Mock-up development of new warship protective armor structure and feasibility analysis of ship installation

ZHENG Pan,LI Yongqing,ZHU Xi,XIONG Hu

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

Department of Naval Architecture Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China

Abstract:To ensure the installation of the new design of protective armor structure on larger warships,a study into the installation process of the structure of this armor is carried out to improve installation efficiency and ensure the protective effect. This paper proposes a typical composite armor structure design which is composed of 'silicate aerogel/ballistic ceramic/high-strength polyethylene/silicate aerogel'. The study analyzes the modeling design,down-selection of materials and equipment,and real ship mock-up technical development. The reliability and application of high strength polyethylene in response to high temperatures in the real ship installation process is discussed. The results show that high-temperatures during welding have no negative impact on the high strength polyethylene of the armored structure. The design demonstrates that this installation process is feasible and can be provided as an alternative solution by virtues of its good maneuverability,controllable precision,checkable quality and high reliability. Key words:warship protection;protective armored structure;installation process;high strength polyeth⁃ ylene;silicate aerogel felt

0引言

传统舰船舱壁采用厚重的钢板来支撑上层建筑以及阻挡爆炸产生的破片和冲击波载荷,随着现代先进武器及船体轻量化发展的需要,这种钢板结构不再满足现代舰船的设计需要[1-2]。上世40纪 年代后,随着材料科学的进步,人们成功地利用叠层金属、陶瓷、纤维增强复合材料(GFRP,又称玻璃钢)研制了高效、轻质的新型防护装甲[3-5]。相较于金属材料,GFRP材料具有优良的物理机械性能和化学性能、更高的比强度及比模量,更重要的是它还具有较好的动能吸收性,且无“二次杀伤效应”,因而具有优良的防弹性能,被广泛应用于航空航天、兵器工业、交通运输和工程防护等各领域[6-8]。由于大型舰船结构、型材尺寸等与现役舰船结构相比,均有较大差异,原有复合装甲的安装工艺并不适用于大型舰船[9-13]。此外,由于包含多种材料,大型舰船新型结构形式的连接、界面连接以及板块连接等工艺均属于新的内容,以前并无相关技术储备。鉴于此,在考虑大型舰船自身防护结构重量和空间限制的条件下,为了确保新型防护结构在大型舰船上顺利安装,充分发挥防护效果,本文将开展大型舰船新型防护装甲装舰工艺研究。以SiO2气凝胶毡/ /高强“纳米 抗弹陶瓷(碳化硅陶瓷)聚乙烯(PE)/纳米SiO2`气凝胶毡”典型复合装甲为研究对象,重点研究其在舰船典型舱壁结构上的安装工艺。在理论分析的基础上制定相应的工艺流1∶1程,并按照工艺流程制备局部 模型,以验证研究安装工艺的合理性,为新型复合装甲水上防护结构形式的优化设计和实际装舰应用奠定工艺基础。

