Optimální konstrukce sférického pláště kovibračního vektorového hydrofonu(1)

Abstrakt: Zaměřením na strukturální tlakový problém hlubinných vektorových hydrofonů je odvozen vzorec maximálního napětí vnější tlakové sférické skořepiny a vliv materiálů a rozměrů ko-vibrace sférický vektorový hydrofon na jeho akustický výkon a tlakový výkon. je zde analyzován Na základě toho je dána metoda návrhu tenkostěnné tlakově odolné kulové skořepiny s minimální průměrnou hustotou. Studují se typické materiály pro hlubokomořské inženýrství, vybírá se materiál z hliníkové slitiny a vyrábí se ko-vibrační sférický vektorový hydrofon s navrženou tlakovou odolností do hloubky 3000 m. Tlakově odolná struktura hydrofonu byla simulována metodou konečných prvků a byla testována její citlivost, směrovost a tlaková odolnost. Výsledky ukazují, že vektorový hydrofon má dobrou kosinusovou směrovost, citlivost je -188 dB@500 Hz a odolá vnějšímu tlaku 37,5 MPa. Tím se ověřuje metoda návrhu a konstrukce tenkostěnného tlakově odolného kulového pláště s minimální průměrnou hustotou uvedené v tomto článku. Racionalita a proveditelnost návrhu prototypu

 

Zavedení

 

The ko-vibrační vektorový hydrofon může měřit vektorovou informaci o rychlosti vibrací v médiu zvukového pole a jediný vektorový hydrofon může dokončit vyhledání směru akustického cíle. Má také výhody malých rozměrů, nízké spotřeby energie, vysoké citlivosti, středního frekvenčního pásma a je velmi vhodný pro instalaci na podvodní bezpilotní platformy, jako jsou podvodní kluzáky a profilové bóje, pro provádění úkolů, jako je detekce cílů a monitorování hluku v mořském prostředí. V současné době s rozvojem tlakově odolné technologie se zvyšuje pracovní hloubka různých podvodních bezpilotních platforem, což klade vyšší požadavky na tlakovou odolnost vektorových hydrofonů. Spojené státy, Rusko a další země vyvinuly vektorové hydrofony s pracovní hloubkou 5000~6000 m. V tuzemsku je zatím v počáteční fázi výzkumu. Vektorový hydrofon s hloubkou odolnosti vůči tlaku 1000 m byl vyroben za použití epoxidové pryskyřice a kompozitního materiálu ze skleněných mikrokuliček a olejové náplně z kovového pláště. Citlivost a směrovost hydrofonu jsou nevyhovující; schéma dvouvrstvého pláště vnějšího kompozitního pláště a vnitřního pláště z hliníkové slitiny se používá k návrhu vektorového hydrofonu s hloubkou odolnosti proti tlaku 2000 m. Vzhledem k jeho velké velikosti, jeho vysoké Horní frekvenční limit je pouze 1000 Hz; tlakově odolný kompozitní kovibrační vektorový hydrofon byl navržen a vyroben s kovovým pláštěm pokrytým polyuretanovým pláštěm. Potápěčský test, maximální hloubka ponoru je 1200 m. Konstrukce tenkého pláště z hliníkové slitiny ve tvaru kapsle realizuje ko-vibrační vektorový hydrofon s tlakovou odolností 20 MPa. V tomto příspěvku je příslušná teorie návrhu tlakové nádoby aplikována na návrh velkohloubkového vektorového hydrofonu a jako odolný plášť vektorového hydrofonu je přímo použit jednovrstvý tenkostěnný kulový plášť vyrobený z vysoce pevných kovových materiálů. Proces tohoto schématu je poměrně jednoduchý a může dosáhnout velké hloubky výdržného napětí. V tomto schématu je klíčem k návrhu tlakového kulového pláště vektorového hydrofonu, jak vybrat materiál kulového pláště a navrhnout velikost kulového pláště tak, aby se akustický výkon vektorového hydrofonu co nejvíce zlepšil za předpokladu, že odolnost vůči tlaku splňuje požadavky.

