Progettazione ottimale del guscio sferico dell'idrofono vettoriale a covibrazione(1)

Riassunto: Mirando al problema della pressione strutturale degli idrofoni vettoriali di acque profonde, viene derivata la formula di massima sollecitazione del guscio sferico a pressione esterna e l'influenza dei materiali e delle dimensioni del guscio co-vibrante Qui viene analizzato l'idrofono vettoriale sferico sulle sue prestazioni acustiche e sulle prestazioni di pressione. Sulla base di ciò, viene fornito un metodo di progettazione del guscio sferico resistente alla pressione a parete sottile con densità media minima. Vengono studiati i tipici materiali ingegneristici delle acque profonde, viene selezionato il materiale in lega di alluminio e viene prodotto un idrofono vettoriale sferico a co-vibrazione con una profondità di resistenza alla pressione progettata di 3000 m. La struttura resistente alla pressione dell'idrofono è stata simulata con il metodo degli elementi finiti e ne sono state testate la sensibilità, la direttività e la capacità di resistenza alla pressione. I risultati mostrano che l'idrofono vettoriale ha una buona direttività coseno, la sensibilità è -188 dB a 500 Hz e può sopportare una pressione esterna di 37,5 MPa. Ciò verifica il metodo di progettazione e l'ingegnerizzazione del guscio sferico resistente alla pressione a parete sottile con densità media minima fornito in questo documento. La razionalità e la fattibilità del progetto del prototipo

 

Introduzione

 

IL L'idrofono vettoriale di co-vibrazione può misurare le informazioni del vettore di velocità di vibrazione nel mezzo del campo sonoro e un singolo idrofono vettoriale può completare la ricerca della direzione del bersaglio acustico. Presenta inoltre i vantaggi di dimensioni ridotte, basso consumo energetico, alta sensibilità, banda di frequenza moderata ed è molto adatto per l'installazione su piattaforme subacquee senza pilota come alianti subacquei e boe profilate per eseguire attività come il rilevamento di bersagli e il monitoraggio del rumore ambientale marino. Attualmente, con lo sviluppo della tecnologia resistente alla pressione, la profondità di lavoro di varie piattaforme subacquee senza pilota è in aumento, il che impone requisiti più elevati per la capacità di resistenza alla pressione degli idrofoni vettoriali. Gli Stati Uniti, la Russia e altri paesi hanno sviluppato idrofoni vettoriali con una profondità di lavoro di 5000~6000 m. A livello nazionale, è ancora nella fase iniziale della ricerca. L'idrofono vettoriale con una profondità di resistenza alla pressione di 1000 m è stato realizzato utilizzando resina epossidica e materiale composito con microsfere di vetro e riempimento di olio con guscio metallico. La sensibilità e la direttività dell'idrofono sono insoddisfacenti; lo schema del guscio a doppio strato del guscio esterno composito e del guscio interno in lega di alluminio viene utilizzato per progettare un idrofono vettoriale con una profondità di resistenza alla pressione di 2000 m. A causa delle sue grandi dimensioni, il suo limite di frequenza superiore è di soli 1000 Hz; l'idrofono vettoriale a co-vibrazione composito resistente alla pressione è stato progettato e realizzato con un guscio metallico ricoperto da un guscio in poliuretano. Test di immersione, la profondità massima di immersione è di 1200 m. Il design del guscio sottile in lega di alluminio a forma di capsula realizza un idrofono vettoriale a co-vibrazione con una resistenza alla pressione di 20 MPa. In questo articolo, la teoria rilevante della progettazione dei recipienti a pressione viene applicata alla progettazione di un idrofono vettoriale di grande profondità e un guscio sferico a parete sottile monostrato realizzato con materiali metallici ad alta resistenza viene utilizzato direttamente come guscio resistente dell'idrofono vettoriale. Il processo di questo schema è relativamente semplice e può raggiungere un'ampia profondità di tensione di tenuta. In questo schema, come selezionare il materiale del guscio sferico e progettare la dimensione del guscio sferico in modo che le prestazioni acustiche dell'idrofono vettoriale possano essere migliorate il più possibile sulla premessa che le prestazioni di resistenza alla pressione soddisfino i requisiti è la chiave per la progettazione del guscio sferico a pressione dell'idrofono vettoriale.

