Optimalt design af sfærisk skal af co-vibration vektor hydrofon(1)

Abstrakt: Med henblik på det strukturelle trykproblem af dybvandsvektorhydrofoner, er den maksimale spændingsformel for den ydre tryksfæriske skal afledt, og indflydelsen af ​​materialerne og dimensionerne af den co-vibrerende sfærisk vektorhydrofon på dens akustiske ydeevne og trykydelse analyseres her. Baseret på dette gives en designmetode med en tyndvægget trykbestandig sfærisk skal med minimum gennemsnitsdensitet. De typiske dybhavstekniske materialer studeres, aluminiumslegeringsmateriale vælges, og der produceres en co-vibrations sfærisk vektorhydrofon med en designet trykmodstandsdybde på 3000m. Hydrofonens trykbestandige struktur blev simuleret ved finite element-metoden, og dens følsomhed, retningsbestemmelse og trykbestandighed blev testet. Resultaterne viser, at vektorhydrofonen har god cosinusdirektivitet, følsomheden er -188 dB@500 Hz, og den kan modstå 37,5 MPa eksternt tryk. Dette verificerer designmetoden og konstruktionen af ​​den tyndvæggede trykbestandige sfæriske skal med den mindste gennemsnitlige densitet, der er angivet i dette papir. Rationaliteten og gennemførligheden af ​​prototypedesignet

 

Indledning

 

De co-vibrationsvektorhydrofon kan måle vibrationshastighedsvektorinformationen i lydfeltmediet, og en enkelt vektorhydrofon kan fuldføre retningsfindingen af ​​det akustiske mål. Den har også fordelene ved lille størrelse, lavt strømforbrug, høj følsomhed, moderat frekvensbånd og er meget velegnet til installation på ubemandede undervandsplatforme såsom undervandssvævefly og profilbøjer til at udføre opgaver såsom måldetektion og overvågning af marin miljøstøj. På nuværende tidspunkt, med udviklingen af ​​trykbestandig teknologi, øges arbejdsdybden af ​​forskellige ubemandede undervandsplatforme, hvilket stiller højere krav til vektorhydrofoners trykbestandige evne. USA, Rusland og andre lande har udviklet vektorhydrofoner med en arbejdsdybde på 5000~6000 m. Indenlandsk er det stadig i den indledende fase af forskningen. Vektorhydrofonen med en trykmodstandsdybde på 1000 m blev fremstillet ved at bruge epoxyharpiks og glasmikroperlekompositmateriale indstøbning og metalskaloliefyldning. Hydrofonens følsomhed og retningsevne er utilfredsstillende; dobbeltlagsskalskemaet af den ydre kompositskal og den indre aluminiumslegeringsskal bruges til at designe en vektorhydrofon med en trykmodstandsdybde på 2000 m. På grund af sin store størrelse er den høj. Den øvre frekvensgrænse er kun 1000 Hz; den trykbestandige sammensatte co-vibration vektor hydrofon blev designet og fremstillet med en metalskal dækket med en polyurethan skal. Dykkertest, den maksimale dykkerdybde er 1200 m. Designet af et kapselformet aluminiumslegering med tynd skal design realiserer en co-vibration vektor hydrofon med en trykmodstand på 20 MPa. I dette papir anvendes den relevante teori om trykbeholderdesign til designet af en vektorhydrofon med stor dybde, og en enkeltlags tyndvægget sfærisk skal lavet af højstyrke metalmaterialer bruges direkte som den modstandsdygtige skal af vektorhydrofonen. Processen med denne ordning er relativt enkel og kan nå en stor modstå spændingsdybde. I denne ordning, hvordan man vælger det sfæriske skalmateriale og designer den sfæriske skalstørrelse, så den akustiske ydeevne af vektorhydrofonen kan forbedres så meget som muligt på den forudsætning, at trykmodstandsydelsen opfylder kravene, er nøglen til designet af den tryksfæriske skal af vektorhydrofonen.