 

1 Faktory ovlivňující akustický výkon kovibračního sférického vektorového hydrofonu

 

Při společné vibraci nízkofrekvenční vektorový hydrofon pracuje v podvodním zvukovém poli, bude vibrovat působením zvukového pole. Nastavte jeho rychlost vibrací na v. Navíc nastavte polohu původního geometrického středu hydrofonu, když hydrofon není umístěn ve zvukovém poli. Je-li rychlost vibrace částice média v0, lze předpoklad následujícího vztahu (3) vyjádřit jako frekvenci zvukové vlny fc 2 π R. Z rovnice (3) je vidět, že když je horní mez pracovní frekvence kooscilačního sférického vektorového hydrofonu mnohem menší než oc 2 π R, tím menší je průměrná hustota vibrací vodního hydrofonu, ampl. ve zvukovém poli. Čím větší je absolutní hodnota poměru amplitudy rychlosti, tím větší je citlivost rychlosti vibrací hydrofonu a fázový rozdíl mezi rychlostí vibrací hydrofonu a rychlostí vibrací bodu kvality vody se blíží nule. Protože ko-vibrační vektorový hydrofon je také vybaven snímači vibrací, obvody pro úpravu signálu a dalšími přídavnými strukturami, je obtížné si uvědomit, že průměrná hustota vr vektorového hydrofonu je menší než hustota ρ0 vody. Technika obecně sleduje, že průměrná hustota hydrofonu je blízká hustotě vodního prostředí. V tomto okamžiku může hydrofon zachytit rychlost vibrací bodu kvality vody ve zvukovém poli přibližně 1:1 a horní hranicí pracovní frekvence hydrofonu může být vektor se stejnými vibracemi voda. Akustický projev posluchače zahrnuje především citlivost, směrovost a pracovní frekvenční pásmo. Když je citlivost vnitřního snímače vibrací konstantní, je citlivost hydrofonu určena jeho průměrnou hustotou. Čím menší je průměrná hustota, tím vyšší je citlivost hydrofonu. Směrovost hydrofonu je určena především boční citlivostí snímače vnitřního snímání vibrací. Tvar hydrofonu ovlivní i směrovost. Čím blíže je hydrofon standardnímu kulovému tvaru, tím méně bude rušit směrovost. Protože horní frekvenční limit vnitřního snímače vibrací je obecně vysoký, je horní mez pracovního frekvenčního pásma hydrofonu obecně určena vnějším poloměrem Ro hydrofonu. Čím menší je vnější poloměr, tím vyšší je horní hranice pracovní frekvence hydrofonu. Proto při navrhování tlakově odolného kulového pláště ko-vibračního vektorového hydrofonu, aby se maximalizoval akustický výkon hydrofonu, je nutné, aby průměrná hustota r kulového pláště byla co nejmenší za předpokladu uspokojení tlaku odolného výkonu. Zároveň udělejte vnější poloměr Ro co nejmenší. Horní frekvenční limit ko-vibračního sférického vektorového hydrofonu vyžaduje, čím menší je vnější poloměr, tím lépe; citlivost ko-vibračního sférického vektorového hydrofonu vyžaduje čím menší průměrnou hustotu, tím lépe; čím menší je vnější poloměr, když se materiál a tloušťka nemění, průměrná hustota se místo toho zvyšuje, což je v rozporu. Tlakový výkon kovibračního sférického vektorového hydrofonu vyžaduje, čím menší je vnější poloměr, čím větší je tloušťka a čím vyšší je pevnost materiálu, tím lépe. Čím menší je vnější poloměr a čím větší je tloušťka, tím větší je průměrná hustota, což je také rozpor. Tlaková odolnost a akustický výkon kovibračního sférického vektorového hydrofonu vyžaduje, aby konstrukce jeho kulového pláště byla co nejmenší (vysoká citlivost) a vnější poloměr co nejmenší (horní mez vysoké frekvence) za předpokladu dosažení požadavků na tlakovou odolnost), tato omezení se vzájemně omezují. Následující bude studovat vztah mezi materiálem, vnějším poloměrem a tloušťkou kulového pláště kovibračního sférického vektorového hydrofonu a jeho tlakovou odolností, citlivostí a horní hranicí vysoké frekvence, aby se našel vektor s nejlepším akustickým výkonem za předpokladu uspokojení tlakového výkonu. Konstrukční schéma tlakově odolného kulového pláště hydrofonu.

