[发明专利]一种抗破片群舰船防护结构及其设计方法

权利要求书

1.一种抗破片群舰船防护结构，其特征在于，自上到下依次包括：

钢板层(11)为低碳钢；

Ⅰ纤维增强复合材料层(12)，为UHMWPE；

陶瓷层包括Ⅰ陶瓷层(21)、Ⅱ陶瓷层(22)，为氧化铝陶瓷；

Ⅱ纤维增强复合材料层(23)为UHMWPE；

陶瓷层中，陶瓷层由两层相同规格正方形的陶瓷板交错拼接组成，Ⅰ陶瓷层(21)的正方形陶瓷块与Ⅱ陶瓷层(22)的正方形陶瓷块面积重叠四分之一；

钢板层(11)和Ⅰ纤维增强复合材料层(12)组成的前置层(1)；Ⅰ陶瓷层(21)、Ⅱ陶瓷层(22)、Ⅱ纤维增强复合材料层(23)组成的抗侵彻层(2)。

2.根据权利要求1所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1根据战斗部产生的破片群质量、初速和空间散布概率函数，确定破片群的威力等级；

S2根据已选择的各层材料的力学性能和破片群的威力，初步确定各层的厚度范围；

S3根据实际情况，暂定前置层(1)厚度；根据单枚破片侵彻防护结构的理论公式，确定陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度取值和取值个数；

S4对不同厚度的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度匹配结构，构建破片群侵彻舰船防护结构的仿真模型，确定能抵御破片群侵彻的的优化结构构型；

S5根据优化结构构型的面密度和单位面密度吸收能，从中选择更优的结构；

S6可改变前置层(1)厚度，对比不同前置层(1)厚度防护结构抗破片群能力，优化选择；或者重新选择钢、陶瓷和纤维增强材料种类，对比不同材料种类防护结构抗破片群能力，结合材料性能、造价、工艺条件，优化选择。

3.根据权利要求2所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，步骤S1中，把单枚破片以破片群初速垂直侵彻威力作为破片群威力等级的基准，且战斗部产生的破片群质量、初速和空间散布概率函数的计算模型为：

(1)通过Mott模型描述破片群质量和质量分布规律

式中，N₀表示破片总数；M表示战斗部壳体质量；表示破片的平均质量；N(m)为质量大于m的破片数；μ_i称为Mott破碎参数；i为维数；薄壁壳体以二维方式破碎成破片，则破片的平均质量由以下公式计算得到：

式中，δ₀为壳体壁厚；d₀为壳体内径；K是由炸药决定的常数；

(2)Gurney公式计算破片初速度v₀

式中；k为修正系数，为战斗部的Gurney常数，β战斗部或装药的载荷系数；

(3)破片群空间散布概率函数

式中，表示预制破片沿弹轴方向的飞散角；表示飞散角数学期望，近似为为飞散角的标准差。

4.根据权利要求2所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，步骤S3中，根据单枚破片垂直侵彻防护结构的理论模型和计算公式，分析抗侵彻层(2)的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度关系，确定Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度取值的参考值，根据参考值确定Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度取值和取值个数。

5.根据权利要求4所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，单枚破片垂直侵彻防护结构的计算公式为：

式中：c_p为破片的塑性波速；d_p和h_p分别为破片的长度和厚度；ε_r和σ_sf分别UHMWPE的最大破坏应变和抗压强度；M_p1为第一阶段陶瓷层破碎锥角形成结束后的破片剩余质量；D靶板的成坑直径；h₃、h₄和h_b分别为陶瓷层厚度、Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度和背板厚度；f(a)由以下公式求得：

其中，m_m为Ⅱ纤维增强复合材料层(23)面密度，M_c破碎陶瓷锥角的质量，R破碎陶瓷锥角的半径。

6.根据权利要求2所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，步骤S5中，设计结构的单位面密度吸收能计算公式如下：

式中，ρ_l为钢板层(11)低碳钢密度，ρ₂为Ⅰ纤维增强复合材料层(12)密度，ρ₃为陶瓷层密度，ρ₄为Ⅱ纤维增强复合材料层(23)密度，h_l为钢板层(11)厚度，h₂为Ⅰ纤维增强复合材料层(12)厚度，h₃为陶瓷层厚度，h₄为Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度，m破片群质量。