Аптымальная канструкцыя сферычнай абалонкі вібрацыйнага вектарнага гідрафона (2)

Форма гідрафона - стандартная акустычны пераўтваральнік сферычнай формы . Сферычная абалонка гідрафона складаецца з верхняй і ніжняй паўсфер. Знешні радыус дзвюх паўсфер роўны 36 мм, таўшчыня сценкі ніжняй паўсферы — 3 мм, а таўшчыня сценкі верхняй паўсферы — 4 мм. Для восевага ўшчыльнення пасярэдзіне выкарыстоўваецца гумовае ўшчыльняльнае кольца. Каб мінімізаваць якасць часткі абалонкі, якая не вытрымлівае ціску, выбіраецца амерыканскае стандартнае ўшчыльняльнае кольца, якое танчэйшае за нацыянальны стандарт, каб паменшыць шырыню ўсталявальнай канаўкі ўшчыльняльнага кольцы. Верхняя і ніжняя паўсферы змацаваныя разьбой на сферычнай абалонцы, каб не было неабходнасці павялічваць месца ўстаноўкі крапежных нітаў, а таксама зрабіць як мага меншай неапорную частку абалонкі. Паколькі верхняя і ніжняя паўсферы змацаваныя ніткамі, становішча двух паўшар'яў пры зацягванні з'яўляецца выпадковым. Такім чынам, 4 адтуліны для спружыннай падвескі раўнамерна размеркаваны ў цэнтры вонкавай паверхні сферычнай абалонкі замест двух сіметрычна размеркаваных на двух паўсферычных абалонках. Адтуліну для падвескі пятлёвай спружыны. Ніжнюю паўсферу зрабіце крыху больш, а верхнюю - крыху менш, каб усе адтуліны для спружыннай падвескі ў цэнтры размяшчаліся на ніжняй паўсферы. У датчыку ўлоўлівання вібрацыі выкарыстоўваецца трохвосевы п'езаэлектрычны акселерометр. Акселерометр усталяваны ў цэнтры сферычнай абалонкі праз кранштэйн, а схема фарміравання сігналу - з іншага боку кранштэйна. Звярніце ўвагу, што гэты 'цэнтр' таксама знаходзіцца ў ніжняй паўсферычнай абалонцы, таму, калі абедзве паўшар'і нацягнуты, незалежна ад таго, які вугал паміж верхнімі і ніжнімі паўшар'ямі, гэта не паўплывае на выраўноўванне акселерометра з кірункам адтуліны для падвескі. Пасля завяршэння зборкі цэнтр цяжару ўсяго вектарнага гідрафона павінен супадаць з цэнтрам сферычнай абалонкі падводны акустычны пераўтваральнік як мага больш. Становішча цэнтра цяжару гідрафона на малюнку 1 аўтаматычна разлічваецца праграмай 3D-мадэлявання, і ён знаходзіцца ў геаметрычным цэнтры вектарнага гідрафона. Слабым месцам распрацаванай сферычнай абалонкі, устойлівай да ціску, з'яўляецца злучэнне паміж канаўкай ушчыльняльнага кольца і сферычнай абалонкай і адтулінай прабіўной часткі. Для злучэння паміж канаўкай для ўшчыльняльнага кольца і сферычнай абалонкай дадайце вялікі закругленне, каб зрабіць пераход плыўным, каб паменшыць канцэнтрацыю напружання. Для адтуліны прабіўной часткі, з аднаго боку, павялічце таўшчыню сценкі адтуліны, каб павялічыць трываласць сценкі адтуліны, з другога боку, дадайце вялікія круглыя ​​куты на пераходзе паміж сценкай адтуліны і ўнутранай паверхняй сферычнай абалонкі, а таксама на пераходзе паміж сценкай адтуліны і знешняй паверхняй сферычнай абалонкі. Павялічце матэрыял, каб згладзіць пераход і паменшыць канцэнтрацыю напружання. Каб кампенсаваць праблему зніжэння трываласці, выкліканую адкрыццём верхняй паўсферычнай абалонкі, таўшчыня верхняй паўсферычнай абалонкі была павялічана ў цэлым на 1 мм. Акрамя таго, устойлівыя да ціску сталёвыя балты, якія выкарыстоўваюцца для пракладкі праз склад, маюць больш высокую трываласць, эквівалентную суцэльным нітам, і падтрымліваюць адтуліны з разьбой.

