优结构，所以最优结构又是相对而言。
58.实际使用含泡沫铝手性周期构件的复合结构时，要根据实际环境进行选择，以减少不必要的损失。
59.为了让人们更加的清楚了解新型实施例的目的、技术方案和结构特点，下面根据本复合结构实施例中的附图，对本复合结构实施例中的技术方案进行更加具体的描述，但这里的描述不是从头到尾进行全部讲解，只是针对其中的某部分实例进行讲解。比如：本行业一线员工在无创新性工作的条件下所得到的全部其他实施例，都属于新型保护的范围。
60.如图2、图3所示，含泡沫铝手性周期构件的复合结构，包括泡沫铝手性周期构件1和铝板2，所述的铝板2与泡沫铝手性周期构件1通过粘结剂粘结；泡沫铝手性周期构件1与铝板2均为长方体结构，泡沫铝手性周期构件1为不同的排列组合，其中铝板2平整光滑且无通孔。
61.如图4所示，所述泡沫铝手性周期构件1包括基体、嵌入芯体、嵌入芯体软包覆层；基体为泡沫铝空腔结构，基体内设有多个嵌入芯体，嵌入芯体外设有软包覆层材料；
62.如图5和图6，嵌入芯体的软包覆层为橡胶，嵌入芯体为金属圆柱体。
63.泡沫铝手性周期构件1与铝板2具有相同的长度与宽度。
64.泡沫铝手性周期构件1与铝板2等厚度设置，或者非等厚度设置。
65.含泡沫铝手性周期构件的夹层复合结构，具有泡沫铝手性周期构件1和铝板2，泡沫铝手性周期构件的基体为泡沫铝空腔结构，嵌入芯体的软包覆层为橡胶；泡沫铝手性周期构件与铝板通过粘结剂粘结。泡沫铝手性周期构件与铝板皆为长方体状结构；嵌入芯体为金属圆柱体状结构。
66.其中，泡沫铝手性周期构件中的圆柱孔的轴线与嵌入芯体的软包覆层的轴线位于同一条直线上。
67.由于泡沫铝手性周期构件中的嵌入芯体略小于软包覆层的直径，软包覆层中含空隙属于正常现象。
68.如图8，为了加大摩擦，泡沫铝手性周期构件中圆柱孔内壁略粗糙。
69.泡沫铝手性周期构件可以非常有效地衰减应力地传递，有一定的缓冲作用，进而减少某些结构部件的损伤。
70.综上所述，只能说是本复合结构较佳的具体实施方案，不过本复合结构的防护能力并不局限在这较小区域，无论精通本技术领域的一线或其他员工在本实用型涵盖的技术界限内，依据本实用型的技术方案及其复合结构想法加以等同替换或改进，都应涵盖在本复合结构的保护范围之内。

技术特征：
1.含泡沫铝手性周期构件的复合结构，其特征在于，包括泡沫铝手性周期构件(1)和铝板(2)，所述的铝板(2)与泡沫铝手性周期构件(1)通过粘结剂粘结；泡沫铝手性周期构件(1)与铝板(2)均为长方体结构，泡沫铝手性周期构件(1)为不同的排列组合，其中铝板(2)平整光滑且无通孔；所述泡沫铝手性周期构件(1)包括基体、嵌入芯体、嵌入芯体软包覆层；基体为泡沫铝空腔结构，基体内设有多个嵌入芯体，嵌入芯体外设有软包覆层材料。2.根据权利要求1所述的含泡沫铝手性周期构件的复合结构，其特征在于：所述的嵌入芯体的软包覆层为橡胶，嵌入芯体为金属圆柱体。3.根据权利要求1所述的含泡沫铝手性周期构件的复合结构，其特征在于：所述的泡沫铝手性周期构件(1)与铝板(2)具有相同的长度与宽度。4.根据权利要求1所述的含泡沫铝手性周期构件的复合结构，其特征在于：所述的泡沫铝手性周期构件(1)与铝板(2)等厚度设置。5.根据权利要求1所述的含泡沫铝手性周期构件的复合结构，其特征在于：所述的泡沫铝手性周期构件(1)与铝板(2)非等厚度设置。6.根据权利要求1到5任一项所述的含泡沫铝手性周期构件的复合结构的设计方法，其特征在于：包含以下步骤：第一步：通过实验获取各个材料的力学性能；进行拉伸试验、扭转试验、压缩试验、冲击试验、硬度试验、应力松弛试验、疲劳试验，得到材料或者结构的力学性能；第二步：预设铝板与泡沫铝手性周期构件的排列方式与各面板厚度；在保证含泡沫铝手性周期构件的复合结构的总高度不变的情况下，对铝板和泡沫铝手性周期构件的排列方式和各面板厚度进行一些预设；第三步：对含泡沫铝手性周期构件的复合结构进行有限元建模仿真利用有限元建模软件对复合结构进行建模；建模过程中所采用的泊松比、弹性模量、屈服极限等物理量的输入为第一步中得出的力学性能结果；所建立的铝板与泡沫铝手性周期构件的基体均为长方体实体，两者在有限元软件中通过约束条件绑定在一起；在有限元软件中，模拟实际实验模型，建立压杆与入射杆，两者的尺寸与力学性能与实际应尽量一致；将含泡沫铝手性周期构件的复合结构放在两杆之间，测出需要的力学量；第四步：含泡沫铝手性周期构件的复合结构结果分析与比较将有限元得出的结果根据力学性能对复合结构进行对比；若模型对应力波有着相同的削减作用，这时就需要对复合结构的其他力学性能进行分析，选择对应力波进行削减；第五步：选取具有代表的结构进行实验根据上一步有限元仿真得出的结果，选取代表性的结构进行实验，观察实验过程中含泡沫铝手性周期构件的复合结构的变形过程，并记录各数据的变化过程及最终结果；第六步：实验与仿真结果进行对比，分析原因将第四步中得出的有限元模型数据与第五步整理的实验结果进行对比，找出两种结果的异同点；以实验结果为依据对有限元模型及有差距的数据进行分析，找出导致其发生差距的原因，更改有限元的操作，再对比结果，一直往复，直到两者结果能拟合；第七步：得出最优结构。

技术总结
本发明涉及舰船防护技术领域，并具体公开了一种含泡沫铝手性周期构件的复合结构及其设计方法，包括泡沫铝手性周期构件和铝板，所述的铝板与泡沫铝手性周期构件通过粘结剂粘结；泡沫铝手性周期构件与铝板均为长方体结构，泡沫铝手性周期构件为不同的排列组合，其中铝板平整光滑且无通孔；所述泡沫铝手性周期构件包括基体、嵌入芯体、嵌入芯体软包覆层；基体为泡沫铝空腔结构，基体内设有多个嵌入芯体，嵌入芯体外设有软包覆层材料；嵌入芯体的软包覆层为橡胶，嵌入芯体为金属圆柱体。本发明克服现有技术存在的不足及研究的空缺，减少应力的产生与削减应力的传播，使舰船在现代战争中拥有更强的作战能力、生存能力。生存能力。生存能力。


技术研发人员：李营 任宪奔 舒旗 方岱宁
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/3/14