Optimální konstrukce sférického pláště kovibračního vektorového hydrofonu(2)

Tvar hydrofonu je standardní akustický měnič kulového tvaru . Kulový plášť hydrofonu je složen z horní a dolní hemisféry. Vnější poloměr obou polokoulí je 36 mm, tloušťka stěny dolní polokoule je 3 mm a tloušťka stěny horní polokoule je 4 mm. Pro axiální těsnění uprostřed je použit pryžový O-kroužek. Aby se minimalizovala kvalita netlakové části pláště, je vybrán americký standardní O-kroužek, který je tenčí než národní norma, aby se zmenšila šířka instalační drážky O-kroužku. Horní a spodní polokoule jsou uchyceny závity na kulovém plášti, takže není potřeba zvětšovat montážní polohu upevňovacích šroubů a zároveň je potřeba co nejméně zmenšit netlakovou část pláště. Vzhledem k tomu, že horní a dolní polokoule jsou upevněny závity, je poloha vyrovnání obou polokoulí při utahování náhodná. Proto jsou 4 otvory pro zavěšení pružiny rovnoměrně rozmístěny ve středu vnějšího povrchu kulového pláště namísto dvou symetricky rozmístěných na dvou polokulových skořepinách. Otvor pro zavěšení smyčkové pružiny. Udělejte spodní polokouli o něco větší a horní o něco menší, aby všechny otvory pro zavěšení pružin ve středu byly umístěny na spodní polokouli. Snímač vibrací využívá tříosý piezoelektrický akcelerometr. Akcelerometr je instalován ve středu kulového pláště pomocí držáku a obvod pro úpravu signálu je instalován na druhé straně držáku. Všimněte si, že tento 'střed' je také umístěn ve spodní polokulové skořepině, takže když jsou obě polokoule utaženy, bez ohledu na to, jaký je úhel mezi horní a dolní polokoulí, neovlivní to zarovnání akcelerometru se směrem závěsného otvoru. Po dokončení montáže by se těžiště celého vektorového hydrofonu mělo shodovat se středem kulového pláště podvodní akustický měnič co nejvíce. Poloha těžiště hydrofonu na obrázku 1 je automaticky vypočítána softwarem pro 3D modelování a je umístěna v geometrickém středu vektorového hydrofonu. Slabou oblastí navržené tlakově odolné kulové skořepiny je spojení mezi drážkou O-kroužku a kulovou skořepinou a otvorem propichovací části. Pro spojení mezi drážkou O-kroužku a kulovým pláštěm přidejte velké zaoblení, aby byl přechod hladký, aby se snížila koncentrace napětí. Pro otevření propichovací části na jedné straně zvětšete tloušťku stěny otvoru pro zvýšení pevnosti stěny otvoru, na druhé straně přidejte velké oblé rohy na přechodu mezi stěnou otvoru a vnitřním povrchem kulového pláště a na přechodu mezi stěnou otvoru a vnějším povrchem kulového pláště Zvětšete materiál pro vyhlazení přechodu a snížení koncentrace napětí. Aby se kompenzoval problém se snížením pevnosti způsobený otevřením horní polokulové skořepiny, tloušťka horní polokulové skořepiny byla celkově zvýšena o 1 mm. Kromě toho mají ocelové šrouby odolné proti tlaku používané pro vedení skladem vyšší pevnost, ekvivalentní plným šroubům, a podporují závitové otvory.

 

4.5 Simulace výkonu tlakově odolného pláště vektorového hydrofonu

Z obrázku 1 je vidět, že navržený tlakově odolný kulový plášť vektorového hydrofonu již není ideální kulový plášť. Největší vliv na tlakově odolný výkon má otevření většího závitového otvoru v horní polokouli. Vlivem otvoru se zvýšila tloušťka horní polokoule o 1 mm. Tyto změny nebyly teoreticky vypočteny. V následujícím textu je použita metoda analýzy konečných prvků k provedení strukturální statické simulace a simulace vlastní hodnoty boulení na trojrozměrném modelu sférického pláště vektorového hydrofonu k ověření, zda navržený vektorový hydrofon odolá vnějšímu tlaku 30 MPa. Použitým softwarem pro simulaci konečných prvků je ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Statická simulace konstrukce