 

1 Påvirkningsfaktorer for akustisk ydeevne af co-vibrerende sfærisk vektorhydrofon

 

Når den samvibrerende lavfrekvent vektorhydrofon virker i undervandslydfeltet, den vil vibrere under påvirkning af lydfeltet. Indstil dens vibrationshastighed til v. Indstil desuden positionen for det originale hydrofons geometriske center, når hydrofonen ikke er placeret i lydfeltet. Hvis mediumpartiklens vibrationshastighed er v0, kan forudsætningen for følgende forhold (3) udtrykkes som frekvensen af lydbølgen fc 2 π R. Det kan ses af ligning (3), at når den øvre grænse for arbejdsfrekvensen for den co-oscillerende sfæriske vektorhydrofon er meget mindre end R den oc 2 π , jo mindre er den gennemsnitlige hydrofon. vibrationshastighedsamplitude v og vibrationen af vandkvalitetspunktet i lydfeltet. Jo større den absolutte værdi af forholdet mellem hastighedsamplitude, jo større er følsomheden af ​​hydrofonens vibrationshastighed, og faseforskellen mellem hydrofonens vibrationshastighed og vibrationshastigheden af ​​vandkvalitetspunktet nærmer sig nul. Da co-vibrationsvektorhydrofonen også er udstyret med vibrationsoptagelsessensorer, signalkonditioneringskredsløb og andre yderligere strukturer, er det vanskeligt at indse, at den gennemsnitlige tæthed vr af vektorhydrofonen er mindre end densiteten ρ 0 af vand. Engineering forfølger generelt, at den gennemsnitlige densitet af hydrofonen er tæt på densiteten af ​​vandmediet. På dette tidspunkt kan hydrofonen opfange vibrationshastigheden af ​​vandkvalitetspunktet i lydfeltet ca. 1:1, og den øvre grænse for hydrofonens arbejdsfrekvens kan være samme vibrationsvektorvand. Lytterens akustiske ydeevne omfatter hovedsageligt følsomhed, retningsbestemmelse og arbejdsfrekvensbånd. Når følsomheden af ​​den interne vibrationssensor er konstant, bestemmes hydrofonens følsomhed af dens gennemsnitlige tæthed. Jo mindre gennemsnitsdensiteten er, jo højere er hydrofonens følsomhed. En hydrofons retningsbestemmelse bestemmes hovedsageligt af den laterale følsomhed af den interne vibrationssensor. Formen på hydrofonen vil også påvirke retningsbestemmelsen. Jo tættere hydrofonen er på en standard sfærisk form, jo ​​mindre interferens vil den have på retningsvirkningen. Da den øvre frekvensgrænse for den interne vibrationsoptagelsessensor generelt er høj, bestemmes den øvre grænse for hydrofonens arbejdsfrekvensbånd generelt af hydrofonens ydre radius Ro. Jo mindre den ydre radius er, jo højere er den øvre grænse for hydrofonens arbejdsfrekvens. Derfor, når man designer den trykbestandige sfæriske skal af co-vibrationsvektorhydrofonen, for at maksimere hydrofonens akustiske ydeevne, er det nødvendigt at gøre den gennemsnitlige tæthed r af den sfæriske skal så lille som muligt under forudsætningen af ​​at opfylde den trykbestandige ydeevne. Gør samtidig den ydre radius Ro så lille som muligt. Den øvre frekvensgrænse for den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon kræver jo mindre ydre radius, jo bedre; følsomheden af ​​den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon kræver jo mindre gennemsnitsdensiteten er, jo bedre; jo mindre den ydre radius er, når materialet og tykkelsen er uændret , Den gennemsnitlige tæthed stiger i stedet, hvilket er en selvmodsigelse. Trykydeevnen af ​​den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon kræver jo mindre ydre radius, jo større tykkelse, og jo højere materialestyrke, jo bedre. Jo mindre ydre radius og jo større tykkelse, jo større er den gennemsnitlige tæthed, hvilket også er en selvmodsigelse. Trykmodstanden og den akustiske ydeevne af den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon kræver, at designet af dens sfæriske skal er så lille som muligt (høj følsomhed) og ydre radius så lille som muligt (højfrekvent øvre grænse) på den forudsætning, at kravene til trykmodstand er nået), disse begrænsninger begrænser hinanden. Det følgende vil studere forholdet mellem materialet, den ydre radius og tykkelsen af ​​den sfæriske skal af den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon og dens trykmodstand, følsomhed og højfrekvente øvre grænse for at finde vektoren med den bedste akustiske ydeevne under forudsætningen af ​​at opfylde trykydelsen. Designskemaet for hydrofonens trykbestandige sfæriske skal.

