兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 240640-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0640
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鞠金龙1,2, 杨娜娜1, 余雷2, 张哲1,2, 吴文华2,*()
收稿日期:
2024-07-26
上线日期:
2025-05-07
通讯作者:
JU Jinlong1,2, YANG Nana1, YU Lei2, ZHANG Zhe1,2, WU Wenhua2,*()
Received:
2024-07-26
Online:
2025-05-07
摘要:
针对跨介质航行器入水冲击带来的结构损伤问题,提出一种采用负泊松比头罩降载的方法,利用负泊松比结构特殊的拉胀效应,使头罩吸收更多的冲击能量。采用任意朗格朗日-欧拉算法分析了负泊松比头罩对航行器降载特性的影响规律,并通过实验数据对数值方法进行了验证。研究结果表明:与传统降载头罩相比,负泊松比头罩在结构轻量化的基础上可有效降低结构入水冲击载荷,在入水速度分别为20m/s、35m/s、50m/s时,加速度峰值可以降低75%、70%、68%,具有良好的降载缓冲效果;不同胞元夹角、壁厚和边长参数下,负泊松比结构的降载特性有较大差异,在胞元角20°、胞元壁厚0.5mm、1.6倍胞元边长参数下,负泊松比头罩的降载特性达到最优效果。
中图分类号:
鞠金龙, 杨娜娜, 余雷, 张哲, 吴文华. 负泊松比结构缓冲装置入水冲击特性数值仿真[J]. 兵工学报, 2025, 46(5): 240640-.
JU Jinlong, YANG Nana, YU Lei, ZHANG Zhe, WU Wenhua. Simulation of Water-entry Impact Characteristics of Auxetic Structure Buffer Device[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(5): 240640-.
ρw/(kg·m-3) | C/(m·s-1) | γ0 | S1 | S2 |
---|---|---|---|---|
1000 | 1650 | 0.35 | 1.92 | 0 |
表1 水状态方程参数
Table 1 Equation of state parameters for water
ρw/(kg·m-3) | C/(m·s-1) | γ0 | S1 | S2 |
---|---|---|---|---|
1000 | 1650 | 0.35 | 1.92 | 0 |
密度/(kg·m-3) | 拉伸强度E1/MPa | 弹性模G1/GPa | 泊松比 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1650 | 4900 | 240 | 0.307 | ||||||||
最大拉伸应变/×102 | 最大压缩应变/×-102 | 最大剪切应变/×102 | |||||||||
Tx | Ty | Tz | Cx | Cy | Cz | Sxy | Syz | Sxz | |||
1.67 | 0.32 | 0.32 | 1.08 | 1.92 | 1.92 | 1.2 | 1.1 | 1.2 |
表2 T700碳纤维复合材料参数
Table 2 Material parameters of T700
密度/(kg·m-3) | 拉伸强度E1/MPa | 弹性模G1/GPa | 泊松比 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1650 | 4900 | 240 | 0.307 | ||||||||
最大拉伸应变/×102 | 最大压缩应变/×-102 | 最大剪切应变/×102 | |||||||||
Tx | Ty | Tz | Cx | Cy | Cz | Sxy | Syz | Sxz | |||
1.67 | 0.32 | 0.32 | 1.08 | 1.92 | 1.92 | 1.2 | 1.1 | 1.2 |
入水速度/ (m·s-1) | 直接入水加速度 峰值/(m·s-2) | 头罩航行器加速度 峰值/(m·s-2) | 降载 率/% |
---|---|---|---|
20 | 5817 | 1473 | 75 |
35 | 11617 | 3511 | 70 |
50 | 16747 | 5441 | 68 |
表3 航行器加速度峰值
Table 3 Maximum acceleration of vehicle
入水速度/ (m·s-1) | 直接入水加速度 峰值/(m·s-2) | 头罩航行器加速度 峰值/(m·s-2) | 降载 率/% |
---|---|---|---|
20 | 5817 | 1473 | 75 |
35 | 11617 | 3511 | 70 |
50 | 16747 | 5441 | 68 |
工况 | 结构参数 | 单位质量 结构吸能 效率/kg-1 | 加速度/ (m·s-2) | ||
---|---|---|---|---|---|
胞元夹角/ (°) | 壁厚/ mm | 胞元边长/ L | |||
1 | 30 | 1 | 1 | 5.52 | 3511 |
2 | 40 | 1 | 1 | 4.16 | 2870 |
3 | 35 | 1 | 1 | 3.96 | 3942 |
4 | 25 | 1 | 1 | 6.15 | 3175 |
5 | 20 | 1 | 1 | 7.90 | 3380 |
6 | 15 | 1 | 1 | 7.65 | 3043 |
7 | 10 | 1 | 1 | 7.35 | 3252 |
8 | 30 | 0.5 | 1 | 26.51 | 2186 |
9 | 30 | 1.5 | 1 | 1.33 | 5885 |
10 | 30 | 2.0 | 1 | 0.84 | 5315 |
11 | 30 | 1 | 0.9 | 4.36 | 3895 |
12 | 30 | 1 | 1.2 | 5.82 | 3107 |
13 | 30 | 1 | 1.4 | 6.57 | 3056 |
14 | 30 | 1 | 1.6 | 9.37 | 2687 |
15 | 30 | 1 | 1.8 | 8.65 | 3025 |
16 | 30 | 1 | 2.0 | 8.98 | 3628 |
表4 仿真结果对比
Table 4 Simulated results
工况 | 结构参数 | 单位质量 结构吸能 效率/kg-1 | 加速度/ (m·s-2) | ||
---|---|---|---|---|---|
胞元夹角/ (°) | 壁厚/ mm | 胞元边长/ L | |||
1 | 30 | 1 | 1 | 5.52 | 3511 |
2 | 40 | 1 | 1 | 4.16 | 2870 |
3 | 35 | 1 | 1 | 3.96 | 3942 |
4 | 25 | 1 | 1 | 6.15 | 3175 |
5 | 20 | 1 | 1 | 7.90 | 3380 |
6 | 15 | 1 | 1 | 7.65 | 3043 |
7 | 10 | 1 | 1 | 7.35 | 3252 |
8 | 30 | 0.5 | 1 | 26.51 | 2186 |
9 | 30 | 1.5 | 1 | 1.33 | 5885 |
10 | 30 | 2.0 | 1 | 0.84 | 5315 |
11 | 30 | 1 | 0.9 | 4.36 | 3895 |
12 | 30 | 1 | 1.2 | 5.82 | 3107 |
13 | 30 | 1 | 1.4 | 6.57 | 3056 |
14 | 30 | 1 | 1.6 | 9.37 | 2687 |
15 | 30 | 1 | 1.8 | 8.65 | 3025 |
16 | 30 | 1 | 2.0 | 8.98 | 3628 |
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