Optimal design av sfærisk skall av samvibrasjonsvektorhydrofon(1)

Sammendrag: Med sikte på det strukturelle trykkproblemet til dypvannsvektorhydrofoner, er den maksimale spenningsformelen til det ytre trykksfæriske skallet utledet, og påvirkningen av materialene og dimensjonene til den samvibrerende sfærisk vektorhydrofon på dens akustiske ytelse og trykkytelse analyseres her. Basert på dette er det gitt en designmetode med minimum gjennomsnittlig tetthet tynnvegget trykkbestandig sfærisk skall. De typiske dyphavstekniske materialene studeres, aluminiumslegeringsmateriale velges, og en ko-vibrasjons sfærisk vektorhydrofon med en designet trykkmotstandsdybde på 3000m produseres. Den trykkbestandige strukturen til hydrofonen ble simulert ved hjelp av finite element-metoden, og dens følsomhet, retningsevne og trykkbestandighet ble testet. Resultatene viser at vektorhydrofonen har god cosinus-direktivitet, følsomheten er -188 dB@500 Hz, og den tåler 37,5 MPa eksternt trykk. Dette bekrefter designmetoden og konstruksjonen av det tynnveggede trykkbestandige sfæriske skallet med minimum gjennomsnittlig tetthet gitt i denne artikkelen. Rasjonaliteten og gjennomførbarheten til prototypedesignet

 

Introduksjon

 

De samvibrasjonsvektorhydrofon kan måle vibrasjonshastighetsvektorinformasjonen i lydfeltmediet, og en enkelt vektorhydrofon kan fullføre retningsfunnet til det akustiske målet. Den har også fordelene med liten størrelse, lavt strømforbruk, høy følsomhet, moderat frekvensbånd, og er svært egnet for installasjon på ubemannede undervannsplattformer som undervannsglidere og profilbøyer for å utføre oppgaver som måldeteksjon og marin miljøstøyovervåking. For tiden, med utviklingen av trykkbestandig teknologi, øker arbeidsdybden til forskjellige ubemannede undervannsplattformer, noe som stiller høyere krav til den trykkbestandige evnen til vektorhydrofoner. USA, Russland og andre land har utviklet vektorhydrofoner med en arbeidsdybde på 5000~6000 m. Innenlands er det fortsatt i den innledende forskningsfasen. Vektorhydrofonen med en trykkmotstandsdybde på 1000 m ble laget ved å bruke epoksyharpiks og glassmikroperle-komposittmateriale potting og metallskalloljefylling. Følsomheten og retningsevnen til hydrofonen er utilfredsstillende; dobbeltlags skallskjemaet til det ytre komposittskallet og det indre aluminiumslegeringsskallet brukes til å designe en vektorhydrofon med en trykkmotstandsdybde på 2000 m. På grunn av sin store størrelse er den høy. Den øvre frekvensgrensen er bare 1000 Hz; den trykkbestandige kompositt co-vibration vektor-hydrofonen ble designet og produsert med et metallskall dekket med et polyuretan-skall. Dykkertest, maksimal dykkedybde er 1200 m. Utformingen av en kapselformet aluminiumslegering med tynt skalldesign realiserer en samvibrasjonsvektorhydrofon med en trykkmotstand på 20 MPa. I denne artikkelen brukes den relevante teorien om trykkbeholderdesign på utformingen av en vektorhydrofon med stor dybde, og et enkeltlags tynnvegget sfærisk skall laget av metallmaterialer med høy styrke brukes direkte som det motstandsdyktige skallet til vektorhydrofonen. Prosessen med denne ordningen er relativt enkel, og kan nå en stor tåle spenningsdybde. I denne ordningen, hvordan velge det sfæriske skallmaterialet og utforme den sfæriske skallstørrelsen slik at den akustiske ytelsen til vektorhydrofonen kan forbedres så mye som mulig på forutsetningen om at trykkmotstandsytelsen oppfyller kravene, er nøkkelen til utformingen av det trykksfæriske skallet til vektorhydrofonen.

