Optimal utforming av sfærisk skall av samvibrasjonsvektorhydrofon(2)

Formen på hydrofonen er standard akustisk svinger med sfærisk form . Det sfæriske skallet til hydrofonen er sammensatt av øvre og nedre halvkuler. Den ytre radiusen til de to halvkulene er 36 mm, veggtykkelsen til den nedre halvkulen er 3 mm, og veggtykkelsen til den øvre halvkulen er 4 mm. En O-ring av gummi brukes til aksial tetning i midten. For å minimere kvaliteten på den ikke-trykkbærende delen av skallet, velges en amerikansk standard O-ring som er tynnere enn den nasjonale standarden for å redusere bredden på O-ringens installasjonsspor. De øvre og nedre halvkulene er festet med gjengene på det sfæriske skallet, slik at det ikke er behov for å øke monteringsposisjonen til festeboltene, og det er også for å gjøre den ikke-trykkbærende delen av skallet så liten som mulig. Fordi de øvre og nedre halvkulene er festet med tråder, er innrettingsposisjonen til de to halvkulene tilfeldig når de strammes. Derfor er 4 fjæropphengshull jevnt fordelt i midten av den ytre overflaten av det sfæriske skallet i stedet for to symmetrisk fordelt på de to halvkuleformede skallene. Løkkefjæropphengshull. Gjør den nedre halvkule litt større og den øvre halvkule litt mindre, slik at alle fjæropphengshullene i midten er plassert på den nedre halvkule. Vibrasjonssensoren bruker et treakset piezoelektrisk akselerometer. Akselerometeret er installert i midten av det sfæriske skallet gjennom en brakett, og signalbehandlingskretsen er installert på den andre siden av braketten. Merk at dette 'senteret' også er plassert i det nedre halvkuleformede skallet, slik at når de to halvkulene strammes, uansett hvilken vinkel det er mellom øvre og nedre halvkule, vil det ikke påvirke innrettingen av akselerometeret med retningen til opphengshullet. Etter at monteringen er fullført, skal tyngdepunktet til hele vektorhydrofonen falle sammen med midten av det sfæriske skallet undervanns akustisk transduser så mye som mulig. Plasseringen av tyngdepunktet til hydrofonen i figur 1 beregnes automatisk av 3D-modelleringsprogramvaren, og den er plassert i det geometriske sentrum av vektorhydrofonen. Det svake området til det utformede trykkbestandige sfæriske skallet er forbindelsen mellom O-ringsporet og det sfæriske skallet og åpningen til den gjennomtrengende delen. For forbindelsen mellom O-ringsporet og det sfæriske skallet, legg til en stor filet for å gjøre overgangen jevn for å redusere spenningskonsentrasjonen. For åpningen av den gjennomtrengende delen, på den ene siden, øk tykkelsen på hullveggen for å øke styrken til hullveggen, på den annen side, legg til store runde hjørner ved overgangen mellom hullveggen og den indre overflaten av det sfæriske skallet, og ved overgangen mellom hullveggen og den ytre overflaten av det sfæriske skallet. For å kompensere for styrkereduksjonsproblemet forårsaket av åpningen av det øvre halvkuleformede skallet, ble tykkelsen av det øvre halvkuleformede skallet økt med 1 mm som helhet. I tillegg har de trykkfaste stålboltene som brukes til å føre gjennom lageret høyere styrke, tilsvarende solide bolter, og støtter de gjengede hullene.

 

4.5 Ytelsessimulering av trykkbestandig skall av vektorhydrofon

Det kan sees fra figur 1 at det utformede trykkbestandige sfæriske skallet til vektorhydrofonen ikke lenger er et ideelt sfærisk skall. Den største innvirkningen på den trykkbestandige ytelsen er åpningen av et større gjenget hull i den øvre halvkule. Påvirkningen av hullet har økt tykkelsen på den øvre halvkule med 1 mm. Disse endringene er ikke teoretisk beregnet. Det følgende bruker metoden for finitt element-analyse for å utføre strukturell statisk simulering og egenverdiknekkingssimulering på den tredimensjonale modellen av vektorhydrofonens sfæriske skall for å verifisere om den designet vektorhydrofonen tåler et eksternt trykk på 30 MPa. Den endelige element-simuleringsprogramvaren som brukes er ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Strukturell statisk simulering

Importer den tredimensjonale digitale modellen av vektor hydrofon sfærisk skall inn i finite element simuleringsprogramvaren, sett skallmaterialet til 7075T6 aluminiumslegering, og still kontaktmodusen mellom det øvre skallet og pluggen og mellom det øvre og nedre skallet for å binde modus , Heksaedermetoden brukes til å mesh modellen, maskestørrelsen er satt til en bøyefunksjon, og maksimal størrelse er satt til 0,8 mm. Forskyvningene i x-, y- og z-retningene er satt til 0 på den øvre overflaten av pluggen for å begrense translasjonen av modellen; en sylindrisk overflatebegrensning er satt på den ytre sylindriske overflaten av pluggen, og den tangentielle retningen er festet for å begrense rotasjonen og rotasjonen av modellen. Aksial og radial fri; påfør en trykkbelastning på 30 MPa på alle ytre overflater av hydrofonskallet (inkludert den indre overflaten av O-ringsporet), og utfør strukturell statisk analyse på den. Spenningsintensitetsfordelingen til hydrofonskallet oppnådd ved simulering er vist i figur 2. Spenningsintensiteten velges for analyse fordi det er en ekvivalent spenning basert på den tredje intensitetsteorien, resultatet er sikrere, og det er egnet for trykkbeholderanalyse.