 

2 Analýza poruch tenkostěnné kulové skořepiny pod vnějším tlakem

 

Když kovibrační sférický vektorový hydrofon pracuje normálně pod vodou, jeho tlakově odolný sférický plášť je vystaven vnějšímu hydrostatickému tlaku. Jedná se o vnější tlakovou nádobu. Bez ohledu na korozní selhání existují dva hlavní způsoby porušení: porušení pevnosti a selhání stability.

 

2.1 Porucha pevnosti

Pevnostní porušení znamená, že když maximální napětí materiálu v tlakové nádobě překročí jeho mez kluzu, materiál se změní z pružné deformace na plastickou deformaci, což má za následek nevratnou deformaci nebo lom. Podle teorie maximálního hlavního napětí a kritéria elastického porušení, pokud vnější tlaková kulová skořepina nemá porušení pevnosti, maximální napětí T by mělo být menší nebo rovné přípustnému napětí při porušení pevnosti materiálu použitého v kulové skořepině. V oblasti konstrukce tlakových nádob lidé používají vzorec maximálního napětí při navrhování vnějších tlakových kulových plášťů. Tento vzorec je souhrnným vzorcem inženýrských zkušeností. Výpočet je jednoduchý, ale předpokladem pro jeho ustavení je, že kulový plášť je tenkostěnný, to znamená, že je vyžadován Ro/Ri. ≤ 1,35, kde Ro je vnější poloměr kulového pláště a Ri je vnitřní poloměr. Řešení získané pomocí tohoto vzorce patří k místnímu optimálnímu řešení. Proto je znovu odvozeno maximální napětí vnější tlakové kulové skořepiny. Nechť p je vnější tlak na kulový plášť a δ je tloušťka kulového pláště. Podle bezmomentové teorie rotující skořepiny je radiální napětí uvnitř tenkostěnné kulové skořepiny pod vnějším tlakem velmi malé a θθ . uvažuje se pouze axiální tlakové napětí Tzz a obvodové tlakové napětí T Protože geometrický tvar kulového pláště je symetrický vzhledem ke středu koule, jsou axiální tlakové napětí a obvodové tlakové napětí stejné. Na řezu procházejícím středem koule je výsledná síla vnějšího tlaku p na řezu kulového pláště Fs=p π Ro2 a plocha průřezu materiálu pláště Ss= π (Ro2-Ri2), takže Tzz a T θθ vnějšího tlaku kulového pláště jsou kulový vnější tlak Porušení pevnosti musí splňovat maximální povolený přípustný

 

2.2 Porucha stability

Porušením stability se rozumí porucha tlakové nádoby ze stabilního rovnovážného stavu do nestabilního stavu působením vnějšího zatížení a náhle ztrácí svůj původní geometrický tvar. Když je tloušťka kulového pláště velmi tenká, k porušení nestability často dochází před porušením pevnosti. Pro tenkostěnnou kulovou skořepinu pod vnějším tlakem je výpočetní vzorec kritického vzpěrného tlaku pcr odvozen z teorie malé deformace, kde E je Youngův modul materiálu kulové skořepiny a Poissonův poměr materiálu. Výpočet vzorce pro malou deformaci teoretického kritického tlaku je relativně jednoduchý, ale chyba je poměrně velká, což může být kompenzováno větším bezpečnostním faktorem m. GB 150.3 stanoví m=14,52. Potom musí být splněn maximální přípustný vnější tlak ps pro porušení stability tenkostěnného kulového pláště.