 

1 Påvirkningsfaktorer for akustisk ytelse til samvibrerende sfærisk vektorhydrofon

 

Når co-vibrerende lavfrekvent vektorhydrofon fungerer i lydfeltet under vann, den vil vibrere under påvirkning av lydfeltet. Sett dens vibrasjonshastighet til v. Still i tillegg posisjonen til det originale hydrofonens geometriske senter når hydrofonen ikke er plassert i lydfeltet. Hvis vibrasjonshastigheten til mediumpartikkelen er v0, kan forutsetningen for følgende forhold (3) uttrykkes som frekvensen til lydbølgen fc 2 π R. Det kan sees fra ligning (3) at når den øvre grensen for arbeidsfrekvensen til den kooscillerende sfæriske vektorhydrofonen er mye mindre enn R den oc 2 π er jo mindre π til hydrofonen. vibrasjonshastighetsamplitude v og vibrasjonen til vannkvalitetspunktet i lydfeltet. Jo større absoluttverdi av forholdet mellom hastighetsamplitude, jo større er følsomheten til hydrofonens vibrasjonshastighet, og faseforskjellen mellom hydrofonens vibrasjonshastighet og vibrasjonshastigheten til vannkvalitetspunktet nærmer seg null. Siden samvibrasjonsvektorhydrofonen også er utstyrt med vibrasjonssensorer, signalbehandlingskretser og andre tilleggsstrukturer, er det vanskelig å innse at den gjennomsnittlige tettheten vr til vektorhydrofonen er mindre enn tettheten ρ 0 av vann. Engineering forfølger generelt at den gjennomsnittlige tettheten til hydrofonen er nær tettheten til vannmediet. På dette tidspunktet kan hydrofonen fange opp vibrasjonshastigheten til vannkvalitetspunktet i lydfeltet omtrent 1:1, og den øvre grensen for arbeidsfrekvensen til hydrofonen kan være samme vibrasjonsvektorvann. Den akustiske ytelsen til lytteren inkluderer hovedsakelig følsomhet, retningsbestemmelse og arbeidsfrekvensbånd. Når følsomheten til den interne vibrasjonssensoren er konstant, bestemmes hydrofonens følsomhet av dens gjennomsnittlige tetthet. Jo mindre gjennomsnittlig tetthet, desto høyere er hydrofonens følsomhet. Retningsevnen til en hydrofon bestemmes hovedsakelig av sidefølsomheten til den interne vibrasjonssensoren. Formen på hydrofonen vil også påvirke retningsvirkningen. Jo nærmere hydrofonen er en standard sfærisk form, jo ​​mindre forstyrrelse vil den ha på retningsvirkningen. Siden den øvre frekvensgrensen til den interne vibrasjonssensoren generelt er høy, bestemmes den øvre grensen for hydrofonens arbeidsfrekvensbånd generelt av hydrofonens ytre radius Ro. Jo mindre ytre radius er, desto høyere er øvre grense for hydrofonens arbeidsfrekvens. Derfor, når du designer det trykkbestandige sfæriske skallet til samvibrasjonsvektorhydrofonen, for å maksimere den akustiske ytelsen til hydrofonen, er det nødvendig å gjøre den gjennomsnittlige tettheten r til det sfæriske skallet så liten som mulig under forutsetningen om å tilfredsstille den trykkbestandige ytelsen. Gjør samtidig den ytre radiusen Ro så liten som mulig. Den øvre frekvensgrensen til den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen krever jo mindre ytre radius, jo bedre; følsomheten til den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen krever jo mindre gjennomsnittlig tetthet, jo bedre; jo mindre ytre radius er når materialet og tykkelsen er uendret , Den gjennomsnittlige tettheten øker i stedet, noe som er en selvmotsigelse. Trykkytelsen til den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen krever jo mindre ytre radius, jo større tykkelse, og jo høyere materialstyrke, jo bedre. Jo mindre ytre radius og jo større tykkelse, jo større er gjennomsnittlig tetthet, noe som også er en selvmotsigelse. Trykkmotstanden og den akustiske ytelsen til den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofonen krever at utformingen av dens sfæriske skall er så liten som mulig (høy følsomhet) og ytre radius så liten som mulig (høyfrekvent øvre grense) under forutsetning av å nå kravene til trykkmotstand), disse begrensningene begrenser hverandre. Det følgende vil studere forholdet mellom materialet, ytre radius og tykkelsen på det sfæriske skallet til den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen og dens trykkmotstand, følsomhet og høyfrekvens øvre grense, for å finne vektoren med den beste akustiske ytelsen under forutsetningen om å tilfredsstille trykkytelsen. Designskjemaet til det trykkbestandige sfæriske skallet til hydrofonen.