 

4.5 Мадэляванне прадукцыйнасці ўстойлівай да ціску абалонкі вектарнага гідрафона

На малюнку 1 відаць, што распрацаваная ўстойлівая да ціску сферычная абалонка вектарнага гідрафона больш не з'яўляецца ідэальнай сферычнай абалонкай. Найбольшы ўплыў на ўстойлівасць да ціску аказвае адкрыццё большага разьбовага адтуліны ў верхняй паўсферы. Уплыў адтуліны павялічыў таўшчыню верхняй паўсферы на 1 мм. Гэтыя змены не былі тэарэтычна разлічаны. Ніжэй выкарыстоўваецца метад аналізу канчатковых элементаў для выканання структурнага статычнага мадэлявання і мадэлявання ўласнага значэння выпучвання на трохмернай мадэлі сферычнай абалонкі вектарнага гідрафона, каб праверыць, ці можа спраектаваны вектарны гідрафон вытрымаць знешні ціск 30 МПа. Выкарыстанае праграмнае забеспячэнне для мадэлявання канечных элементаў - ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Структурнае статычнае мадэляванне

Імпартаваць трохмерную лічбавую мадэль сферычную абалонку вектарнага гідрафона ў праграмнае забеспячэнне для мадэлявання канечных элементаў, усталяваць матэрыял абалонкі на алюмініевы сплаў 7075T6 і ўсталяваць рэжым кантакту паміж верхняй абалонкай і заглушкай, а таксама паміж верхняй і ніжняй абалонкамі для рэжыму звязвання. Метад шасцігранніка выкарыстоўваецца для стварэння сеткі мадэлі, памер сеткі ўсталёўваецца на функцыю выгібу, а максімальны памер усталяваны на 0,8 мм. Перамяшчэнні ў кірунках x, y і z зададзены ў 0 на верхняй паверхні штэкера, каб абмежаваць перасоўванне мадэлі; абмежаванне цыліндрычнай паверхні ўсталёўваецца на знешняй цыліндрычнай паверхні заглушкі, а тангенцыяльны кірунак фіксуецца, каб абмежаваць паварот і паварот мадэлі. Восевыя і радыяльныя свабодныя; прыкласці нагрузку ціскам 30 МПа да ўсіх вонкавых паверхняў корпуса гідрафона (уключаючы ўнутраную паверхню канаўкі ўшчыльняльнага кольца) і выканаць структурны статычны аналіз. Размеркаванне інтэнсіўнасці напружання абалонкі гідрафона, атрыманае ў выніку мадэлявання, паказана на малюнку 2. Інтэнсіўнасць напружання выбрана для аналізу, таму што гэта эквівалентнае напружанне, заснаванае на трэцяй тэорыі інтэнсіўнасці, вынік больш бяспечны і прыдатны для аналізу сасудаў высокага ціску.

