Optimalni dizajn sferičnog omotača kovibracijskog vektorskog hidrofona(1)

Sažetak: U cilju rješavanja strukturnog problema tlaka dubokovodnih vektorskih hidrofona, izvedena je formula maksimalnog naprezanja vanjske tlačne sferne ljuske i utjecaj materijala i dimenzija ko-vibrirajućeg sferni vektorski hidrofon na njegovu akustičnu izvedbu i izvedbu tlaka. ovdje se analizira Na temelju toga dana je metoda proračuna sferne ljuske tanke stijenke otporne na pritisak minimalne prosječne gustoće. Proučavaju se tipični materijali za dubokomorsko inženjerstvo, odabire se materijal od aluminijske legure i proizvodi ko-vibracijski sferični vektorski hidrofon s projektiranom dubinom otpornosti na pritisak od 3000 m. Struktura hidrofona otporna na tlak simulirana je metodom konačnih elemenata te je ispitana njegova osjetljivost, usmjerenost i sposobnost otpornosti na tlak. Rezultati pokazuju da vektorski hidrofon ima dobru kosinusnu usmjerenost, osjetljivost je -188 dB@500 Hz, te može izdržati vanjski tlak od 37,5 MPa. Ovo potvrđuje metodu projektiranja i projektiranje sferične ljuske tanke stijenke otporne na pritisak minimalne prosječne gustoće dane u ovom radu. Racionalnost i izvedivost dizajna prototipa

 

Uvod

 

The kovibracijski vektorski hidrofon može mjeriti informacije o vektoru brzine vibracija u mediju zvučnog polja, a jedan vektorski hidrofon može dovršiti određivanje smjera akustične mete. Također ima prednosti male veličine, niske potrošnje energije, visoke osjetljivosti, umjerenog frekvencijskog pojasa i vrlo je prikladan za ugradnju na podvodne bespilotne platforme kao što su podvodne jedrilice i profilne plutače za obavljanje zadataka kao što su otkrivanje ciljeva i praćenje buke u morskom okolišu. Trenutačno, s razvojem tehnologije otporne na pritisak, radna dubina raznih podvodnih bespilotnih platformi raste, što postavlja veće zahtjeve za sposobnost vektorskih hidrofona da budu otporni na pritisak. Sjedinjene Države, Rusija i druge zemlje razvile su vektorske hidrofone s radnom dubinom od 5000~6000 m. Na domaćem planu još je u početnoj fazi istraživanja. Vektorski hidrofon s dubinom otpornosti na pritisak od 1000 m izrađen je upotrebom epoksidne smole i kompozitnog materijala od staklenih mikrozrnaca i uljnog punjenja metalne ljuske. Osjetljivost i usmjerenost hidrofona su nezadovoljavajući; shema dvoslojne ljuske vanjske kompozitne ljuske i unutarnje ljuske od aluminijske legure koristi se za projektiranje vektorskog hidrofona s dubinom otpornosti na pritisak od 2000 m. Zbog svoje velike veličine, njegova visoka Gornja granica frekvencije je samo 1000 Hz; kompozitni ko-vibracijski vektorski hidrofon otporan na tlak dizajniran je i proizveden s metalnom školjkom prekrivenom poliuretanskom školjkom. Ronilački test, maksimalna dubina ronjenja je 1200 m. Dizajn tanke ljuske od aluminijske legure u obliku kapsule ostvaruje ko-vibracijski vektorski hidrofon s otpornošću na tlak od 20 MPa. U ovom se radu relevantna teorija dizajna tlačne posude primjenjuje na projektiranje vektorskog hidrofona velike dubine, a jednoslojni sferični omotač tankih stijenki izrađen od metalnih materijala visoke čvrstoće izravno se koristi kao otporni omotač vektorskog hidrofona. Proces ove sheme je relativno jednostavan i može postići veliku dubinu podnosivog napona. U ovoj shemi, kako odabrati materijal sferičnog omotača i projektirati veličinu sferičnog omotača tako da se akustična izvedba vektorskog hidrofona može poboljšati što je više moguće pod pretpostavkom da izvedba otpornosti na pritisak zadovoljava zahtjeve je ključ za dizajn tlačnog sferičnog omotača vektorskog hidrofona.