 

3 Optimalizační návrh tlakově odolného kulového pláště vektorového hydrofonu

 

Tlakově odolný kulový plášť vektorový hydrofonní převodník neselže a musí splňovat maximální přípustný vnější tlak p=min(pi, ps). Kromě parametrů samotného materiálu je maximální přípustný vnější tlak p kulového pláště vztažen pouze k Ri/Ro . Definujte proměnnou X=Ri/Ro. Je snadné vědět, že X je poměr vnitřního a vnějšího poloměru kulového pláště, X∈(0,1), tato proměnná je bezrozměrná, čím větší X, tím tenčí kulový plášť. Po dovoleném napětí T daného materiálu a maximálním dovoleném vnějším tlaku p kulového pláště se získá maximální hodnota X, že kulový plášť splňuje požadavky na pevnost, která se zaznamená jako Xi. Podobně Youngův modul E, Po Poissonově poměru μ a maximálním přípustném vnějším tlaku p kulového pláště lze získat maximální hodnotu X, že kulový plášť splňuje požadavky na stabilitu podle vzorce, který se zaznamená jako Xs. Kovibrační sférický vektorový hydrofon odolává vnější statické vodě Funkce tlaku p bez poruchy a tlakově odolné kulové skořepiny musí splňovat podmínky bez porušení pevnosti a současně poruchy stability a maximální hodnota X, která zároveň splňuje požadavky je X = min X, X (12) Xmax je stanovena Později lze dále získat minimální průměrnou hustotu kulového obalu. Je snadné vědět, že objem materiálu kulovitého pláště je Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Hmotnost kulového pláště mc=ρVc, kde ρ je hustota materiálu kulového pláště. Objem vody vypuštěné kulovým pláštěm je Vs=4πRo3/3. Pak průměrná hustota kulového pláště r je ρ je hustota materiálu, což je kladná konstanta; člen (1-X3) X∈(0,1) je vždy kladná hodnota a monotónně klesá. Minimální průměrná hustota kulového pláště, která splňuje požadavky na tlak. Proto pro získání optimálního návrhu tlakově odolného kulového pláště ko-vibračního vektorového hydrofonu by měly být do vzorce pro výpočet Xmax nahrazeny tlakové požadavky p a vlastnosti materiálu; Dosazením Xmax do vzorce lze získat minimální průměrnou hustotu kulového pláště, která splňuje požadavky na tlak. Za předpokladu celkové hmotnosti snímače vibrací, obvodu pro úpravu signálu a dalších přídavných struktur uvnitř ko-vibračního vektorového hydrofonu je minimální hodnota průměrné hustoty hydrofonu určitá hodnota; v případě, kdy jsou kulový materiál pláště a požadavek na tlakovou odolnost p stanoveny níže, je to také definitivní hodnota. Pro vektorový hydrofon Ro určuje horní mez fmax pracovní frekvence vektorového hydrofonu. Zvolí se horní mez pracovní frekvence vektorového hydrofonu a určí se vnější poloměr Ro kulového pláště vektorového hydrofonu. Potom lze získat minimální průměrnou hustotu hydrofonu a získat rychlost vibrací vektorového hydrofonu. Podobně, pokud je zvolena rychlost vibrací citlivosti vektorového hydrofonu, lze získat průměrnou hustotu hydrofonu podle rovnice (3) a lze získat vnější poloměr kulového pláště hydrofonu v tomto okamžiku a lze získat vektor Horní mez pracovní frekvence hydrofonu. Výše uvedenými kroky nalezneme nejvhodnější materiál a teoreticky optimální řešení rozměrových parametrů jako je vnější poloměr a tloušťka tlakově odolné kulové skořepiny. A na základě údajů o základních rozměrech tlakově odolné kulové skořepiny je proveden další detailní návrh. Po dokončení návrhu se software pro simulaci konečných prvků použije k provedení analýzy rozložení napětí a analýzy vzpěru navrženého tlakově odolného skořepiny, aby bylo zajištěno, že skořepina nebude mít porušení pevnosti a stability pod návrhovým tlakem.