 

2 Fejlanalyse af tyndvægget sfærisk skal under eksternt tryk

 

Når den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon arbejder normalt under vandet, udsættes dens trykbestandige sfæriske skal for eksternt hydrostatisk tryk. Det er en ekstern trykbeholder. Uden at tage hensyn til korrosionsfejlen er der to hovedfejltilstande: styrkesvigt og stabilitetsfejl.

 

2.1 Styrkesvigt

Styrkesvigt betyder, at når den maksimale spænding af et materiale i en trykbeholder overstiger dets flydegrænse, ændres materialet fra elastisk deformation til plastisk deformation, hvilket resulterer i irreversibel deformation eller brud. Ifølge den maksimale principielle spændingsteori og det elastiske brudkriterium, hvis den udvendige tryksfæriske skal ikke har styrkesvigt, bør den maksimale spænding T være mindre end eller lig med den tilladte styrkebrudsspænding af det materiale, der anvendes i den sfæriske skal. Inden for trykbeholderdesign bruger folk den maksimale stressformel, når de designer eksterne tryksfæriske skaller. Denne formel er en sammenfattende formel for ingeniørerfaring. Beregningen er enkel, men forudsætningen for dens etablering er, at den kugleformede skal er en tyndvægget skal, det vil sige, at der kræves Ro/Ri. ≤ 1,35, hvor Ro er den ydre radius af den sfæriske skal og Ri er den indre radius. Opløsningen opnået ved at bruge denne formel tilhører den lokale optimale løsning. Derfor bliver den maksimale spænding af den ydre tryksfæriske skal genudledt. Lad p være det ydre tryk på den sfæriske skal og δ være tykkelsen af ​​den sfæriske skal. Ifølge den momentfri teori om den roterende skal er den radiale spænding inde i den tyndvæggede sfæriske skal under ydre tryk meget lille, og kun den aksiale trykspænding Tzz og den periferiske trykspænding T θθ tages i betragtning. Da den geometriske form af den kugleformede skal er symmetrisk i forhold til kuglens centrum, er den aksiale trykspænding og den periferiske trykspænding lige store. På sektionen, der passerer gennem midten af ​​kuglen, er den resulterende kraft af det ydre tryk p på sektionen af ​​den sfæriske skal Fs=p π Ro2, og tværsnitsarealet af skalmaterialet Ss= π (Ro2-Ri2), så Tzz og T θθ af den ydre tryksfæriske skal er den ydre trykkugleskal, der kan tillade trykket, pi maksimalt sfærisk.

 

2.2 Stabilitetssvigt

Stabilitetssvigt refererer til trykbeholderens svigt fra en stabil ligevægtstilstand til en ustabil tilstand under påvirkning af en ekstern belastning og pludselig mister sin oprindelige geometriske form. Når tykkelsen af ​​den kugleformede skal er meget tynd, opstår ustabilitetssvigtet ofte før styrkesvigtet. For en tyndvægget sfærisk skal under ydre tryk er beregningsformlen for det kritiske knæktryk pcr udledt af teorien om lille deformation, hvor E er Youngs modul for det sfæriske skalmateriale og er Poissons forhold mellem materialet. Beregningen af ​​den lille deformation teoretiske kritiske trykformel er forholdsvis enkel, men fejlen er forholdsvis stor, hvilket kan kompenseres med en større sikkerhedsfaktor m. GB 150.3 angiver m=14.52. Så skal det maksimalt tilladte ydre tryk ps for stabilitetssvigtet af den tyndvæggede sfæriske skal være opfyldt.