 

1 Utjecajni čimbenici akustičke izvedbe kovibrirajućeg sfernog vektorskog hidrofona

 

Kada se ko-vibrira niskofrekventni vektorski hidrofon radi u podvodnom zvučnom polju, on će vibrirati pod djelovanjem zvučnog polja. Postavite njegovu brzinu vibracije na v. Osim toga, postavite položaj izvornog geometrijskog središta hidrofona kada hidrofon nije postavljen u zvučno polje. Ako je brzina vibracije srednje čestice v0, preduvjet sljedećeg odnosa (3) može se izraziti kao frekvencija zvučnog vala fc 2 π R. Iz jednadžbe (3) se može vidjeti da kada je gornja granica radne frekvencije ko-oscilirajućeg sfernog vektorskog hidrofona mnogo manja od oc 2 π R, što je manja prosječna gustoća hidrofona, to je manja brzina vibracije amplituda v i vibracija točke kvalitete vode u zvučnom polju. Što je veća apsolutna vrijednost omjera amplitude brzine, veća je osjetljivost brzine vibracije hidrofona, a fazna razlika između brzine vibracije hidrofona i brzine vibracije točke kvalitete vode približava se nuli. Budući da je ko-vibracijski vektorski hidrofon također opremljen senzorima za hvatanje vibracija, krugovima za kondicioniranje signala i drugim dodatnim strukturama, teško je shvatiti da je prosječna gustoća vr vektorskog hidrofona manja od gustoće ρ 0 vode. Inženjerstvo općenito teži tome da prosječna gustoća hidrofona bude blizu gustoće vodenog medija. U ovom trenutku, hidrofon može uhvatiti brzinu vibracije točke kvalitete vode u zvučnom polju približno 1:1, a gornja granica radne frekvencije hidrofona može biti ista vektorska vibracija vode. Akustična izvedba slušatelja uglavnom uključuje osjetljivost, usmjerenost i radni frekvencijski pojas. Kada je osjetljivost unutarnjeg senzora za hvatanje vibracija konstantna, osjetljivost hidrofona određena je njegovom prosječnom gustoćom. Što je prosječna gustoća manja, to je veća osjetljivost hidrofona. Usmjerenost hidrofona uglavnom je određena bočnom osjetljivošću unutarnjeg senzora za hvatanje vibracija. Oblik hidrofona također će utjecati na usmjerenost. Što je hidrofon bliži standardnom sferičnom obliku, to će manje interferencije imati na usmjerenost. Budući da je gornja granica frekvencije unutarnjeg senzora za hvatanje vibracija općenito visoka, gornja granica radnog frekvencijskog pojasa hidrofona općenito je određena vanjskim radijusom Ro hidrofona. Što je manji vanjski radijus, to je viša gornja granica radne frekvencije hidrofona. Stoga, pri projektiranju sferičnog omotača kovibracijskog vektorskog hidrofona otpornog na pritisak, kako bi se maksimizirale akustične performanse hidrofona, potrebno je prosječnu gustoću r sferičnog omotača učiniti što manjom pod pretpostavkom zadovoljavanja performansi otpornosti na pritisak. U isto vrijeme neka vanjski radijus Ro bude što manji. Gornja granica frekvencije ko-vibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona zahtijeva što je manji vanjski radijus, to bolje; osjetljivost ko-vibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona zahtijeva što manju prosječnu gustoću, to bolje; manji je vanjski radijus kada su materijal i debljina nepromijenjeni, prosječna gustoća se umjesto toga povećava, što je kontradikcija. Izvedba tlaka ko-vibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona zahtijeva što je manji vanjski radijus, što je veća debljina i što je veća čvrstoća materijala, to bolje. Što je manji vanjski radijus i veća debljina, to je veća prosječna gustoća, što je također kontradikcija. Otpornost na pritisak i akustička izvedba kovibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona zahtijevaju da dizajn njegove sferične ljuske bude što je moguće manji (visoka osjetljivost), a vanjski radijus što je moguće manji (gornja granica visoke frekvencije) pod pretpostavkom postizanja zahtjeva otpornosti na pritisak), ova ograničenja ograničavaju jedno drugo. U nastavku će se proučavati odnos između materijala, vanjskog polumjera i debljine sferne ljuske ko-vibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona i njegove otpornosti na pritisak, osjetljivosti i gornje granice visoke frekvencije, kako bi se pronašao vektor s najboljom akustičkom izvedbom pod pretpostavkom zadovoljavanja izvedbe tlaka. Shema konstrukcije sferičnog omotača hidrofona otpornog na pritisak.