 

1 Fattori che influenzano le prestazioni acustiche dell'idrofono vettoriale sferico covibrante

 

Quando la co-vibrazione L'idrofono vettoriale a bassa frequenza funziona nel campo sonoro subacqueo, vibrerà sotto l'azione del campo sonoro. Impostare la velocità di vibrazione su v. Inoltre, impostare la posizione del centro geometrico dell'idrofono originale quando l'idrofono non è posizionato nel campo sonoro. Se la velocità di vibrazione della particella media è v0, la precondizione della seguente relazione (3) può essere espressa come la frequenza dell'onda sonora fc 2 π R. Dall'equazione (3) si può vedere che quando il limite superiore della frequenza di lavoro dell'idrofono vettoriale sferico cooscillante è molto inferiore a oc 2 π R, minore è la densità media dell'idrofono, minore è l'ampiezza della velocità di vibrazione v e la vibrazione del punto di qualità dell'acqua nel campo sonoro. Maggiore è il valore assoluto del rapporto dell'ampiezza della velocità, maggiore è la sensibilità della velocità di vibrazione dell'idrofono e la differenza di fase tra la velocità di vibrazione dell'idrofono e la velocità di vibrazione del punto di qualità dell'acqua si avvicina allo zero. Poiché l'idrofono vettoriale a co-vibrazione è dotato anche di sensori di rilevamento delle vibrazioni, circuiti di condizionamento del segnale e altre strutture aggiuntive, è difficile rendersi conto che la densità media vr dell'idrofono vettoriale è inferiore alla densità ρ 0 dell'acqua. L'ingegneria generalmente persegue che la densità media dell'idrofono sia vicina alla densità del mezzo idrico. A questo punto, l'idrofono può captare la velocità di vibrazione del punto di qualità dell'acqua nel campo sonoro approssimativamente 1:1, e il limite superiore della frequenza di lavoro dell'idrofono può essere l'acqua vettore con la stessa vibrazione. Le prestazioni acustiche dell'ascoltatore comprendono principalmente la sensibilità, la direttività e la banda di frequenza di lavoro. Quando la sensibilità del sensore di vibrazione interno è costante, la sensibilità dell'idrofono è determinata dalla sua densità media. Minore è la densità media, maggiore è la sensibilità dell'idrofono. La direttività di un idrofono è determinata principalmente dalla sensibilità laterale del sensore interno di captazione delle vibrazioni. Anche la forma dell'idrofono influenzerà la direttività. Quanto più l'idrofono è vicino ad una forma sferica standard, tanto minore sarà l'interferenza sulla direttività. Poiché il limite di frequenza superiore del sensore di rilevamento delle vibrazioni interno è generalmente elevato, il limite superiore della banda di frequenza di lavoro dell'idrofono è generalmente determinato dal raggio esterno Ro dell'idrofono. Quanto più piccolo è il raggio esterno, tanto più alto è il limite superiore della frequenza di lavoro dell'idrofono. Pertanto, quando si progetta il guscio sferico resistente alla pressione dell'idrofono vettoriale di co-vibrazione, al fine di massimizzare le prestazioni acustiche dell'idrofono, è necessario rendere la densità media r del guscio sferico il più piccola possibile con la premessa di soddisfare le prestazioni di resistenza alla pressione. Allo stesso tempo, rendi il raggio esterno Ro il più piccolo possibile. Il limite di frequenza superiore dell'idrofono vettoriale sferico covibrante richiede che minore sia il raggio esterno, meglio è; la sensibilità dell'idrofono vettoriale sferico covibrante richiede che minore sia la densità media, meglio è; più piccolo è il raggio esterno a parità di materiale e spessore, aumenta invece la densità media, il che è una contraddizione. Le prestazioni di pressione dell'idrofono vettoriale sferico co-vibrante richiedono che quanto più piccolo sia il raggio esterno, maggiore sia lo spessore e maggiore sia la resistenza del materiale, meglio è. Più piccolo è il raggio esterno e maggiore è lo spessore, maggiore è la densità media, anche questa è una contraddizione. La resistenza alla pressione e le prestazioni acustiche dell'idrofono vettoriale sferico co-vibrante richiedono che il design del suo guscio sferico sia il più piccolo possibile (alta sensibilità) e il raggio esterno il più piccolo possibile (limite superiore dell'alta frequenza) con la premessa di raggiungere i requisiti di resistenza alla pressione), queste restrizioni si limitano a vicenda. Di seguito studieremo la relazione tra il materiale, il raggio esterno e lo spessore del guscio sferico dell'idrofono vettoriale sferico co-vibrante e la sua resistenza alla pressione, sensibilità e limite superiore ad alta frequenza, al fine di trovare il vettore con le migliori prestazioni acustiche con la premessa di soddisfare le prestazioni di pressione. Lo schema di progettazione del guscio sferico resistente alla pressione dell'idrofono.