 

3 Optimeringsdesign af trykfast sfærisk skal af vektorhydrofon

 

Den trykfaste sfæriske skal af vektor hydrofon transducer fejler ikke og skal opfylde det maksimalt tilladte eksterne tryk p=min(pi, ps). Ud over parametrene for selve materialet er det maksimalt tilladte ydre tryk p af den sfæriske skal kun relateret til Ri/Ro . Definer en variabel X=Ri/Ro. Det er let at vide, at X er forholdet mellem den sfæriske skals indre og ydre radius, X∈(0,1), denne variabel er dimensionsløs, jo større X er, jo tyndere er den sfæriske skal. Efter den tilladte spænding T af et givet materiale og det maksimalt tilladte ydre tryk p af den kugleformede skal, opnås den maksimale værdi af X, som den kugleformede skal opfylder styrkekravene, som registreres som Xi. På samme måde kan Young's modul E, Efter Poisson's ratio μ og det maksimalt tilladte ydre tryk p af den sfæriske skal, den maksimale værdi af X, som den sfæriske skal opfylder stabilitetskravene, opnås i henhold til formlen, som er registreret som Xs. Den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon kan modstå eksternt statisk vand. Funktionen af ​​trykket p uden fejl, og den trykbestandige sfæriske skal er påkrævet for at opfylde betingelserne for ingen styrkesvigt og stabilitetssvigt på samme tid, og den maksimale værdi af X, der opfylder kravene på samme tid, er X = min X, X (12) Xmax bestemmes Senere kan minimumsgennemsnitsdensiteten opnås. Det er let at vide, at volumenet af det sfæriske skalmateriale er Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Massen af ​​den sfæriske skal mc=ρVc, hvor ρ er tætheden af ​​det sfæriske skalmateriale. Mængden af ​​vand, der udledes af den sfæriske skal, er Vs=4πRo3/3. Så er den gennemsnitlige tæthed af den sfæriske skal r ρ er densiteten af ​​materialet, som er en positiv konstant; (1-X3) led X∈(0,1) er altid en positiv værdi og aftager monotont. Den mindste gennemsnitlige tæthed af den kugleformede skal, der opfylder trykkravene. For at opnå det optimale design af den trykmodstandsdygtige sfæriske skal af co-vibrationsvektorhydrofonen, bør trykkravene p og materialets egenskaber derfor indsættes i formlen for at beregne Xmax ; Substitution af Xmax i formlen kan få den mindste gennemsnitlige tæthed af den sfæriske skal, der opfylder trykkravene. Forudsat den samlede masse af vibrationsoptagersensoren, signalbehandlingskredsløbet og andre yderligere strukturer inde i co-vibrationsvektorhydrofonen, er minimumsværdien af ​​den gennemsnitlige densitet af hydrofonen en vis værdi; i det tilfælde, hvor det kugleformede skalmateriale og trykmodstandskravet p er bestemt Nedenfor, er det også en bestemt værdi. For vektorhydrofonen bestemmer Ro den øvre grænse fmax for vektorhydrofonens arbejdsfrekvens. Den øvre grænse for vektorhydrofonens arbejdsfrekvens vælges, og den ydre radius Ro af vektorhydrofonens sfæriske skal bestemmes. Derefter kan den minimale gennemsnitlige tæthed af hydrofonen opnås, og vektorhydrofonens vibrationshastighedsfølsomhed kan opnås. Tilsvarende, hvis vibrationshastighedsfølsomheden for vektorhydrofonen er valgt, kan den gennemsnitlige tæthed af hydrofonen opnås i henhold til ligning (3), og den ydre radius af hydrofonens sfæriske skal på dette tidspunkt kan opnås, og vektoren kan opnås Den øvre grænse for hydrofonens arbejdsfrekvens. Gennem ovenstående trin kan vi finde det bedst egnede materiale og den teoretisk optimale løsning af størrelsesparametrene såsom den ydre radius og tykkelsen af ​​den trykfaste sfæriske skal. Og baseret på de grundlæggende størrelsesdata for den trykfaste sfæriske skal udføres det næste detaljerede design. Efter at designet er afsluttet, bruges finite element-simuleringssoftwaren til at udføre spændingsfordelingsanalyse og knækanalyse af den designede trykbestandige skal for at sikre, at skallen ikke har styrkesvigt og stabilitetssvigt under designtrykket.