Інтэнсіўнасць напружання кальцавой выпукласці, выкліканай канаўкай ушчыльняльнага кольца ў сярэдзіне абалонкі гідрафона (якую можна разглядаць як кольца рэбры калянасці), невялікая; значэнне мадэлявання інтэнсіўнасці напружання сярэдняй часткі верхняй і ніжняй паўсферычных абалонак абалонкі гідрафона з'яўляецца найменшым, яго значэнне складае менш за 202,7 Мпа, сюды не ўваходзяць разрыў і канцэнтрацыя напружання, яго можна разглядаць як асноўную агульную інтэнсіўнасць напружання плёнкі, у адпаведнасці з формулай (6), тэорыяй першаснага агульнага напружання плёнкі (гэта значыць максімальнага галоўнага напружання) танкасценных сферычная абалонка Разліковае значэнне складае 187,8 Мпа, што ў асноўным адпавядае вынікам мадэлявання. Інтэнсіўнасць напружання ў большасці абласцей унутранай паверхні верхняй і ніжняй сферычных абалонак адносна вялікая і складае менш за 243,2 Мпа. Напружанне ў гэтай кропцы належыць да асноўнага напружання выгібу і адпавядае мяжы менш чым у 1,5 разы дапушчальнага напружання. На стыку ніжняй паўсферычнай абалонкі і цэнтральнага кальцавога выступу маецца кальцавая вялікая зона напружання, інтэнсіўнасць напружання складае каля 324,2 МПа, напружанне тут з'яўляецца асноўным напружаннем плюс другаснае напружанне, і яго значэнне менш чым у 3 разы перавышае дапушчальнае напружанне, што адпавядае праектным патрабаванням. Ёсць лакальныя канцэнтрацыі напружання ў месцы, дзе верхняя частка верхняй паўсферычнай абалонкі кантактуе з заглушкай, і ў некалькіх месцах канаўкі ўшчыльняльнага кольца. Максімальнае напружанне складае 405,2 МПа, якое адносіцца да асноўнага напружання плюс другаснага напружання плюс пікавага напружання. Гэта напружанне не будзе ўплываць Уплыў паломкі трываласці ў асноўным уплывае на стомленасць разбурэння абалонкі пад ціскам. Такім чынам, сферычная абалонка вектарнага гідрафона вытрымлівае знешні ціск 30 Мпа без парушэння трываласці.

 

4.5.2. Мадэляванне ўласнага значэння выпучвання

Затым нагрузку ад ціску на знешнюю паверхню мадэлі сферычнай абалонкі гідрафона змяняюць да 1 МПа, і на аснове вынікаў структурна-статычнага аналізу выконваюць аналіз уласнага значэння прадольнай стойкасці. Поўная дэфармацыя формы выпучвання першага парадку сферычнай абалонкі гідрафона паказана на малюнку 3.

З малюнка 3 відаць, што дэфармацыя ў асноўным адбываецца ў ніжнім паўшар'і, таму што чым танчэй сферычная абалонка, тым горш стабільнасць. Каэфіцыент прадольнай нагрузкі першага парадку складае 680,35, таму мадэляванае значэнне крытычнага ціску нестабільнасці сферычнай абалонкі гідрафона складае 680,35 МПа, што крыху вышэй крытычнага ціску нестабільнасці па акружнасці, разлічанага па формуле 611,6 МПа. Такім чынам, сферычная абалонка вектарнага гідрафона можа вытрымліваць знешні ціск 30 Мпа без парушэння ўстойлівасці.

 

4.6 Вытворчасць вектарных гідрафонаў

Верхняя і ніжняя паўсферычныя абалонкі ст вектарны датчык гідрафона апрацоўваюцца станкамі з ЧПУ. Матэрыял - гэта алюмініевы сплаў 7075-T6, а паверхня анадаваная з адукацыяй шчыльнай аксіднай ахоўнай плёнкі для павышэння цвёрдасці паверхні і прадухілення карозіі марской вады. Завершаны калявібрацыйны сферычны вектарны гідрафон паказаны на малюнку 4. Пасля фактычнага вымярэння яго маса складае 274,7 г, а шчыльнасць - 1,40 × 103 кг/м3. Знешні радыус вектарнага гідрафона Ro=36 мм, і, падстаўляючы ў раўнанне (4), памер гэтага гідрафона падтрымлівае верхнюю мяжу яго працоўнай частаты fmax=2653 Гц. Для зручнасці выкарыстання акругліце верхнюю мяжу яго працоўнай частаты да 3000 Гц. У гэты час kRo=0,45239, стаўленне шчыльнасці 0r / r =1,40, падставіўшы ўраўненні (1) і (2) ва ўраўненні (1) і (2), каб атрымаць v/v0=0,77, максімальную рознасць фаз складае ўсяго 0,15 ° , што адпавядае патрабаванням прыкладання.

 

Тэст прадукцыйнасці вектарнага гідрафона 5

Каб праверыць, ці адпавядаюць акустычныя характарыстыкі і ўстойлівасць да ціску распрацаванага і вырабленага сферычнага вектарнага гідрафона сумеснай вібрацыі патрабаванням, узоры гідрафона змяшчаюць у трубку стаячай хвалі для выпрабаванняў на адчувальнасць і накіраванасць, а выпрабаванне статычным ціскам праводзіцца ў аўтаклаве.