Importujte trojrozměrný digitální model vektorový kulový plášť hydrofonu do simulačního softwaru konečných prvků, nastavte materiál pláště na hliníkovou slitinu 7075T6 a nastavte režim kontaktu mezi horním pláštěm a zástrčkou a mezi horním a spodním pláštěm na režim vazby , Pro síťování modelu se používá metoda hexahedron, velikost sítě je nastavena na funkci ohybu a maximální velikost je nastavena na 0,8 mm. Posuny ve směrech x, yaz jsou na horním povrchu zátky nastaveny na 0, aby se omezil posun modelu; na vnějším válcovém povrchu zástrčky je nastaveno omezení válcového povrchu a tečný směr je pevný, aby se omezilo otáčení a rotace modelu. Axiální a radiální volné; aplikujte tlakové zatížení 30 MPa na všechny vnější povrchy pláště hydrofonu (včetně vnitřního povrchu drážky O-kroužku) a proveďte na něm statickou statickou analýzu. Rozložení intenzity napětí pláště hydrofonu získané simulací je znázorněno na obrázku 2. Intenzita napětí je pro analýzu vybrána, protože se jedná o ekvivalentní napětí na základě teorie třetí intenzity, výsledek je bezpečnější a je vhodný pro analýzu tlakové nádoby.

Intenzita napětí prstencového vyboulení způsobeného drážkou O-kroužku uprostřed pláště hydrofonu (který lze považovat za výztužný žebrový prstenec) je malá; hodnota simulace intenzity napětí střední části horní a dolní polokulové skořepiny pláště hydrofonu je nejmenší , Její hodnota je menší než 202,7 MPa, zde nezahrnuje diskontinuitu a koncentraci napětí, lze ji považovat za primární celkovou intenzitu napětí filmu, podle vzorce (6), teorie primárního celkového napětí filmu (tj. maximální hlavní napětí) kulového pláště 8 MP, která je vypočtena kulovitá, 18 hodnota kulového pláště,1 v zásadě v souladu s výsledky simulace. Intenzita napětí ve většině oblastí vnitřního povrchu horní a spodní kulové skořepiny je poměrně velká a její hodnota je menší než 243,2 MPa. Napětí v tomto bodě patří k primárnímu namáhání v ohybu a splňuje limit menší než 1,5 násobek dovoleného napětí. Na styku spodní polokulové skořepiny a středového prstencového výběžku je prstencová velká napěťová zóna, intenzita napětí je cca 324,2 MPa, napětí je zde primární napětí plus sekundární napětí a jeho hodnota je menší než 3násobek dovoleného napětí, což splňuje požadavky návrhu. V místě, kde je vršek horní polokulové skořepiny v kontaktu se zátkou a na několika místech v drážce O-kroužku, dochází k lokálním koncentracím napětí. Maximální napětí je 405,2 MPa, které patří mezi primární napětí plus sekundární napětí plus špičkové napětí. Toto napětí neovlivní Vliv porušení pevnosti ovlivňuje především únavové porušení tlakové skořepiny. Proto kulový plášť vektorového hydrofonu odolá vnějšímu tlaku 30 MPa bez porušení pevnosti.

 

4.5.2 Simulace vlastní hodnoty boulení

Dále je tlakové zatížení na vnějším povrchu modelu sférické skořepiny hydrofonu změněno na 1 MPa a na základě výsledků statických statických analýz je provedena analýza vlastních hodnot. Celková deformace režimu vybočení prvního řádu kulového pláště hydrofonu je znázorněna na obrázku 3.

Z obrázku 3 je vidět, že k deformaci dochází hlavně ve spodní polokouli, protože čím tenčí je kulový obal, tím horší je stabilita. Součinitel vzpěrného zatížení 1. řádu je 680,35, takže simulační hodnota kritického tlaku nestability kulového pláště hydrofonu je 680,35 MPa, což je o něco více než kritický tlak obvodové nestability vypočítaný podle vzorce 611,6 MPa. Proto kulový plášť vektorového hydrofonu odolá vnějšímu tlaku 30 MPa bez poruchy stability.