 

2. Analiza sloma sferne ljuske tankih stijenki pod vanjskim pritiskom

 

Kada ko-vibrirajući sferični vektorski hidrofon radi normalno pod vodom, njegova sferna ljuska otporna na pritisak podvrgnuta je vanjskom hidrostatskom tlaku. To je vanjska tlačna posuda. Bez razmatranja kvara od korozije, postoje dva glavna načina kvara: kvar čvrstoće i kvar stabilnosti.

 

2.1 Otkazivanje čvrstoće

Slabljenje čvrstoće znači da kada maksimalno naprezanje materijala u posudi pod tlakom prijeđe njegovu granicu tečenja, materijal prelazi iz elastične deformacije u plastičnu deformaciju, što rezultira nepovratnom deformacijom ili lomom. Prema teoriji najvećeg glavnog naprezanja i kriteriju elastičnog sloma, ako kuglasta ljuska pod vanjskim pritiskom nema slom čvrstoće, maksimalno naprezanje T treba biti manje ili jednako dopuštenom naprezanju sloma čvrstoće materijala koji se koristi u sferičnoj ljusci. U području projektiranja tlačnih posuda, ljudi koriste formulu maksimalnog naprezanja pri projektiranju vanjskih tlačnih sferičnih ljuski. Ova formula je formula sažetka inženjerskog iskustva. Proračun je jednostavan, ali preduvjet za njegovu uspostavu je da je sferna ljuska tankih stijenki, odnosno potreban je Ro/Ri. ≤ 1,35, gdje je Ro vanjski radijus sferne ljuske, a Ri unutarnji radijus. Rješenje dobiveno ovom formulom spada u lokalno optimalno rješenje. Stoga se ponovno izvodi maksimalno naprezanje sferne ljuske vanjskog pritiska. Neka je p vanjski pritisak na kuglastu ljusku, a δ debljina sferne ljuske. Prema bezmomentnoj teoriji rotirajuće ljuske, radijalno naprezanje unutar sferne ljuske tankih stijenki pod vanjskim pritiskom je vrlo malo, te θθ . se uzimaju u obzir samo aksijalno tlačno naprezanje Tzz i obodno tlačno naprezanje T Budući da je geometrijski oblik sferne ljuske simetričan u odnosu na središte kugle, aksijalno tlačno naprezanje i obodno tlačno naprezanje jednake su vrijednosti. Na presjeku koji prolazi kroz središte kugle, rezultantna sila vanjskog tlaka p na presjeku sferne ljuske je Fs=p π Ro2, a površina poprečnog presjeka materijala ljuske Ss= π (Ro2-Ri2), tako da su Tzz i T θθ sferne ljuske vanjskog pritiska sferna ljuska Otkazivanje čvrstoće najveći dopušteni vanjski tlak pi mora zadovoljiti

 

2.2 Poremećaj stabilnosti

Poremećaj stabilnosti odnosi se na prelazak tlačne posude iz stabilnog ravnotežnog stanja u nestabilno stanje pod djelovanjem vanjskog opterećenja, te iznenada gubi svoj izvorni geometrijski oblik. Kada je debljina sferične ljuske vrlo tanka, nestabilnost se često javlja prije gubitka čvrstoće. Za sferičnu ljusku tankih stijenki pod vanjskim pritiskom, formula za izračun kritičnog tlaka izvijanja pcr izvedena je iz teorije male deformacije, gdje je E Youngov modul materijala sferne ljuske, a Poissonov omjer materijala. Izračun teorijske formule kritičnog tlaka male deformacije je relativno jednostavan, ali je pogreška relativno velika, što se može kompenzirati većim faktorom sigurnosti m. GB 150.3 propisuje m=14.52. Tada mora biti zadovoljen najveći dopušteni vanjski tlak ps za narušavanje stabilnosti sferične ljuske tankih stijenki.