 

2 Feilanalyse av tynnvegget sfærisk skall under eksternt trykk

 

Når den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen fungerer normalt under vann, blir dens trykkbestandige sfæriske skallet utsatt for eksternt hydrostatisk trykk. Det er en ekstern trykkbeholder. Uten å ta hensyn til korrosjonssvikten, er det to hovedfeilmoduser: styrkesvikt og stabilitetssvikt.

 

2.1 Styrkesvikt

Styrkesvikt betyr at når den maksimale spenningen til et materiale i en trykkbeholder overskrider flytegrensen, endres materialet fra elastisk deformasjon til plastisk deformasjon, noe som resulterer i irreversibel deformasjon eller brudd. I henhold til den maksimale prinsipielle spenningsteorien og kriteriet for elastisk brudd, hvis det ytre trykksfæriske skallet ikke har styrkebrudd, bør maksimalspenningen T være mindre enn eller lik den tillatte styrkebruddsspenningen til materialet som brukes i det sfæriske skallet. Innen trykkbeholderdesign bruker folk maksimumsspenningsformelen når de designer eksterne trykksfæriske skall. Denne formelen er en oppsummerende formel for ingeniørerfaring. Regnestykket er enkelt, men forutsetningen for etableringen er at det sfæriske skallet er et tynnvegget skall, det vil si at Ro/Ri kreves. ≤ 1,35, der Ro er den ytre radiusen til det sfæriske skallet og Ri er den indre radien. Løsningen oppnådd ved å bruke denne formelen tilhører den lokale optimale løsningen. Derfor blir den maksimale spenningen til det ytre trykksfæriske skallet utledet på nytt. La p være det ytre trykket på det sfæriske skallet og δ være tykkelsen av det sfæriske skallet. I følge den momentfrie teorien om det roterende skallet, er den radielle spenningen inne i det tynnveggede sfæriske skallet under ytre trykk svært liten, og bare den aksiale trykkspenningen Tzz og den periferiske trykkspenningen T θθ vurderes. Siden den geometriske formen til det sfæriske skallet er symmetrisk i forhold til midten av sfæren, er den aksiale trykkspenningen og den periferiske trykkspenningen like i verdi. På seksjonen som går gjennom senteret av kulen, er den resulterende kraften til det ytre trykket p på seksjonen av det sfæriske skallet Fs=p π Ro2, og tverrsnittsarealet til skallmaterialet Ss= π (Ro2-Ri2), så Tzz og T θθ til det ytre trykksfæriske skallet er det ytre sfæriske trykket som kan tillate bruddet.

 

2.2 Stabilitetssvikt

Stabilitetssvikt refererer til svikt i trykkbeholderen fra en stabil likevektstilstand til en ustabil tilstand under påvirkning av en ekstern belastning, og mister plutselig sin opprinnelige geometriske form. Når tykkelsen på det sfæriske skallet er svært tynt, oppstår ofte ustabilitetssvikten før styrkesvikten. For et tynnvegget sfærisk skall under ytre trykk, er beregningsformelen for det kritiske knekktrykket pcr utledet fra teorien om liten deformasjon, hvor E er Youngs modul til det sfæriske skallmaterialet og er Poissons forhold mellom materialet. Beregningen av den teoretiske formelen for liten deformasjon er relativt enkel, men feilen er relativt stor, noe som kan kompenseres med en større sikkerhetsfaktor m. GB 150.3 angir m=14.52. Da må det maksimalt tillatte ytre trykket ps for stabilitetssvikt til det tynnveggede sfæriske skallet være tilfredsstilt.