1 模型设计

采用高强聚乙烯和陶瓷复合装甲进行防护在2抗弹机理上属于 个完全不同的类型。高强聚乙烯是一种典型的“柔性”装甲,适用于抵御较低速的弹丸穿甲,其抗弹机理主要依靠纤维断裂、纤维与基体界面脱胶开裂拔出、层间分层等破坏模式吸收弹体动能。陶瓷复合装甲是一种典型的“刚性”装甲,适用于抵御高速的弹丸穿甲,其抗弹机理是利用高硬度的陶瓷侵蚀、钝化和碎裂弹体,降低弹体的侵彻性能,以及利用陶瓷材料碎裂后形成的陶瓷锥吸收弹体的冲击动能、分散冲击载荷[14]。因此,利用装甲防护材料的不同防护性能,组成“夹芯式”、“间隙式”等复合装甲防护结构是 防护装甲的主要发展方向,再参照复合装甲结构防护性能和耐热性能的结构型式优化结果,设计1所示的模型结构(单位:mm)。了如图 根据舰船水上防御结构的特征,为了使设计更加灵活和运用范围更广,设计了两种边界嵌入1结构。如图 所示,模型左边是在一般情况下的90°;模型右边设计结果,边界隔板与舱壁夹角为是在边界夹角特殊情况下的设计结果,夹角大小可根据舰船实际需要进行调整,模型整体尺寸为500 mm×272 mm×715 mm。采用钢板夹复合材料层,其中复合材料层包括气凝胶毡、高强聚乙烯层1(b合板、碳化硅陶瓷,在图 )俯视图中自下而上5 mm 20 mm 10 mm分别为 钢板、 气凝胶毡、 碳化70 mm 20 mm硅陶瓷、 高强聚乙烯层合板、 气凝胶毡、10 mm 135钢板,整体理论防护结构厚度为mm。填充时,边缘采用高强玻璃钢楔块充实并压紧。各板块间、板块与玻璃钢之间以及玻璃钢与钢架结构之间均采用硅胶粘接。考虑到各层之间的硅胶有一定的厚度,实际的填充装置玻璃钢内槽应该设计得更宽一些才能保证各板块的顺利安装。此外,在高强聚乙烯板边缘布置了热电偶,主要是为了测量在焊接过程中产生的高温传递到高强聚乙烯表面的剩余温度。

2 材料及设备要求

制作上述模型所需的材料包括钢板、气凝胶毡、碳化硅陶瓷、高强聚乙烯层合板、玻璃钢、硅胶、玻璃钢蒙皮等,需要的检测、加工及安装设备包括温度传感线、温度指示计、C型夹具、水切割机、打磨设备及磨片、调胶配胶用工具、焊接设备、

焊条等。制作材料尺寸及所需设备具体要求如下: 1)制作材料要求。(1)Q235 5 mm×500 mm×钢板:平面尺寸为522 mm,8 mm×500 mm×250 mm,10 mm×500 mm× 608 mm,12 mm×500 mm×120 mm; (2)高强聚乙烯层合板:平面尺寸为10 mm× 500 mm×500 mm,20mm×500 mm×500 mm; (3 10 mm×500 mm× )气凝胶毡:平面尺寸为480mm; (4)碳化硅陶瓷:平面尺寸为10 mm×100 mm× 100 mm; (5)2536硅胶:A,B组份; (6 854 树脂/SW220 )玻璃钢蒙皮:食品级 玻0.8 mm,面积为580 mm×580 mm。纤,厚度约2)设备要求。(1)温度传感线:共6 1.5 m;根,长约(2)温度指示计:共6 0~1 000 ℃;个,量程(3)C 6 0~150 mm;型夹具:共 个,量程(4)水切割机:1台; (5)打磨设备及磨片:1套; (6)调胶、配胶用工具:1套; (7)焊接设备、焊条等。

3 水上防护结构模型制备工艺 3.1 典型钢结构模型制备工艺

参照实际舰船水上防护结构形式设计的水上2所示(单位:mm)。按照图防护钢结构模型如图纸要求,水切割钢板,并焊接成相应金属框架。钢框架尺寸应满足图纸要求,内部安装复合板界面,要求表面平整,无毛刺,焊缝处无明显凸起。 10 mm×在实际焊接过程中,首先在尺寸为500 mm×608 mm Q235的 钢板上面作焊接记号,在2钢板中间画一条平行于 个短边的中线,再在距265 mm 2离中线 处画出 条平行于中线的平行线, 8 mm×500 mm×250 mm的T即焊接线。将尺寸为型材腹板垂直放置在焊接线上,并用直角板实时 2 90°,再测量与稳定,确保 块钢板之间的夹角为2 2点焊固定 块钢板。为确保整个焊接过程中 块钢2板不因焊接高温而变形偏离直角,将 根支架焊2 3接在 块钢板的另一端,然后再满焊,如图 所示。