 

4 Designeksempel på trykfast sfærisk skal af vektorhydrofon

På nuværende tidspunkt har arbejdsdybden for almindelige undervandssvævefly, profilbøjer og andre ubemandede undervandsplatforme nået niveauet på 2000 m. For at give en vis sikkerhedsmargin sættes hydrofonens designtrykmodstandsdybde til 3000 m, det vil sige p=30 MPa.

 

4.1 Skalmaterialeoptimering

Først skal vi vælge det bedste metalmateriale til den trykbestandige sfæriske skal af co-vibrationsvektorhydrofonen. Tabel 1 viser de mekaniske egenskaber af flere almindeligt anvendte dybhavstekniske materialer såsom 304, 316L rustfrit stål, 6061T6, 7075T6 aluminiumslegering, TC4 titanlegering og H90 messing. Der kan være små forskelle i de relevante værdier af materialerne). Ved at indsætte trykkravene p og egenskaberne af forskellige materialer i tabel 1 i formlen kan det bruges til at opnå disse tekniske materialer, der opfylder styrkekravene for Xi, stabilitetskravene for Xs og begge Xmax; erstatte den opnåede Xmax i formlen , Den mindste gennemsnitlige tæthed, der kan opnås af en sfærisk skal lavet af hvert materiale, der opfylder trykkravene, kan opnås. Hvis et bestemt materiale opfylder styrkekravene Xi er mindre end stabilitetskravene Xs, så laves materialet til en kugle, der opfylder styrkekravene. I tilfælde af en skal er dens stabilitet overskud; på samme måde, hvis Xi af et bestemt materiale er større end Xs, når materialet er lavet til en sfærisk skal, der opfylder stabilitetskravene, er dets styrke overskud. Jo tættere værdierne af Xi og Xs er, jo mere afbalanceret er styrken og stabiliteten af ​​den sfæriske skal lavet af dette materiale. Blandt de mange materialer vist i tabel 2 er Xi af TC4 titanlegering større end Xs, hvilket indikerer, at styrken af ​​den sfæriske skal lavet af dette materiale er overskud, når den opfylder stabilitetskravene. Bortset fra TC4 er Xi af de resterende materialer alle mindre end Xs, hvilket indikerer, at stabiliteten af ​​den sfæriske skal lavet af disse materialer er overskud, når styrkekravene opfyldes. Blandt materialerne i tabel 2 er Xi og Xs af 7075T6 aluminiumslegering og TC4 titanlegering relativt tæt, hvilket indikerer, at styrken og stabiliteten af ​​den sfæriske skal lavet af disse to materialer er relativt afbalanceret. Det kan ses af tabel 2, at under forudsætningen om at opfylde trykmodstanden på 30 MPa, blandt de adskillige almindeligt anvendte ingeniørmaterialer, der er anført i tabellen, kan den gennemsnitlige tæthed af den sfæriske skal lavet af aluminium og TC4 titanlegering opnå en densitet tæt på eller mindre end den for vand, hvilket er i overensstemmelse med designkravene til den koiske hydrovibrerende sfæriske vektor. Blandt dem har TC4 titanlegeringsmateriale den største Xmax, det vil sige den tyndeste trykbestandige sfæriske skal lavet af dette materiale. Den trykbestandige sfæriske skal lavet af 7075T6-materiale kan opnå den mindste gennemsnitlige tæthed, hvilket efterlader den største massemargin for andre interne strukturer. Derudover har aluminiumslegering større fordele end TC4 titanlegering med hensyn til materialeomkostninger og forarbejdningsomkostninger. Derfor er aluminiumslegering det bedste materiale til fremstilling af vektor hydrofon trykbestandige sfæriske skaller.