 

3 Optimaliseringsdesign av trykkbestandig sfærisk skall av vektorhydrofon

 

Det trykkbestandige sfæriske skallet til vektorhydrofonsvingeren svikter ikke og må oppfylle det maksimalt tillatte eksterne trykket p=min(pi, ps). I tillegg til parametrene til selve materialet, er det maksimalt tillatte ytre trykket p av det sfæriske skallet bare relatert til Ri/Ro . Definer en variabel X=Ri/Ro. Det er lett å vite at X er forholdet mellom den indre og ytre radiusen til det sfæriske skallet, X∈(0,1), denne variabelen er dimensjonsløs, jo større X, jo tynnere er det sfæriske skallet. Etter den tillatte spenningen T for et gitt materiale og det maksimalt tillatte ytre trykket p av det sfæriske skallet, oppnås den maksimale verdien av X som det sfæriske skallet oppfyller styrkekravene, som registreres som Xi. På samme måte kan Youngs modul E, Etter Poisson-forholdet μ og det maksimalt tillatte ytre trykket p av det sfæriske skallet, den maksimale verdien av X som det sfæriske skallet oppfyller stabilitetskravene oppnås i henhold til formelen, som er registrert som Xs. Den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen tåler eksternt statisk vann. Funksjonen til trykk p uten svikt, og det trykkbestandige sfæriske skallet er nødvendig for å møte betingelsene for ingen styrkesvikt og stabilitetssvikt samtidig, og den maksimale verdien av X som oppfyller kravene samtidig er X = min X, X (12) Xmax bestemmes Senere kan minimumsgjennomsnittsverdiene oppnås. Det er lett å vite at volumet til det sfæriske skallmaterialet er Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Massen til det sfæriske skallet mc=ρVc, hvor ρ er tettheten til det sfæriske skallmaterialet. Vannvolumet som slippes ut av det sfæriske skallet er Vs=4πRo3/3. Da er den gjennomsnittlige tettheten til det sfæriske skallet r ρ er tettheten til materialet, som er en positiv konstant; (1-X3) leddet X∈(0,1) er alltid en positiv verdi og avtar monotont. Minimum gjennomsnittlig tetthet av det sfæriske skallet som oppfyller trykkkravene. Derfor, for å oppnå den optimale utformingen av det trykkbestandige sfæriske skallet til samvibrasjonsvektorhydrofonen, bør først trykkkravene p og egenskapene til materialet erstattes i formelen for å beregne Xmax ; Å erstatte Xmax i formelen kan få den minste gjennomsnittlige tettheten til det sfæriske skallet som oppfyller trykkkravene. Forutsatt den totale massen til vibrasjonssensoren, signalbehandlingskretsen og andre tilleggsstrukturer inne i samvibrasjonsvektorhydrofonen, er minimumsverdien for den gjennomsnittlige tettheten til hydrofonen en viss verdi; i tilfellet hvor det sfæriske skallmaterialet og trykkmotstandskravet p er bestemt Nedenfor er det også en bestemt verdi. For vektorhydrofonen bestemmer Ro den øvre grensen fmax for arbeidsfrekvensen til vektorhydrofonen. Den øvre grensen for arbeidsfrekvensen til vektorhydrofonen velges og den ytre radius Ro til det sfæriske skallet til vektorhydrofonen bestemmes. Da kan den minste gjennomsnittlige tettheten til hydrofonen oppnås, og vibrasjonshastighetsfølsomheten til vektorhydrofonen kan oppnås. Tilsvarende, hvis vibrasjonshastighetsfølsomheten til vektorhydrofonen er valgt, kan den gjennomsnittlige tettheten til hydrofonen oppnås i henhold til ligning (3), og den ytre radiusen til det sfæriske skallet til hydrofonen på dette tidspunktet kan oppnås, og vektoren kan oppnås Den øvre grensen for arbeidsfrekvensen til hydrofonen. Gjennom trinnene ovenfor kan vi finne det mest passende materialet og den teoretiske optimale løsningen av størrelsesparametrene som ytre radius og tykkelse på det trykkbestandige sfæriske skallet. Og basert på de grunnleggende størrelsesdataene til det trykkbestandige sfæriske skallet, utføres neste detaljerte design. Etter at designet er fullført, brukes den endelige element-simuleringsprogramvaren til å utføre spenningsfordelingsanalyse og knekkanalyse av det utformede trykkbestandige skallet for å sikre at skallet ikke har styrkesvikt og stabilitetssvikt under designtrykket.