3.2 典型局部模型制备工艺

典型局部模型制备工艺要求如下: 1)高强聚乙烯层合板:总厚度70 mm,为控制20 mm,板材质量稳定,单次成型板厚一般不超过20+20+20+10 mm,逐步粘接使厚度累加至设计为70 mm。由于高强聚乙烯纤维强度高,韧性好,用普通刀具加工易出现纤维毛刺及缠绕刀具的情况,故采用水刀切割,水刀加工效果良好,用水刀500 mm×将板状高强聚乙烯切割至模型尺寸500 mm待用。2 )气凝胶毡:因气凝胶毡质软且薄,可直接用锋利的刀片切割,切割之前先在气凝胶毡上用记号笔按设计尺寸画线,再用直尺贴靠在所画的500 mm×480 mm线上切割成安装所需的模型尺寸待用。3)碳化硅陶瓷:陶瓷质硬且脆而不易加工,所以生产的是特定尺寸的陶瓷块,统一尺寸为10 mm× 100 mm×100 mm。制备时将小块陶瓷用预制好的玻璃钢薄片和硅胶粘接成为一整块方形4板。图 所示为陶瓷粘接过程。首先,用直角架将玻璃钢和陶瓷固定好角度防止移位,然后,在玻璃钢表面刮涂配好的硅胶(要求均匀且薄)。同时,在陶瓷上与玻璃钢贴合的面也刮涂硅胶,并与玻璃钢贴合在一起压紧。最后,再在陶瓷表面覆盖一层玻璃钢薄片,并压紧,使之成为一块尺寸为500 mm×500 mm的陶瓷板。4 )玻璃钢楔块:按图纸要求,制作好相应模具,并手糊成型,制备高强玻璃钢楔块。固化彻底后,打磨修整直到符合尺寸要求。玻璃钢楔块由L型楔块与方形楔块拼装而成。考虑到模型的钢

结构夹角处有焊占位,为确保在安装过程中玻璃L钢楔块能与钢结构紧密贴合,需将 型玻璃钢锲5块倒圆角,如图 所示。 此外,玻璃钢锲块内表面需要走热电偶线路,因此需要用铣床铣出比热电偶线稍宽的凹槽,如6 502图 所示。然后,再布置热电偶并用 胶水固定电偶线,热电偶探头悬置于凹槽内不用处理。 5)双组份硅树脂准备:提前备好双组份硅树A,B脂,该树脂为 组份,挥发物少,固化时间约20~30 min,直接作为粘接剂时,可适当加入2~3份白炭黑,以防止流挂。

4 模型拼装粘接成型工艺 4.1 预拼装分析

复合装甲结构安装前应进行预拼装,避免安装后因出现问题而返工。各板块按以下顺序预拼装组合:①L型玻璃钢楔块→②气凝胶毡(10+10 mm) →③ 20+20+20+10 mm)→高强聚乙烯层合板( ④碳化硅陶瓷(10 mm)→⑤ →⑥矩形玻璃钢楔块10+10 mm)→⑦ 5 mm 7气凝胶毡( 钢板( ),如图所示。 拼装时,以能较容易拼装,且各边框拼装缝隙2 mm小于 为准。实际拼装时,各板材实际累积厚8~10 mm,主度要比理论计算值多出 要是由于气凝胶毡膨胀、各板层间存在少量间隙。针对实际C模型舱壁堆积过厚的问题,采用 型夹具逐层夹紧,特别是气凝胶层夹实后,基本达到设计厚度值。预拼装完成后,按图纸对其检测,并用温度仪器对温度传感线进行检测,将所有的温度传感线连接到温度仪器上,观察测点温度是否一致且为室温,检测与测试正常后,将其逐块拆卸。

4.2 模型安装

按比例调好硅胶树脂,对其进行拼装粘接,粘接顺序与预拼装顺序相同。由于各板材在加工过程中会产生大量粉尘,且吸附在板材表面会影响粘接效果,故在粘接前先采用丙酮将板材表面擦拭干净,晾干。1)L型玻璃钢楔块。L对钢板粘接处和两端 型玻璃钢楔块粘接面L均匀涂敷胶液,将 型玻璃钢楔块贴紧压实。涂敷树脂时,应用毛刷满涂,不能漏刷。粘接后,将L 8型玻璃钢楔块两端抵紧,如图 所示。 2)气凝胶毡。L锁紧两端 型玻璃钢楔块后,开始粘接气凝