 

2 Analisi del cedimento di un guscio sferico a pareti sottili sotto pressione esterna

 

Quando l'idrofono vettoriale sferico co-vibrante funziona normalmente sott'acqua, il suo guscio sferico resistente alla pressione è soggetto alla pressione idrostatica esterna. È un recipiente a pressione esterna. Senza considerare la rottura per corrosione, ci sono due principali modalità di rottura: rottura di resistenza e rottura di stabilità.

 

2.1 Cedimento di forza

Rottura per resistenza significa che quando la sollecitazione massima di un materiale in un recipiente a pressione supera il suo punto di snervamento, il materiale cambia da deformazione elastica a deformazione plastica, con conseguente deformazione o frattura irreversibile. Secondo la teoria della sollecitazione principale massima e il criterio di rottura elastica, se il guscio sferico a pressione esterna non presenta rottura di resistenza, la sollecitazione massima T dovrebbe essere inferiore o uguale alla sollecitazione ammissibile di rottura di resistenza del materiale utilizzato nel guscio sferico. Nel campo della progettazione dei recipienti a pressione, le persone utilizzano la formula della sollecitazione massima quando progettano gusci sferici a pressione esterna. Questa formula è una formula riassuntiva dell'esperienza ingegneristica. Il calcolo è semplice, ma il prerequisito per la sua realizzazione è che il guscio sferico sia un guscio a pareti sottili, ovvero sia richiesto Ro/Ri. ≤ 1,35, dove Ro è il raggio esterno del guscio sferico e Ri è il raggio interno. La soluzione ottenuta utilizzando questa formula appartiene alla soluzione ottima locale. Pertanto, viene nuovamente derivata la sollecitazione massima del guscio sferico a pressione esterna. Sia p la pressione esterna sul guscio sferico e δ sia lo spessore del guscio sferico. Secondo la teoria priva di momento del guscio rotante, la sollecitazione radiale all'interno del guscio sferico a pareti sottili sotto pressione esterna è molto piccola e θθ . vengono considerate solo la sollecitazione di compressione assiale Tzz e la sollecitazione di compressione circonferenziale T Poiché la forma geometrica del guscio sferico è simmetrica rispetto al centro della sfera, la sollecitazione di compressione assiale e la sollecitazione di compressione circonferenziale hanno pari valore. Sulla sezione che passa per il centro della sfera, la forza risultante della pressione esterna p sulla sezione del guscio sferico è Fs=p π Ro2, e l'area della sezione trasversale del materiale del guscio Ss= π (Ro2-Ri2), quindi Tzz e T θθ del guscio sferico a pressione esterna sono il guscio sferico La massima pressione esterna ammissibile pi deve soddisfare la rottura di resistenza

 

2.2 Mancanza di stabilità

Il fallimento della stabilità si riferisce al cedimento del recipiente a pressione da uno stato di equilibrio stabile a uno stato instabile sotto l'azione di un carico esterno e perde improvvisamente la sua forma geometrica originale. Quando lo spessore del guscio sferico è molto sottile, la rottura per instabilità spesso avviene prima della rottura per resistenza. Per un guscio sferico a pareti sottili sotto pressione esterna, la formula di calcolo della pressione critica di punta pcr è derivata dalla teoria della piccola deformazione, dove E è il modulo di Young del materiale del guscio sferico ed è il rapporto di Poisson del materiale. Il calcolo della formula della pressione critica teorica di piccola deformazione è relativamente semplice, ma l'errore è relativamente grande e può essere compensato da un fattore di sicurezza m maggiore. GB 150.3 stabilisce m=14.52. Quindi deve essere soddisfatta la massima pressione esterna ammissibile ps per la rottura della stabilità del guscio sferico a pareti sottili.