 

4 Konstrukční příklad tlakově odolného kulového pláště vektorového hydrofonu

V současné době dosahuje pracovní hloubka domácích mainstreamových podvodních kluzáků, profilových bójí a dalších podvodních bezpilotních plošin úrovně 2000 m. Aby byla zajištěna určitá bezpečnostní rezerva, je návrhová tlaková hloubka hydrofonu nastavena na 3000 m, tedy p=30 MPa.

 

4.1 Optimalizace materiálu pláště

Nejprve musíme vybrat nejlepší kovový materiál pro tlakově odolný kulový plášť ko-vibračního vektorového hydrofonu. Tabulka 1 uvádí mechanické vlastnosti několika běžně používaných materiálů pro hlubokomořské inženýrství, jako je nerezová ocel 304, 316L, hliníková slitina 6061T6, 7075T6, titanová slitina TC4 a mosaz H90. V příslušných hodnotách materiálů se mohou mírně lišit). Dosazením požadavků na tlak p a vlastností různých materiálů v tabulce 1 do vzorce lze získat tyto technické materiály, které splňují požadavky na pevnost Xi, požadavky na stabilitu Xs a oba Xmax; dosaďte získanou Xmax do vzorce , Lze získat minimální průměrnou hustotu, které lze dosáhnout kulovým pláštěm vyrobeným z každého materiálu, který splňuje požadavky na tlak. Pokud určitý materiál splňuje požadavky na pevnost Xi je menší než požadavky na stabilitu Xs, pak je materiál vyroben do koule, která splňuje požadavky na pevnost. V případě pláště je jeho stabilita nadbytečná; podobně, je-li Xi určitého materiálu větší než Xs, když je materiál vyroben do sférického obalu, který splňuje požadavky na stabilitu, je jeho pevnost nadbytečná. Čím blíže jsou hodnoty Xi a Xs, tím vyváženější je pevnost a stabilita kulového pláště vyrobeného z tohoto materiálu. Mezi několika materiály uvedenými v tabulce 2 je Xi titanové slitiny TC4 větší než Xs, což naznačuje, že pevnost kulovitého pláště vyrobeného z tohoto materiálu je nadbytečná, pokud splňuje požadavky na stabilitu. S výjimkou TC4 jsou Xi zbývajících materiálů všechny menší než Xs, což naznačuje, že stabilita kulového pláště vyrobeného z těchto materiálů je při splnění požadavků na pevnost nadbytečná. Mezi materiály v tabulce 2 jsou Xi a Xs hliníkové slitiny 7075T6 a titanové slitiny TC4 relativně blízko, což naznačuje, že pevnost a stabilita kulového pláště vyrobeného z těchto dvou materiálů jsou relativně vyrovnané. Z tabulky 2 je vidět, že za předpokladu splnění tlakové odolnosti 30 MPa mezi několika běžně používanými konstrukčními materiály uvedenými v tabulce může průměrná hustota kulového pláště vyrobeného z hliníkové slitiny a titanové slitiny TC4 dosáhnout hustoty blízké nebo menší než hustota vody, což je v souladu s konstrukčními požadavky kovibračního sférického vektorového hydrofonu. Mezi nimi má materiál titanové slitiny TC4 největší Xmax, tedy nejtenčí tlakově odolný kulový plášť vyrobený z tohoto materiálu. Tlakově odolná kulovitá skořepina vyrobená z materiálu 7075T6 může dosáhnout nejmenší průměrné hustoty a ponechat největší hmotnostní rezervu pro ostatní vnitřní struktury. Kromě toho má hliníková slitina větší výhody než titanová slitina TC4, pokud jde o materiálové náklady a náklady na zpracování. Proto je hliníková slitina nejlepším materiálem pro výrobu vektorových hydrofonových tlakově odolných sférických plášťů.