 

4.2 Størrelsesdesign af trykfast sfærisk skal

Aluminiumslegeringsmaterialet er valgt til at lave en hydrofon sfærisk skal med en trykmodstand på 30 MPa, og den mindste gennemsnitlige tæthed af den sfæriske skal, der opfylder trykkravene, er 0,64×103 kg/m3, og X=0,9177 på dette tidspunkt. Hvis vektorhydrofonens vibrationshastighedsfølsomhed |v/v0| er tilladt til 0,8, skal det faktiske design af hydrofonens sfæriske skal designes i to halvdele for at lette installationen af ​​interne komponenter. Det antages, at hydrofonens to halvkugleformede skaller er samlet. Den ekstra masse af den målte hydrofon, accelerometeret, monteringsbeslaget, signalbehandlingskredsløbet og det vandtætte gennemtrængende kammer, der anvendes i selve hydrofonen, har en massesum på 99,5 g, så summen af ​​den ekstra masse me=149,5 g. Den ydre radius Ro=36,48 mm af hydrofonens sfæriske skal opnås. X=Ri/Ro=0,9177, den indvendige radius af den sfæriske skal Ri=33,48 mm, tykkelsen af ​​den sfæriske skal=3,00 mm, af hensyn til beregning, tegning og bearbejdning er den indre radius af den sfæriske skal Ri afrundet ned til 33 mm. Ro er 36 mm.

 

4.3 Kontrol af modstå spænding ydeevne

Efter at have opnået størrelsesdataene for den trykfaste sfæriske skal, for at sikre, at den kan opfylde de trykbestandige krav, kontrolleres den trykbestandige ydeevne, og de to tilfælde af styrkesvigt og stabilitetssvigt overvejes hovedsageligt.

 

4.3.1 Styrkesvigt

Det kan ses af tabel 1, at den tilladte spænding af aluminiumslegering anvendt til den sfæriske skal er 190 MPa, som kombineres med de sfæriske skalstørrelsesparametre for at opnå det tilladte styrkesvigtstryk af den sfæriske skal er 30,4 MPa, hvilket er større end 30 MPa, hvilket opfylder trykkravene.

 

4.3.2 Stabilitetssvigt

Poisson's ratio af aluminiumslegering μ=0,33, Young's modul E=7,2×1010 Pa og stabilitetssystemet m=14,52. Ved at erstatte materialedata og den sfæriske skalstørrelse i ligning (8) og (9), beregnes det kritiske periferiske ustabilitetstryk pcr=611,6 MPa, og det tilladte periferiske ustabilitetstryk er 42,1 MPa, hvilket er større end 30 MPa, hvilket opfylder trykkravene. Det kan ses, at vektorhydrofonens trykfaste sfæriske skal kan modstå det eksterne hydrostatiske tryk på 30 MPa. Og det tilladte tryk for periferiel ustabilitet er større end det tilladte tryk for styrkesvigt. Hvis trykket fortsætter med at stige uden for den sfæriske skal, vil styrkeeffekten ske først.

 

4.4 Engineering design af vektor hydrofon trykskal

Efter at have bestemt de grundlæggende data, såsom materiale, ydre radius og tykkelse af vektorhydrofonens trykfaste sfæriske skal, kan det detaljerede design af vektorhydrofonskallen udføres. Dette papir bruger 3D-modelleringssoftwaren til at udføre hjælpedesignet af den sfæriske co-vibrationsvektorhydrofon med stor dybde. Tværsnitsbilledet af vektorhydrofonstrukturen er vist i figur 1.