 

3 Progettazione di ottimizzazione del guscio sferico resistente alla pressione dell'idrofono vettoriale

 

Il guscio sferico resistente alla pressione del il trasduttore idrofono vettoriale non si guasta e deve soddisfare la pressione esterna massima consentita p=min(pi, ps). Oltre ai parametri del materiale stesso, la pressione esterna massima consentita p del guscio sferico è correlata solo a Ri/Ro . Definire una variabile X=Ri/Ro. È facile sapere che X è il rapporto tra il raggio interno ed esterno del guscio sferico, X∈(0,1), questa variabile è adimensionale, più grande è X, più sottile è il guscio sferico. Dopo la sollecitazione ammissibile T di un dato materiale e la pressione esterna massima ammissibile p del guscio sferico, si ottiene il valore massimo di X che il guscio sferico soddisfa i requisiti di resistenza, che viene registrato come Xi. Allo stesso modo, il modulo di Young E, dopo il coefficiente di Poisson μ e la pressione esterna massima consentita p del guscio sferico, il valore massimo di X che il guscio sferico soddisfa i requisiti di stabilità può essere ottenuto secondo la formula, che viene registrata come Xs. L'idrofono vettoriale sferico co-vibrante può resistere all'acqua statica esterna. La funzione della pressione p senza guasti, e il guscio sferico resistente alla pressione è necessario per soddisfare le condizioni di assenza di cedimento di resistenza e di cedimento di stabilità allo stesso tempo, e il valore massimo di X che soddisfa i requisiti allo stesso tempo è X = min X, X (12) Xmax viene determinato Successivamente, è possibile ottenere ulteriormente la densità media minima del guscio sferico. È facile sapere che il volume del materiale del guscio sferico è Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. La massa del guscio sferico mc=ρVc, dove ρ è la densità del materiale del guscio sferico. Il volume di acqua scaricata dal guscio sferico è Vs=4πRo3/3. Quindi la densità media del guscio sferico r è ρ è la densità del materiale, che è una costante positiva; il termine (1-X3) X∈(0,1) è sempre un valore positivo e decresce monotonamente. La densità media minima del guscio sferico che soddisfa i requisiti di pressione. Pertanto, per ottenere la progettazione ottimale del guscio sferico resistente alla pressione dell'idrofono vettore di co-vibrazione, in primo luogo, i requisiti di pressione p e le proprietà del materiale dovrebbero essere sostituiti nella formula per calcolare Xmax ; Sostituendo Xmax nella formula è possibile ottenere la densità media minima del guscio sferico che soddisfa i requisiti di pressione. Supponendo la massa totale del sensore di rilevamento delle vibrazioni, del circuito di condizionamento del segnale e di altre strutture aggiuntive all'interno dell'idrofono del vettore di co-vibrazione, il valore minimo della densità media dell'idrofono è un certo valore; nel caso in cui il materiale del guscio sferico e il requisito di resistenza alla pressione p siano determinati di seguito, si tratta anche di un valore definito. Per l'idrofono vettoriale, Ro determina il limite superiore fmax della frequenza di lavoro dell'idrofono vettoriale. Viene selezionato il limite superiore della frequenza di lavoro dell'idrofono vettoriale e viene determinato il raggio esterno Ro del guscio sferico dell'idrofono vettoriale. Quindi è possibile ottenere la densità media minima dell'idrofono e la sensibilità alla velocità di vibrazione dell'idrofono vettoriale. Allo stesso modo, se viene selezionata la sensibilità alla velocità di vibrazione dell'idrofono vettoriale, è possibile ottenere la densità media dell'idrofono secondo l'equazione (3) e in questo momento è possibile ottenere il raggio esterno del guscio sferico dell'idrofono e il vettore può essere ottenuto Il limite superiore della frequenza di lavoro dell'idrofono. Attraverso i passaggi precedenti, possiamo trovare il materiale più adatto e la soluzione teorica ottimale dei parametri dimensionali come il raggio esterno e lo spessore del guscio sferico resistente alla pressione. E sulla base dei dati dimensionali di base del guscio sferico resistente alla pressione, viene eseguito il successivo progetto dettagliato. Una volta completata la progettazione, il software di simulazione degli elementi finiti viene utilizzato per condurre l'analisi della distribuzione delle sollecitazioni e l'analisi dell'instabilità del guscio resistente alla pressione progettato per garantire che il guscio non subisca cedimenti di resistenza e cedimenti di stabilità sotto la pressione di progetto.