 

4 Designeksempel på trykkbestandig sfærisk skall av vektorhydrofon

For tiden har arbeidsdybden til innenlandske mainstream undervannsglidere, profilbøyer og andre ubemannede undervannsplattformer nådd nivået på 2000 m. For å gi en viss sikkerhetsmargin, settes designtrykkmotstandsdybden til hydrofonen til 3000 m, det vil si p=30 MPa.

 

4.1 Skalmaterialoptimalisering

Først må vi velge det beste metallmaterialet for det trykkbestandige sfæriske skallet til samvibrasjonsvektorhydrofonen. Tabell 1 viser de mekaniske egenskapene til flere ofte brukte dyphavstekniske materialer som 304, 316L rustfritt stål, 6061T6, 7075T6 aluminiumslegering, TC4 titanlegering og H90 messing. Det kan være små forskjeller i de relevante verdiene for materialene). Å erstatte trykkkravene p og egenskapene til forskjellige materialer i tabell 1 i formelen kan brukes for å oppnå disse tekniske materialene som oppfyller styrkekravene til Xi, stabilitetskravene til Xs, og begge Xmax; erstatte den oppnådde Xmax i formelen , Den minste gjennomsnittlige tettheten som kan oppnås med et sfærisk skall laget av hvert materiale som oppfyller trykkkravene kan oppnås. Hvis et bestemt materiale oppfyller styrkekravene Xi er mindre enn stabilitetskravene Xs, så lages materialet til en ball som oppfyller styrkekravene. Når det gjelder et skall er stabiliteten overskudd; på samme måte, hvis Xi av et visst materiale er større enn Xs, når materialet gjøres til et sfærisk skall som oppfyller stabilitetskravene, er dets styrke overskudd. Jo nærmere verdiene til Xi og Xs er, jo mer balansert er styrken og stabiliteten til det sfæriske skallet laget av dette materialet. Blant de mange materialene vist i tabell 2 er Xi av TC4 titanlegering større enn Xs, noe som indikerer at styrken til det sfæriske skallet laget av dette materialet er overskudd når det oppfyller stabilitetskravene. Bortsett fra TC4, er Xi av de gjenværende materialene alle mindre enn Xs, noe som indikerer at stabiliteten til det sfæriske skallet laget av disse materialene er overskudd når de oppfyller styrkekravene. Blant materialene i tabell 2 er Xi og Xs av 7075T6 aluminiumslegering og TC4 titanlegering relativt nærliggende, noe som indikerer at styrken og stabiliteten til det sfæriske skallet laget av disse to materialene er relativt balansert. Det kan sees fra tabell 2 at under forutsetningen om å møte trykkmotstanden på 30 MPa, blant de mange vanlig brukte ingeniørmaterialene som er oppført i tabellen, kan den gjennomsnittlige tettheten til det sfæriske skallet laget av aluminiumslegering og TC4 titanlegering oppnå en tetthet nær eller mindre enn vann, som er i samsvar med designkravene til den koiske hydrovibrerende sfæren. Blant dem har TC4 titanlegeringsmateriale den største Xmax, det vil si det tynneste trykkbestandige sfæriske skallet laget av dette materialet. Det trykkbestandige sfæriske skallet laget av 7075T6-materiale kan oppnå den minste gjennomsnittlige tettheten, og etterlater den største massemarginen for andre interne strukturer. I tillegg har aluminiumslegering større fordeler enn TC4 titanlegering når det gjelder materialkostnader og prosesseringskostnader. Derfor er aluminiumslegering det beste materialet for å lage vektorhydrofontrykkbestandige sfæriske skall.