 

3 Optimizacija dizajna sferičnog omotača vektorskog hidrofona otpornog na pritisak

 

Sferična ljuska otporna na pritisak vektorski hidrofonski pretvornik ne kvari i mora zadovoljiti najveći dopušteni vanjski tlak p=min(pi, ps). Osim parametara samog materijala, maksimalni dopušteni vanjski tlak p kuglaste ljuske vezan je samo za Ri/Ro . Definirajte varijablu X=Ri/Ro. Lako je znati da je X omjer unutarnjeg i vanjskog polumjera sferne ljuske, X∈(0,1), ova varijabla je bezdimenzionalna, što je veći X, to je sferna ljuska tanja. Nakon dopuštenog naprezanja T određenog materijala i najvećeg dopuštenog vanjskog tlaka p kuglaste ljuske, dobiva se najveća vrijednost X da kuglasta ljuska zadovoljava zahtjeve čvrstoće, što se bilježi kao Xi. Slično, Youngov modul E, Nakon Poissonovog omjera μ i najvećeg dopuštenog vanjskog tlaka p sferne ljuske, najveća vrijednost X da sferna ljuska zadovoljava zahtjeve stabilnosti može se dobiti prema formuli, koja se bilježi kao Xs. Kovibrirajući sferni vektorski hidrofon može izdržati vanjsku statičku vodu. Funkcija tlaka p bez kvara, a sferična ljuska otporna na pritisak mora zadovoljiti uvjete bez gubitka čvrstoće i stabilnosti u isto vrijeme, a maksimalna vrijednost X koja udovoljava zahtjevima u isto vrijeme je X = min X, X (12) Xmax se određuje kasnije, minimalna prosječna gustoća sferične ljuske može se dodatno dobiti. Lako je znati da je volumen materijala sferne ljuske Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Masa sferne ljuske mc=ρVc, gdje je ρ gustoća materijala sferne ljuske. Volumen vode koju ispušta kuglasta ljuska je Vs=4πRo3/3. Tada je prosječna gustoća sferne ljuske r ρ je gustoća materijala, što je pozitivna konstanta; (1-X3) član X∈(0,1) uvijek je pozitivna vrijednost i monotono opada. Minimalna prosječna gustoća sferne ljuske koja zadovoljava zahtjeve tlaka. Stoga, da bi se dobio optimalni dizajn sferične ljuske otporne na pritisak kovibracijskog vektorskog hidrofona, prvo treba zamijeniti zahtjeve tlaka p i svojstva materijala u formulu za izračunavanje Xmax; Zamjenom Xmax u formulu može se dobiti minimalna prosječna gustoća sferne ljuske koja zadovoljava zahtjeve tlaka. Uz pretpostavku ukupne mase senzora za hvatanje vibracija, kruga za kondicioniranje signala i drugih dodatnih struktura unutar ko-vibracijskog vektorskog hidrofona, minimalna vrijednost prosječne gustoće hidrofona je određena vrijednost; u slučaju kada su materijal kuglaste ljuske i zahtjev za otpornost na pritisak p određeni u nastavku, to je također definitivna vrijednost. Za vektorski hidrofon Ro određuje gornju granicu fmax radne frekvencije vektorskog hidrofona. Odabere se gornja granica radne frekvencije vektorskog hidrofona i odredi vanjski radijus Ro sferne ljuske vektorskog hidrofona. Tada se može dobiti minimalna prosječna gustoća hidrofona i može se dobiti osjetljivost vektorskog hidrofona na brzinu vibracija. Slično, ako je odabrana osjetljivost vektorskog hidrofona na brzinu vibracija, može se dobiti prosječna gustoća hidrofona prema jednadžbi (3), može se dobiti vanjski radijus sferne ljuske hidrofona u ovom trenutku, a vektor se može dobiti Gornja granica radne frekvencije hidrofona. Kroz gore navedene korake možemo pronaći najprikladniji materijal i teoretsko optimalno rješenje parametara veličine kao što su vanjski radijus i debljina sferične ljuske otporne na pritisak. I na temelju osnovnih podataka o veličini kuglaste ljuske otporne na pritisak, izvodi se sljedeći detaljni projekt. Nakon što je dizajn dovršen, softver za simulaciju konačnih elemenata koristi se za provođenje analize raspodjele naprezanja i analize izvijanja projektirane ljuske otporne na pritisak kako bi se osiguralo da ljuska nema gubitak čvrstoće i stabilnosti pod projektiranim pritiskom.