 

4 Esempio di progettazione del guscio sferico resistente alla pressione di un idrofono vettoriale

Allo stato attuale, la profondità di lavoro degli alianti subacquei tradizionali domestici, delle boe profilate e di altre piattaforme subacquee senza pilota ha raggiunto il livello di 2000 m. Per garantire un certo margine di sicurezza, la profondità di resistenza alla pressione di progetto dell'idrofono è impostata su 3000 m, ovvero p=30 MPa.

 

4.1 Ottimizzazione del materiale della calotta

Innanzitutto, dobbiamo selezionare il miglior materiale metallico per il guscio sferico resistente alla pressione dell'idrofono vettoriale di co-vibrazione. La tabella 1 elenca le proprietà meccaniche di diversi materiali comunemente usati per l'ingegneria delle acque profonde come acciaio inossidabile 304, 316L, lega di alluminio 6061T6, 7075T6, lega di titanio TC4 e ottone H90. Potrebbero esserci lievi differenze nei valori rilevanti dei materiali). Sostituendo nella formula i requisiti di pressione p e le proprietà dei vari materiali nella Tabella 1 è possibile ottenere questi materiali tecnici che soddisfano i requisiti di resistenza di Xi, i requisiti di stabilità di Xs ed entrambi Xmax; sostituire l'Xmax ottenuto nella formula , È possibile ottenere la densità media minima che può essere ottenuta da un guscio sferico costituito da ciascun materiale che soddisfa i requisiti di pressione. Se un certo materiale soddisfa i requisiti di resistenza Xi è inferiore ai requisiti di stabilità Xs, allora il materiale viene trasformato in una palla che soddisfa i requisiti di resistenza. Nel caso di un guscio, la sua stabilità è in eccesso; allo stesso modo, se Xi di un certo materiale è maggiore di Xs, quando il materiale viene trasformato in un guscio sferico che soddisfa i requisiti di stabilità, la sua resistenza è in eccesso. Quanto più vicini sono i valori di Xi e Xs, tanto più equilibrata sarà la resistenza e la stabilità del guscio sferico realizzato con questo materiale. Tra i vari materiali mostrati nella Tabella 2, Xi della lega di titanio TC4 è maggiore di Xs, indicando che la resistenza del guscio sferico realizzato con questo materiale è in eccesso quando soddisfa i requisiti di stabilità. Ad eccezione di TC4, gli Xi dei restanti materiali sono tutti più piccoli di Xs, indicando che la stabilità del guscio sferico costituito da questi materiali è in eccesso quando soddisfa i requisiti di resistenza. Tra i materiali nella Tabella 2, Xi e X della lega di alluminio 7075T6 e della lega di titanio TC4 sono relativamente vicini, indicando che la resistenza e la stabilità del guscio sferico costituito da questi due materiali sono relativamente bilanciate. Dalla Tabella 2 si può vedere che, con la premessa di soddisfare la resistenza alla pressione di 30 MPa, tra i diversi materiali tecnici comunemente usati elencati nella tabella, la densità media del guscio sferico in lega di alluminio e lega di titanio TC4 può raggiungere una densità vicina o inferiore a quella dell'acqua, che è coerente con i requisiti di progettazione dell'idrofono vettoriale sferico co-vibrante. Tra questi, il materiale in lega di titanio TC4 ha l'Xmax più grande, ovvero il guscio sferico resistente alla pressione più sottile realizzato con questo materiale. Il guscio sferico resistente alla pressione realizzato in materiale 7075T6 può raggiungere la densità media più piccola, lasciando il margine di massa più ampio per altre strutture interne. Inoltre, la lega di alluminio presenta maggiori vantaggi rispetto alla lega di titanio TC4 in termini di costo del materiale e costi di lavorazione. Pertanto, la lega di alluminio è il materiale migliore per realizzare gusci sferici resistenti alla pressione dell'idrofono vettoriale.