 

5.1 Тэст на адчувальнасць

Адчувальнасць трохвосевага п'езаэлектрычнага акселерометра, які выкарыстоўваецца ў сумеснай вібрацыі падводны вектарны гідрафон у гэтым артыкуле Ма=2500 мВ/г. Адчувальнасць вектарнага гідрафона да хуткасці вібрацыі звычайна выражаецца эквівалентнай адчувальнасцю да гукавога ціску ў свабодным полі Mp. Паміж Mp і Ma існуе наступная канверсійная сувязь. Падставіўшы фактычнае вымеранае значэнне сярэдняй шчыльнасці гідрафона ва ўраўненне (3), можна атрымаць | v/v0|=0,7895, падставіўшы гэтае значэнне ва ўраўненне (16), можна атрымаць залежнасць паміж тэарэтычнай эквівалентнай адчувальнасцю гукавога ціску вектарнага гідрафона і частатой гукавой хвалі, як паказана чорнай суцэльнай лініяй на малюнку 5. Пры 500 Гц тэарэтычная адчувальнасць вектарнага канала вектарнага гідрафона складае -187,4 дБ (0 дБ аднос. 1В/мкПа, за выключэннем каэфіцыент узмацнення ўбудаванага папярэдняга ўзмацняльніка гідрафона), што павялічвае адчувальнасць на 6 дб на актаву. Адчувальнасць вектарнага гідрафона да хуткасці вібрацыі выпрабоўваецца ў трубцы са стаячай хваляй з выкарыстаннем метаду параўнання, і эфектыўная паласа частот трубкі са стаячай хваляй складае 100~1000 Гц. Вынікі вымярэнняў адчувальнасці кожнага канала сферычнага вектарнага гідрафона з сумеснай вібрацыяй паказаны на малюнку 5 з кропкамі чырвонай зоркі. Відаць, што вымераныя крывыя адчувальнасці трох вектарных каналаў у асноўным адпавядаюць тэарэтычным крывым. Адчувальнасць каналаў X, Y і Z пры 500 Гц складае -188,9, -188,1 і -187,6 дБ адпаведна. Хібнасць узгодненасці адчувальнасці кожнага вектарнага канала ў дыяпазоне частот вымярэння не перавышае 1,2 дБ; метад найменшых квадратаў выкарыстоўваецца для вызначэння нахілу, адпаведнага крывой адчувальнасці трох каналаў, і максімальная розніца паміж дадзенымі адчувальнасці трох каналаў і адпаведным нахілам складае менш за 0,8 дБ, гэта значыць нестабільнасць ўзроўню адчувальнасці гідрафона складае менш за 0,8 дБ; адчувальнасць павялічваецца на 6 дБ на актаву, што адпавядае тэарэтычнай тэндэнцыі.

 

5.2 Выпрабаванне накіраванасці

 

Тэарэтычна тры вектарныя каналы савібрацыйнага сферычнага вектарнага гідрафона павінны мець косінусную накіраванасць незалежна ад частаты. Метад вярчэння выкарыстоўваецца для вымярэння накіраванасці гідрафона са вібрацыяй сферычнага вектара ў трубцы стаячай хвалі, а вуглавы інтэрвал выпрабаванні вярчэння складае 0,4°. Была праверана накіраванасць каналаў X, Y і Z пры 100, 500 і 1000 Гц адпаведна. Вынікі паказваюць, што каналы X, Y і Z маюць добрую косінусную накіраванасць у трох частатных кропках. Крывыя накіраванасці каналаў X, Y і Z пры 500 Гц паказаны на малюнку 6. Відаць, што мінімальная глыбіня піта крывой накіраванасці X-канала складае 34,1 дБ, а мінімальная глыбіня піта крывой накіраванасці Y-канала складае 29,8 дБ. Мінімальная глыбіня крывой накіраванасці канала складае 38,9 дБ. Паколькі сігнал, які ствараецца гукавой хваляй на канале, які падлягае вымярэнню, калі вектарны гідрафон знаходзіцца ва ўвагнутай кропцы, надзвычай малы, паваротная сістэма не спыняецца, калі тэставая сістэма працуе, і механічная вібрацыя і шум паваротнай сістэмы непасрэдна перадаюцца вектару праз спружыну падвескі. На гідрафоне сігнал, які ствараецца на канале, які падлягае вымярэнню, часта значна большы за акустычны сігнал, таму глыбіня ямы, атрыманая ў выніку вымярэння, значна меншая за сапраўднае значэнне. Нягледзячы на ​​гэта, самая маленькая глыбіня ямы ў трох вектарных каналах дасягае 29,8 дБ, што адпавядае патрабаванням прымянення.