 

4.2 Velikostní provedení tlakově odolné kulové skořepiny

Materiál z hliníkové slitiny je vybrán tak, aby vytvořil kulový plášť hydrofonu s tlakovou odolností 30 MPa a minimální průměrná hustota kulového pláště, který splňuje požadavky na tlak, je v tuto chvíli 0,64 × 103 kg/m3 a X = 0,9177. Pokud je rychlost vibrací citlivosti vektorového hydrofonu |v/v0| je povolena na 0,8, vlastní konstrukce kulového pláště hydrofonu by měla být navržena na dvě poloviny, aby se usnadnila instalace vnitřních součástí. Předpokládá se, že dva polokulové pláště hydrofonu jsou sestaveny Přídavná hmotnost měřeného hydrofonu, akcelerometru, montážní konzoly, obvodu pro úpravu signálu a vodotěsné průnikové komory použité ve skutečném hydrofonu má hmotnostní součet 99,5 g, takže součet přídavné hmotnosti me = 149,5 g. Získá se vnější poloměr Ro = 36,48 mm kulového pláště hydrofonu. X=Ri/Ro=0,9177, vnitřní poloměr kulového pláště Ri=33,48 mm, tloušťka kulového pláště=3,00 mm, pro usnadnění výpočtu, kreslení a zpracování je vnitřní poloměr kulového pláště Ri zaokrouhlen dolů na 33 mm, vnější poloměr Ro je 36 mm.

 

4.3 Kontrola výdržného napětí

Po získání údajů o velikosti tlakově odolné kulové skořepiny, aby bylo zajištěno, že může splňovat požadavky na tlakovou odolnost, je kontrolována odolnost proti tlaku a jsou zvažovány především dva případy selhání pevnosti a selhání stability.

 

4.3.1 Porucha pevnosti

Z tabulky 1 je patrné, že dovolené napětí hliníkové slitiny použité pro kulový plášť je 190 MPa, což je kombinováno s parametry velikosti kulového pláště pro získání pevnosti při porušení přípustný tlak kulového pláště je 30,4 MPa, což je větší než 30 MPa, což splňuje požadavky na tlak .

 

4.3.2 Porucha stability

Poissonův poměr hliníkové slitiny μ=0,33, Youngův modul E=7,2×1010 Pa a systém stability m=14,52. Dosazením materiálových dat a velikosti kulové skořepiny do rovnic (8) a (9) se vypočte kritický tlak obvodové nestability pcr=611,6 MPa a povolený tlak obvodové nestability je 42,1 MPa, což je větší než 30 MPa, což splňuje požadavky na tlak . Je vidět, že tlakově odolný kulový plášť vektorového hydrofonu odolá vnějšímu hydrostatickému tlaku 30 MPa. A přípustný tlak pro obvodovou nestabilitu je větší než přípustný tlak pro porušení pevnosti. Pokud se tlak dále zvyšuje mimo sférickou skořepinu, nejprve se projeví pevnostní efekt.

 

4.4 Inženýrský návrh tlakové skořepiny vektorového hydrofonu

Po určení základních údajů, jako je materiál, vnější poloměr a tloušťka tlakově odolného kulového pláště vektorového hydrofonu, lze provést detailní návrh pláště vektorového hydrofonu. Tento článek využívá 3D modelovací software k provedení pomocného návrhu velkohloubkového sférického ko-vibračního vektorového hydrofonu. Pohled v řezu na strukturu vektorového hydrofonu je na obrázku 1.