 

4 Primjer dizajna sferičnog omotača vektorskog hidrofona otpornog na pritisak

Trenutačno je radna dubina domaćih glavnih podvodnih jedrilica, profilnih plutača i drugih podvodnih bespilotnih platformi dosegla razinu od 2000 m. Kako bi se osigurala određena sigurnosna granica, proračunska dubina tlačne otpornosti hidrofona postavljena je na 3000 m, odnosno p=30 MPa.

 

4.1 Optimizacija materijala ljuske

Prvo, moramo odabrati najbolji metalni materijal za sferičnu ljusku otpornu na pritisak kovibracijskog vektorskog hidrofona. Tablica 1 navodi mehanička svojstva nekoliko često korištenih materijala za dubinsko inženjerstvo kao što su nehrđajući čelik 304, 316L, aluminijska legura 6061T6, 7075T6, legura titana TC4 i mesing H90. Mogu postojati male razlike u relevantnim vrijednostima materijala). Zamjena zahtjeva za tlakom p i svojstava različitih materijala u tablici 1 u formulu može se koristiti za dobivanje ovih inženjerskih materijala koji zadovoljavaju zahtjeve čvrstoće Xi, zahtjeve stabilnosti Xs i oba Xmax; zamijenite dobiveni Xmax u formulu, može se dobiti minimalna prosječna gustoća koja se može postići sfernom ljuskom izrađenom od svakog materijala koji zadovoljava zahtjeve tlaka. Ako određeni materijal ispunjava zahtjeve čvrstoće Xi je manji od zahtjeva stabilnosti Xs, tada se od materijala pravi lopta koja zadovoljava zahtjeve čvrstoće. U slučaju ljuske, njena stabilnost je višak; slično, ako je Xi određenog materijala veći od Xs, kada se materijal načini u sfernu ljusku koja zadovoljava zahtjeve stabilnosti, njegova čvrstoća je višak. Što su vrijednosti Xi i Xs bliže, to je čvrstoća i stabilnost sferične ljuske izrađene od ovog materijala uravnoteženija. Među nekoliko materijala prikazanih u tablici 2, Xi TC4 legure titana veći je od Xs, što ukazuje da je čvrstoća sferične ljuske izrađene od ovog materijala višak kada ispunjava zahtjeve stabilnosti. Osim za TC4, Xi preostalih materijala su svi manji od Xs, što ukazuje da je stabilnost sferne ljuske izrađene od ovih materijala višak kada se ispunjavaju zahtjevi čvrstoće. Među materijalima u tablici 2, Xi i Xs od legure aluminija 7075T6 i legure titana TC4 relativno su bliski, što ukazuje da su čvrstoća i stabilnost sferne ljuske izrađene od ova dva materijala relativno uravnotežene. Iz tablice 2 može se vidjeti da pod pretpostavkom zadovoljavanja otpornosti na pritisak od 30 MPa, među nekoliko često korištenih inženjerskih materijala navedenih u tablici, prosječna gustoća sferičnog omotača izrađenog od aluminijske legure i TC4 titanijeve legure može postići gustoću blisku ili manju od gustoće vode, što je u skladu sa zahtjevima dizajna kovibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona. Među njima najveći Xmax ima TC4 legura titana, odnosno najtanja kuglasta ljuska otporna na pritisak napravljena od ovog materijala. Sferična školjka otporna na pritisak izrađena od materijala 7075T6 može postići najmanju prosječnu gustoću, ostavljajući najveću marginu mase za druge unutarnje strukture. Osim toga, aluminijska legura ima veće prednosti od TC4 titanove legure u smislu troškova materijala i troškova obrade. Stoga je aluminijska legura najbolji materijal za izradu sferičnih ljuski vektorskih hidrofona otpornih na pritisak.

