船用碳纤维复合材料层合板的水下抗爆性能研究.pdf
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1、第45卷第2 3期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.23Dec.,2023船用碳纤维复合材料层合板的水下抗爆性能研究胡慧,王薇(1.嘉兴南湖学院机电工程学院,浙江嘉兴3140 0 0;2.嘉兴南湖学院信息工程学院,浙江嘉兴3140 0 0)摘要:本文对碳纤维复合材料层合板技术进行分析,着重探讨了其数学模型,并研究了该材料的构造,给出了PVC材料的特性曲线。对水下爆炸过程进行分析,得到了不同爆距下的数值试验、经验公式以及冲击波压力误差,并对距离爆炸点150 0 mm处的压力进行分析。最后,探究了船舶水下抗爆性能。关键词:碳纤维;
2、复合材料;水下抗爆中图分类号:U664.22文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 3-0 0 7 4-0 4Research on underwater explosion resistance of carbon fiber composite(1.Jiaxing Nanhu University,College of Mechanical and Electrical Engineering,Jiaxing 314000,China;2.Jiaxing Nanhu University,Abstract:In this paper,the technology of c
3、arbon fiber composite laminate is analyzed,its mathematical model is dis-cussed,the structure of this material is studied,and the characteristic curve of PVC material is given.The process of under-water explosion is analyzed,and the numerical test,empirical formula and pressure error of shock wave u
4、nder different ex-plosion distance are obtained,and the pressure at 1 500 mm away from the explosion point is analyzed.Finally,the underwa-ter antiknock performance of the ship is studied.Key words:carbon fiber;composite materials;underwater anti riot0引言和传统的造船金属材料相比,具有高强度、抗冲击力、高刚度、低噪声等优点,这使得碳纤维材料的发展
5、有着十分重要的意义。碳纤维材料随着加工制造技术的提升,在舰船上的应用也越来越广泛2 。舰船在水面航行过程中,螺旋桨会产生很大的噪声3。为了能够降低被敌方探测器探测的概率,各国均在研究可以降低舰船振动噪声的材料,碳纤维复合材料由于其具备较高的声阻尼、质量较轻等优点,已经得到了广泛的使用4。由于需要考虑对舰船遭遇到的各类损伤情况,特别是各种破坏性强的弹药产生的爆炸冲击,对舰船的防护能力产生了极大的挑战5。为了能够增强舰船在现代战争中的生存能力,对舰船的制造材料以及船体的结构设计提出了更高的要求6 。本文收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 1基金项目:浙江省教育厅一般项目(Y202147491);
6、嘉兴南湖学院科研一般项目(6 2 10 5YL)作者简介:胡慧(19 9 4),女,硕士,实验师,研究方向为复合材料力学性能。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.013laminated plates for shipsHU Hui,WANG Wei?College of Information engineering,Jiaxing 314000,China)1.1石碳纤维复合材料模型本文研究的材料是碳纤维复合材料层合板,其纵向以及横向的材料性能一样,为了便于区别,将传统的纤维和基体方向使用1和2 表示,为了能够表示碳纤维复合材料铺层之间的
7、损伤,引人层间损伤,同时将碳纤维复合材料的厚度方向用3来表示。模型中引入1方向上的拉伸和压缩损伤、2 方向上的拉伸和压缩损伤以及层间损伤5种损伤。因此,其数学模型分别为:11(1)(0,当碳纤维复合材料的损伤变量等于0 时,则表示此时处于复合材料的损伤起点;当碳纤维复合材料的损伤变量等于1时,则表示此时的复合材料彻底失效了;当复合材料的损伤变量介于0 和1之间时候,则表明复合材料的刚度产生了一定的退化,并且损伤变量越大,表示复合材料的刚度退化越严重。当碳纤维复合材料产生损伤之后,其复合材料的刚度在退化过程中,应力应变之间的关系可以表示为:8=Cdo。(7)损伤开始可以通过式(8)来判断。()(
8、)()=1.式中:o为最大的平面法向拉伸力;s和a分别为2个最大的正交面上的剪切力;n、,和o,分别为实际测量得到的应力,一旦这些应力的数值满足式(8),则可以判断出碳纤维复合材料开始出现损伤,并且进人材料损伤演化阶段。碳纤维复合材料的损伤演化过程以能量控制为基础,当式(9)成立时,则表示复合材料彻底断裂。复合材料参数如表1所示。(9)1.2碳纤维复合材料层合板的构造在实际应用过程中,夹芯结构是碳纤维复合材料胡慧,等:船用碳纤维复合材料层合板的水下抗爆性能研究8110,X0,failed,0,failed,0,elastic。2813+12ei0,75.表1复合材料参数failed,(2)el
9、astic。(3)(4)8120,failed,0,elastic。Tab.1 Composite material parameters失效应力/MPaONOT10080层合板通常采用的形式。碳纤维复合材料层合板采用夹芯结构的优点在于,夹芯层的厚度从一定程度上提升了复合材料的弯曲以及扭矩刚度,但是其质量只增(5)加了很少,因此复合材料结构的比强度以及比刚度得到了提升。一旦夹芯结构的复合材料层合板受到外部载荷的冲击,则夹芯层可以凭借其柔软性通过压缩变形的方式吸收大量的能量,从某种程度上降低外部冲击造成的损伤。本文研究的夹芯板结构的碳纤维复合材料层合板主要包含迎爆面、背爆面以及芯层3个部分,并使
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