胶毡,为节约时间和材料成本,将所有板块之间的粘接改为点粘接,将气凝胶毡表面均匀点涂硅胶(5 60 mm×60 mm个约 的点,根据实际面积调整涂胶点和大小),并在钢结构粘接面相应的地方也均匀涂敷一层薄薄的硅胶,再将气凝胶毡紧贴、按2 10 mm 9实,连续粘接 层 的气凝胶毡,如图 所示。 复合板粘接完成后,应对其表面溢出胶液进行清除,擦拭干净。必要时,可对非粘接面等通过贴胶带、薄膜(与胶液不相粘)、涂脱模剂等方式进行保护,防止粘上胶液后难以清除。在保证夹紧工20~25 min,装上紧条件下自然固化,其中,初始固化2 h完全固化需 以上。3)高强聚乙烯层合板粘接。5依次对高强聚乙烯层合板表层点涂( 个约60 mm×60 mm的点,根据实际面积调整涂胶点和70 mm厚高强聚乙烯层合板(20+大小),逐层粘接20+20+10 mm 10厚),如图 所示。 4)陶瓷板粘接。采用同样方法,在高强聚乙烯层合板和陶瓷板一面涂刷数个硅胶点,再贴紧压实,为了减小各C层间距以及能够压实,采用 型夹具夹紧复合装11甲模型,如 所示。 5)玻璃钢条与气凝胶毡粘接。将条状玻璃钢按设计图粘接,条状玻璃钢应L与 型玻璃钢锲块直接接触粘接,保证高强聚乙烯层合板和陶瓷板嵌于玻璃钢锲块的凹槽内,再按照上述气凝胶毡安装要求粘接气凝胶毡,如图12所示。 6)钢板焊接。由于气凝胶毡内具有大量的孔隙,会发生膨胀而使得板块较厚,为了让钢板焊接紧凑,焊接的C同时用 型夹具将钢板夹紧,再进行钢板焊接。焊接时,为避免局部持续高温使内部的高强聚氧13乙烯受损,应先局部分开点焊。如图 所示,在200 mm外封钢板与垂直钢板的夹角处每隔 点焊100 mm将钢板固定,再每隔 点焊予以加强。最后,将两边的缝隙来回轮流隔段焊接,直到焊缝夹T角处全部焊全,最后焊接 型材面板。为检测在焊接过程中的高温对高强聚乙烯表面的影响,在整个焊接过程中实时记录测温器的48℃,所以焊接产生数值变化,测得的最高温度为的高温对高强聚乙烯并无影响。