 

4.2 Dizajn dimenzija sferne ljuske otporne na pritisak

Materijal od aluminijske legure odabran je za izradu sferične ljuske hidrofona s otpornošću na tlak od 30 MPa, a minimalna prosječna gustoća sferične ljuske koja zadovoljava zahtjeve tlaka je 0,64×103 kg/m3, a X=0,9177 u ovom trenutku. Ako je osjetljivost vektorskog hidrofona na brzinu vibracija |v/v0| je dopušteno do 0,8, stvarni dizajn sferičnog omotača hidrofona treba biti dizajniran u dvije polovice kako bi se olakšala ugradnja unutarnjih komponenti. Pretpostavlja se da su dvije hemisferične ljuske hidrofona sastavljene. Dodatna masa izmjerenog hidrofona, akcelerometra, montažnog nosača, kruga za kondicioniranje signala i vodonepropusne penetrirajuće komore koja se koristi u stvarnom hidrofonu ima zbroj mase od 99,5 g, tako da je zbroj dodatne mase me=149,5 g. Dobiven je vanjski radijus Ro=36,48 mm sfernog omotača hidrofona. X=Ri/Ro=0,9177, unutarnji radijus sferne ljuske Ri=33,48 mm, debljina sferne ljuske=3,00 mm, radi lakšeg proračuna, crtanja i obrade, unutarnji radijus sferne ljuske Ri zaokružen je na 33 mm, vanjski radijus Ro je 36 mm.

 

4.3 Provjera performansi podnosivog napona

Nakon dobivanja podataka o veličini sferične ljuske otporne na pritisak, kako bi se osiguralo da može zadovoljiti zahtjeve otpornosti na pritisak, provjerava se izvedba otpornosti na pritisak i uglavnom se razmatraju dva slučaja gubitka čvrstoće i gubitka stabilnosti.

 

4.3.1 Otkazivanje čvrstoće

Iz tablice 1. može se vidjeti da je dopušteno naprezanje aluminijske legure koja se koristi za sferičnu ljusku 190 MPa, što se kombinira s parametrima veličine sferične ljuske da bi se dobio dopušteni tlak sloma čvrstoće sferične ljuske 30,4 MPa, što je veće od 30 MPa, što zadovoljava zahtjeve tlaka.

 

4.3.2 Poremećaj stabilnosti

Poissonov omjer aluminijske legure μ=0,33, Youngov modul E=7,2×1010 Pa, a sustav stabilnosti m=14,52. Zamjenom podataka o materijalu i veličine sferne ljuske u jednadžbe (8) i (9), izračunat je kritični obodni tlak nestabilnosti pcr=611,6 MPa, a dopušteni obodni tlak nestabilnosti je 42,1 MPa, što je veće od 30 MPa, što zadovoljava zahtjeve tlaka. Može se vidjeti da sferična ljuska vektorskog hidrofona otporna na pritisak može izdržati vanjski hidrostatski tlak od 30 MPa. A dopušteni tlak za perifernu nestabilnost veći je od dopuštenog tlaka za otkazivanje čvrstoće. Ako tlak nastavi rasti izvan sferne ljuske, prvo će se dogoditi učinak čvrstoće.

 

4.4 Inženjerski dizajn tlačne ljuske vektorskog hidrofona

Nakon utvrđivanja osnovnih podataka kao što su materijal, vanjski radijus i debljina sferičnog omotača vektorskog hidrofona otpornog na pritisak, može se izvršiti detaljni dizajn omotača vektorskog hidrofona. Ovaj rad koristi softver za 3D modeliranje za izvođenje pomoćnog dizajna vektorskog hidrofona sferne ko-vibracije velike dubine. Pogled na poprečni presjek strukture vektorskog hidrofona prikazan je na slici 1.