 

4.2 Størrelsesdesign av trykkbestandig sfærisk skall

Aluminiumslegeringsmaterialet er valgt for å lage et hydrofon sfærisk skall med en trykkmotstand på 30 MPa, og minimum gjennomsnittlig tetthet av det sfæriske skallet som oppfyller trykkkravene er 0,64×103 kg/m3, og X=0,9177 på dette tidspunktet. Hvis vibrasjonshastighetsfølsomheten til vektorhydrofonen |v/v0| er tillatt til 0,8, bør den faktiske utformingen av hydrofonens sfæriske skall utformes i to halvdeler for å lette installasjonen av interne komponenter. Det antas at hydrofonens to halvkuleformede skall er satt sammen. Den ekstra massen til den målte hydrofonen, akselerometeret, monteringsbraketten, signalbehandlingskretsen og det vanntette penetreringskammeret som brukes i selve hydrofonen har en massesum på 99,5 g, så summen av den ekstra massen me=149,5 g. Den ytre radius Ro=36,48 mm av det sfæriske skallet til hydrofonen oppnås. X=Ri/Ro=0,9177, den indre radiusen til det sfæriske skallet Ri=33,48 mm, tykkelsen på det sfæriske skallet=3,00 mm, for enkelhets skyld for beregning, tegning og prosessering, er den indre radiusen til det sfæriske skallet Ri avrundet ned til 33 mm. Ro er 36 mm.

 

4.3 Kontroll av tåle spenningsytelse

Etter å ha innhentet størrelsesdataene til det trykkbestandige sfæriske skallet, for å sikre at det kan oppfylle kravene til trykkbestandighet, kontrolleres den trykkbestandige ytelsen, og de to tilfellene av styrkesvikt og stabilitetssvikt vurderes hovedsakelig.

 

4.3.1 Styrkesvikt

Det kan sees fra tabell 1 at den tillatte spenningen til aluminiumslegeringen brukt for det sfæriske skallet er 190 MPa, som er kombinert med de sfæriske skallstørrelsesparametrene for å oppnå styrkebruddets tillatte trykk til det sfæriske skallet er 30,4 MPa, som er større enn 30 MPa, som oppfyller trykkkravene.

 

4.3.2 Stabilitetssvikt

Poisson-forholdet av aluminiumslegering μ=0,33, Youngs modul E=7,2×1010 Pa, og stabilitetssystemet m=14,52. Ved å erstatte materialdataene og den sfæriske skallstørrelsen i ligningene (8) og (9), beregnes det kritiske periferiske ustabilitetstrykket pcr=611,6 MPa, og det tillatte periferiske ustabilitetstrykket er 42,1 MPa, som er større enn 30 MPa, som oppfyller trykkkravene. Det kan sees at det trykkbestandige sfæriske skallet til vektorhydrofonen tåler det ytre hydrostatiske trykket på 30 MPa. Og det tillatte trykket for periferiell ustabilitet er større enn det tillatte trykket for styrkesvikt. Hvis trykket fortsetter å øke utenfor det sfæriske skallet, vil styrkeeffekten skje først.

 

4.4 Teknisk design av vektorhydrofontrykkskall

Etter å ha bestemt de grunnleggende dataene som materiale, ytre radius og tykkelse på det trykkbestandige sfæriske skallet til vektorhydrofonen, kan den detaljerte utformingen av vektorhydrofonskallet utføres. Denne artikkelen bruker 3D-modelleringsprogramvaren for å utføre hjelpedesignet til den sfæriske samvibrasjonsvektorhydrofonen med stor dybde. Tverrsnittet av vektorhydrofonstrukturen er vist i figur 1.