 

4.2 Progettazione dimensionale del guscio sferico resistente alla pressione

Il materiale in lega di alluminio è selezionato per realizzare un guscio sferico dell'idrofono con una resistenza alla pressione di 30 MPa e la densità media minima del guscio sferico che soddisfa i requisiti di pressione è 0,64×103 kg/m3 e X=0,9177 in questo momento. Se la sensibilità alla velocità di vibrazione dell'idrofono vettoriale |v/v0| è consentito a 0,8, il design effettivo del guscio sferico dell'idrofono dovrebbe essere progettato in due metà per facilitare l'installazione dei componenti interni. Si presuppone che i due gusci emisferici dell'idrofono siano assemblati. La massa aggiuntiva dell'idrofono misurato, dell'accelerometro, della staffa di montaggio, del circuito di condizionamento del segnale e della camera penetrante impermeabile utilizzata nell'idrofono reale ha una somma di massa di 99,5 g, quindi la somma della massa aggiuntiva me=149,5 g. Si ottiene il raggio esterno Ro=36,48 mm del guscio sferico dell'idrofono. X=Ri/Ro=0,9177, il raggio interno del guscio sferico Ri=33,48 mm, lo spessore del guscio sferico=3,00 mm, per comodità di calcolo, disegno ed elaborazione, il raggio interno del guscio sferico Ri è arrotondato per difetto a 33 mm, il raggio esterno Ro è 36 mm.

 

4.3 Controllo delle prestazioni della tensione di tenuta

Dopo aver ottenuto i dati dimensionali del guscio sferico resistente alla pressione, al fine di garantire che possa soddisfare i requisiti di resistenza alla pressione, vengono controllate le prestazioni di resistenza alla pressione e vengono considerati principalmente i due casi di cedimento della resistenza e cedimento della stabilità.

 

4.3.1 Rottura della forza

Dalla Tabella 1 si può vedere che la sollecitazione ammissibile della lega di alluminio utilizzata per il guscio sferico è 190 MPa, che viene combinata con i parametri delle dimensioni del guscio sferico per ottenere la pressione ammissibile per rottura di resistenza del guscio sferico è 30,4 MPa, che è maggiore di 30 MPa, che soddisfa i requisiti di pressione.

 

4.3.2 Mancanza di stabilità

Il rapporto di Poisson della lega di alluminio μ=0,33, il modulo di Young E=7,2×1010 Pa e il sistema di stabilità m=14,52. Sostituendo i dati del materiale e la dimensione del guscio sferico nelle equazioni (8) e (9), viene calcolata la pressione critica di instabilità circonferenziale pcr=611,6 MPa e la pressione di instabilità circonferenziale ammissibile è 42,1 MPa, che è maggiore di 30 MPa, che soddisfa i requisiti di pressione. Si può vedere che il guscio sferico resistente alla pressione dell'idrofono vettoriale può resistere alla pressione idrostatica esterna di 30 MPa. Inoltre, la pressione ammissibile per l'instabilità circonferenziale è maggiore della pressione ammissibile per la rottura della resistenza. Se la pressione continua ad aumentare all'esterno del guscio sferico, l'effetto della forza si verificherà per primo.

 

4.4 Progettazione ingegneristica del guscio a pressione dell'idrofono vettoriale

Dopo aver determinato i dati di base come materiale, raggio esterno e spessore del guscio sferico resistente alla pressione dell'idrofono vettoriale, è possibile eseguire la progettazione dettagliata del guscio dell'idrofono vettoriale. Questo articolo utilizza il software di modellazione 3D per eseguire la progettazione ausiliaria dell'idrofono vettoriale a covibrazione sferica di grande profondità. La vista in sezione trasversale della struttura dell'idrofono vettoriale è mostrata nella Figura 1.