 

4.6 Výroba vektorových hydrofonů

Horní a dolní polokulové skořepiny vektorový hydrofonní senzor jsou zpracovány CNC obráběcími stroji. Materiálem je hliníková slitina 7075-T6 a povrch je eloxován, aby vytvořil hustý oxidový ochranný film, který zlepšuje tvrdost povrchu a zabraňuje korozi mořské vody. Hotový kovibrační sférický vektorový hydrofon je na obrázku 4. Po skutečném měření je jeho hmotnost 274,7 g a hustota 1,40 × 103 kg/m3. Vnější poloměr vektorového hydrofonu je Ro=36 mm a dosazením do rovnice (4) velikost tohoto hydrofonu podporuje horní hranici jeho pracovní frekvence fmax=2653 Hz. Pro snadné použití zaokrouhlete horní hranici jeho pracovní frekvence na 3000 Hz. V tomto okamžiku kRo=0,45239, poměr hustoty 0r/r=1,40, dosazením rovnic (1) a (2) do rovnic (1) a (2) získáte v/v0=0,77, maximum Fázový rozdíl je pouze 0,15 ° , což splňuje požadavky aplikace.

 

5 Test výkonnosti vektorového hydrofonu

Aby se ověřilo, zda akustický výkon a tlaková odolnost navrženého a vyrobeného ko-vibračního sférického vektorového hydrofonu splňují požadavky, vzorky hydrofonu se umístí do trubice se stojatou vlnou pro zkoušky citlivosti a směrovosti a v autoklávu se provede zkouška statickým tlakem.

 

5.1 Test citlivosti

Citlivost tříosého piezoelektrického akcelerometru použitého při ko-vibraci podvodní vektorový hydrofon v tomto článku je Ma=2500 mV/g. Citlivost na rychlost vibrací vektorového hydrofonu je obecně vyjádřena ekvivalentní citlivostí na akustický tlak ve volném poli Mp. Mezi Mp a Ma existuje následující konverzní vztah. Dosazením skutečné naměřené hodnoty průměrné hustoty hydrofonu do rovnice (3) lze získat | v/v0|=0,7895, dosazením této hodnoty do rovnice (16), lze získat vztah mezi teoretickou ekvivalentní citlivostí na akustický tlak vektorového hydrofonu a frekvencí zvukových vln, jak je znázorněno černou plnou čarou na obrázku 5. Při 500 Hz je teoretická citlivost vektorového kanálu vektorového hydrofonu -187,4 dB (0 dB s výjimkou 1V/μPa zabudovaného hydrofonu předzesilovač), který zvyšuje citlivost o 6 dB na oktávu. Citlivost na rychlost vibrací vektorového hydrofonu je testována v trubici se stojatou vlnou pomocí srovnávací metody a efektivní frekvenční pásmo trubice se stojatou vlnou je 100~1000 Hz. Naměřené výsledky citlivosti každého kanálu kovibračního sférického vektorového hydrofonu jsou zobrazeny na obrázku 5 s červenými hvězdicovými body. Je vidět, že naměřené křivky citlivosti tří vektorových kanálů jsou v zásadě konzistentní s teoretickými křivkami. Citlivosti kanálů X, Y a Z při 500 Hz jsou -188,9, -188,1 a -187,6 dB, v tomto pořadí. Chyba konzistence citlivosti každého vektorového kanálu v frekvenčním pásmu měření nepřesahuje 1,2 dB; metoda nejmenších čtverců se používá k nalezení sklonu přizpůsobeného křivce citlivosti tří kanálů a maximální rozdíl mezi údaji citlivosti tří kanálů a odpovídajícím sklonem je menší než 0,8 dB, to znamená, že nestabilita úrovně citlivosti hydrofonu je menší než 0,8 dB; citlivost se zvyšuje o 6 dB na oktávu, což je v souladu s teoretickým trendem.