 

5.3 Выпрабаванне напружання

Выпрабаванне савібрацыйнага сферычнага гідрафона на статычны ціск праводзілася ў аўтаклаве. Згодна з GB 150.1, для гідраўлічнага выпрабавання вонкавага сасуда пад ціскам у якасці выпрабавальнага ціску варта прыняць 1,25 разліковага ціску. Разліковы ціск вектарнага гідрафона складае 30 МПа, такім чынам, максімальны ціск пры выпрабаванні ціскам устаноўлены 37,5 МПа. Падчас выпрабаванняў быў змадэляваны напорны рэжым слізгацення гідрафона па профілі падводнага планёра. Спачатку ціск павялічвалі да 37,5 МПа пры пастаяннай хуткасці і падтрымлівалі ціск на працягу паўгадзіны, затым ціск павольна скідалі і зноў павялічвалі да 37,5 МПа пры пастаяннай хуткасці, і цыкл паўтараўся 5 разоў. На працягу ўсяго працэсу павышэння ціску ў аўтаклаве не было рэзкага падзення ціску. Знешні выгляд двух узораў гідрафона да і пасля сціску не пашкоджаны, а маса была аднолькавай. Затым акустычныя характарыстыкі гідрафона былі паўторна правераны ў трубе стаячай хвалі. Вынікі выпрабаванняў паказалі, што гідрафон пасля падаўлення працаваў нармальна, а яго адчувальнасць і накіраванасць былі ў асноўным такімі ж, як і да падаўлення. Даказана, што савібрацыйны сферычны вектарны гідрафон вытрымлівае ціск вады 37,5 МПа.

 

6 Заключэнне

У адпаведнасці з патрабаваннямі да ўстойлівасці да ціску і акустычных характарыстык вектарнага гідрафона вялікай глыбіні, у гэтым артыкуле прапануецца метад распрацоўкі сферычнай абалонкі мінімальнага ціску сярэдняй шчыльнасці шаравога вектарнага гідрафона з сумеснымі вібрацыямі, які мае важнае тэарэтычнае значэнне для інжынернай рэалізацыі. Прааналізаваны і разлічаны тыповыя глыбакаводныя інжынерныя матэрыялы і абраны алюмініевы сплаў 7075T6 у якасці матэрыялу для ўстойлівай да ціску абалонкі вектарнага гідрафона; прыняў метад распрацоўкі сферычнай абалонкі з мінімальнай сярэдняй шчыльнасцю, устойлівай да ціску, з дапамогай тэарэтычных разлікаў і мадэлявання метадам канчатковых элементаў для вызначэння трываласці і ўстойлівасці абалонкі. Распрацоўка і рэалізацыя вектарнага гідрафона сумеснай вібрацыі вялікай глыбіні прайшлі выпрабаванне ціскам вады 37,5 МПа; знешнія памеры вектарнага гідрафона падтрымліваюць верхнюю мяжу яго працоўнай частаты да 3000 Гц, а адчувальнасць складае -188 дБ @ 500 Гц, памылка ўзгодненасці адчувальнасці трох каналаў складае менш за 1,2 дБ, а ваганні адчувальнасці - менш за 0,8 дБ. Накіраванасць трох каналаў - ідэальная васьмёрка. У выпадку шуму механічнага кручэння, увагнутая кропка Глыбіня таксама перавышае 29,8 дБ.