5 水上防护结构装舰工艺可行性分析

根据舰艇实际舱壁结构,制备了复合装甲局1∶1部 模型,进行了复合装甲组成材料及加工工艺的探讨。经试验确认:所研究的复合装甲安装工艺是可行的,可用于指导复合装甲的实舰安装。其主要工艺流程包括以下步骤: 1)测量舱壁几何尺寸,根据舱壁尺寸确定是否增加分隔板,添加分隔板后,测量相应尺寸; 2 )根据分段尺寸,制作玻璃钢楔块,用硅胶将玻璃钢楔块粘接在分隔板上; 3)逐层粘接气凝胶毡,每层不足之处用刀片切割,并注意层与层之间的缝隙错开铺设,并贴紧压实; 4)在粘接气凝胶毡后,清洗高强聚乙烯层合板表面,晾干后再用硅胶点粘高强聚乙烯层合板,错开拼接,每层不足之处用水刀切割并粘接; 5)粘接完高强聚乙烯层合板之后,将另一部分玻璃钢粘接在钢结构上; 6)在高强聚乙烯层合板上粘接气凝胶毡; 7)在气凝胶毡外层放置表面盖板,同时用C型夹具固定好整个复合装甲,并在外封钢板周围点焊定位,尺寸检验合格后全部焊接,避免局部温度过高对复合装甲的破坏。结合上述装舰工艺流程,其相应的质量控制节点如下: 1)舱壁现场测量及现场安装环境标示。这是后续装舰工艺的基础,现场测量要求船2厂、设计所 人以上参加,同一部位测量次数不少3于 次,以确保测量尺寸的准确性。另外,必须对现场其他影响安装质量的因素进行标示记录,主要包括:舱壁电缆、穿孔、管路等布设情况以及舱壁型材焊角尺寸、安装舱室入口位置、大小及形状、安装舱室电源及通风情况等。2)复合装甲制备及质量检验。主要对高强聚乙烯层合板、气凝胶隔热层成 型质量进行检验,包括:外观质量检验、面密度校核、抽样实弹打靶试验等。3)复合装甲切割加工精度检验。参照舱壁安装空间尺度和舱室入口大小,优化设计复合装甲板块后,进行非接触式切割加工,并对加工精度进行测量和控制。4)玻璃钢楔块的安装定位。按照复合装甲多层结构设计尺寸要求,对预制的玻璃钢楔块进行定位安装,并测量安装位置,检查是否与设计尺寸相符。5)气凝胶毡与高强聚乙烯层合板的层间粘接。由于这两种材料的性能差异较大,故粘接前要进行粘接强度试验,现场粘接过程中须严格控制施工环境以满足粘接要求。6)外封钢板的定位装配。复合装甲各层材料安装完毕后,要对外封钢板进行定位焊接,在此过程中需重点控制装配间隙,避免间隙过大引起焊接过程过热,从而影响内部复合装甲材料的性能。7)安装完后整体外观质量检查。检查内容主要包括焊缝外观质量、型材恢复情况、与相邻舱壁或甲板的连接。综上所述,参照上述工艺并严格按照质量控制节点进行安装,从理论和模型安装验证情况来看,复合装甲的装舰工艺是科学可靠的。

6结论

根据以上复合装甲结构工艺流程设计研究,得出以下结论: 1)对参照了舰船实际尺寸设计并制作的2种1∶1模型进行局部 模型的安装工艺试验。复合材2料装甲 种结构形式的工艺均满足设计要求,工艺上可以实现。2)在 2种模型安装过程中,进行了焊接温度测试。焊接过程中高强聚乙烯表面最高温度远低于其熔点,对高强聚乙烯复合装甲没有破坏作用。3 )通过复合装甲制备及加工工艺的理论研1∶1究,同时结合典型舱壁局部 模型进行试验验证。所研究的工艺操作性较好,精度可控,质量可检查,工艺可测性好,是一种可行的装舰工艺。4 )综合考虑分析芯层材料防护性能和材料价格,高强聚乙烯层合板为最优选择。复合装甲A60结构的耐火性满足 要求,毒性测试合格。国内厂商生产的复合装甲材料就防御性能而言已经达到国际先进水平,可完全实现自给。

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图2 钢结构模型示意图Fig.2 Schematic of steel structure

图3 钢结构焊接Fig.3 Jointing of steel structure

图5 玻璃钢楔块倒角Fig 5 Cutting angle of GFRP bar

图6 玻璃钢锲块铣凹槽Fig.6 Milling groove of GFRP bar

图7 预拼装示意图Fig.7 Schematic of pre-assembly

图8玻璃钢锲块的粘接Fig.8 Jointing of GFRP bar

图4陶瓷粘接Fig.4 Jointing of ceramic

Fig.11 11图 陶瓷粘接并压紧Jointing of ceramic and compaction

10图 高强聚乙烯层合板粘接Fig.10 Jointing of high strength polyethylene composite laminates

12图 玻璃钢条与气凝胶毡粘接Fig.12 Jointing GFRP strip and silicate aerogel felt

图9 气凝胶毡的粘接Fig.9 Jointing of silicate aerogel felt

13图 钢板焊接Fig.13 Jointing of steel plate

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