 

5.2 Zkouška směrovosti

 

Tři vektorové kanály ko-vibračního sférického vektorového hydrofonu by teoreticky měly mít kosinovou směrovost nezávislou na frekvenci. Rotační metoda se používá k měření směrovosti ko-vibračního sférického vektorového hydrofonu v trubici stojaté vlny a úhlový interval rotačního testu je 0,4°. Byla testována směrovost kanálů X, Y a Z při 100, 500 a 1000 Hz. Výsledky ukazují, že kanály X, Y a Z mají dobrou kosinovou směrovost ve třech frekvenčních bodech. Křivky směrovosti kanálů X, Y a Z při 500 Hz jsou znázorněny na obrázku 6. Je vidět, že minimální hloubka prohlubně křivky směrovosti kanálu X je 34,1 dB a minimální hloubka prohlubně křivky směrovosti kanálu Y je 29,8 dB. Minimální hloubka prohlubně směrové křivky kanálu je 38,9 dB. Protože signál generovaný zvukovou vlnou na kanálu, který má být měřen, když je vektorový hydrofon v konkávním bodě, je extrémně malý, rotující systém se nezastaví, když testovací systém pracuje, a mechanické vibrace a hluk rotujícího systému jsou přímo přenášeny do vektoru prostřednictvím pružiny zavěšení. Na hydrofonu je signál generovaný na měřeném kanálu často mnohem větší než akustický signál, takže hloubka jámy získaná měřením je mnohem menší než skutečná hodnota. I tak nejmenší hloubka prohlubně ve třech vektorových kanálech dosahuje 29,8 dB, což může splnit požadavky aplikace.

 

5.3 Zkouška odolnosti proti napětí

Statický tlakový test ko-vibračního sférického hydrofonu byl proveden v autoklávu. Podle GB 150.1 by se pro hydraulickou zkoušku vnější tlakové nádoby měl jako zkušební tlak brát 1,25násobek projektovaného tlaku. Návrhový tlak vektorového hydrofonu je 30 MPa, maximální tlak tlakové zkoušky je tedy stanoven na 37,5 MPa. Během testu byl simulován tlakový režim klouzání hydrofonu po profilu podvodního kluzáku. Nejprve byl tlak zvýšen na 37,5 MPa při konstantní rychlosti a tlak byl udržován po dobu půl hodiny, poté byl tlak pomalu uvolněn a tlak byl opět zvýšen na 37,5 MPa při konstantní rychlosti a cyklus se opakoval 5krát. Během celého procesu tlakování nedošlo v autoklávu k žádnému náhlému poklesu tlaku. Vzhled dvou vzorků hydrofonu před a po stlačení nebyl poškozen a hmotnost byla stejná. Poté byl akustický výkon hydrofonu znovu testován v trubici se stojatou vlnou. Výsledky testu ukázaly, že hydrofon po potlačení normálně fungoval a jeho citlivost a směrovost byla v podstatě stejná jako před potlačením. Je prokázáno, že ko-vibrační sférický vektorový hydrofon odolá tlaku vody 37,5 MPa.

 

6 Závěr

V souladu s požadavky na tlakovou odolnost a akustický výkon velkohloubkového vektorového hydrofonu tento článek navrhuje metodu návrhu pro tlakovou sférickou skořepinu s minimální průměrnou hustotou kovibračního sférického vektorového hydrofonu, která má důležitý teoretický směrný význam pro technickou realizaci. Analyzovány a vypočteny typické materiály pro hlubokomořské inženýrství a vybraná hliníková slitina 7075T6 jako materiál pro tlakově odolný plášť vektorového hydrofonu; přijala metodu návrhu kulového pláště odolného vůči tlaku s minimální průměrnou hustotou, prostřednictvím teoretických výpočtů a simulací konečných prvků, k určení pevnosti a stability pláště Návrh a implementace vektorového hydrofonu s velkou hloubkou kovibrace prošly tlakovou zkouškou 37,5 MPa vodou; vnější rozměry vektorového hydrofonu podporují horní hranici jeho pracovní frekvence až do 3000 Hz a citlivost je -188 dB@500 Hz, chyba konzistence citlivosti tří kanálů je menší než 1,2 dB a kolísání citlivosti jsou všechny menší než 0,8 dB. Směrovost tří kanálů je ideální osmička. V případě mechanického hluku otáčení je konkávní bod Hloubka také vyšší než 29,8 dB.