Spenningsintensiteten til den ringformede bulen forårsaket av O-ringsporet i midten av hydrofonskallet (som kan betraktes som en avstivende ribbering) er liten; simuleringsverdien for spenningsintensiteten til den midterste delen av de øvre og nedre halvkuleformede skallene til hydrofonskallet er den minste, verdien er mindre enn 202,7 MPa, inkluderer her ikke diskontinuitet og spenningskonsentrasjon, den kan betraktes som den primære totale filmspenningsintensiteten, i henhold til formel (6), teorien om den primære overordnede filmen til den maksimale spenningen (det er den prinsipielle spenningen til denne veggen, den maksimale spenningen). Den beregnede verdien er 187,8 MPa, som i utgangspunktet stemmer overens med simuleringsresultatene. Spenningsintensiteten i de fleste områder av den indre overflaten av de øvre og nedre sfæriske skallene er relativt stor, og verdien er mindre enn 243,2 MPa. Spenningen på dette punktet tilhører den primære bøyespenningen og oppfyller grensen på mindre enn 1,5 ganger den tillatte spenningen. Det er en ringformet stor spenningssone ved krysset mellom det nedre halvkuleformede skallet og det sentrale ringformede fremspringet, spenningsintensiteten er omtrent 324,2 MPa, spenningen her er den primære spenningen pluss den sekundære spenningen, og verdien er mindre enn 3 ganger den tillatte spenningen, som oppfyller designkravene. Det er lokale spenningskonsentrasjoner på stedet der toppen av det øvre halvkuleformede skallet er i kontakt med pluggen og noen få steder i O-ringsporet. Maksimal spenning er 405,2 MPa, som tilhører primærspenningen pluss sekundærspenningen pluss toppspenningen. Denne spenningen vil ikke påvirke Virkningen av styrkesvikt påvirker hovedsakelig utmattelsessvikten til trykkskallet. Derfor kan det sfæriske skallet til vektorhydrofonen motstå et eksternt trykk på 30 MPa uten styrkesvikt.

 

4.5.2 Egenverdi knekking simulering

Deretter endres trykkbelastningen på den ytre overflaten av den hydrofonsfæriske skallmodellen til 1 MPa, og egenverdiknekkingsanalysen utføres på grunnlag av de strukturelle statiske analyseresultatene. Den totale deformasjonen av førsteordens knekkmodus til det sfæriske skallet til hydrofonen er vist i figur 3.

Det kan ses av figur 3 at deformasjonen hovedsakelig skjer i den nedre halvkule, fordi jo tynnere det sfæriske skallet er, desto dårligere er stabiliteten. Førsteordens knekklastfaktor er 680,35, så simuleringsverdien for det kritiske ustabilitetstrykket til det sfæriske hydrofonskallet er 680,35 MPa, som er litt høyere enn det kritiske trykket for periferinstabilitet beregnet ved formelen på 611,6 MPa. Derfor kan det sfæriske skallet til vektorhydrofonen motstå et eksternt trykk på 30 MPa uten stabilitetssvikt.

 

4.6 Vektorhydrofonproduksjon

De øvre og nedre halvkuleformede skjellene til vektor hydrofonsensor behandles av CNC-maskinverktøy. Materialet er 7075-T6 aluminiumslegering, og overflaten er anodisert for å danne en tett oksidbeskyttende film for å forbedre overflatens hardhet og hindre sjøvannskorrosjon. Den ferdige samvibrasjons sfæriske vektorhydrofonen er vist i figur 4. Etter faktisk måling er dens masse 274,7 g, og dens tetthet er 1,40 × 103 kg/m3. Den ytre radiusen til vektorhydrofonen er Ro=36 mm, og erstatter den med ligning (4), støtter størrelsen på denne hydrofonen den øvre grensen for dens arbeidsfrekvens fmax=2653 Hz. For enkel bruk, avrund den øvre grensen for arbeidsfrekvensen til 3000 Hz. På dette tidspunktet er kRo=0,45239, tetthetsforhold 0r / r =1,40, ved å erstatte ligningene (1) og (2) i ligningene (1) og (2) for å få v/v0=0,77, det maksimale. Faseforskjellen er bare 0,15 ° , som oppfyller applikasjonskravene.

 

5 Vektorhydrofonytelsestest

For å sjekke om den akustiske ytelsen og trykkmotstanden til den konstruerte og produserte sfæriske vektorhydrofonen med samvibrasjon oppfyller kravene, plasseres hydrofonprøvene i det stående bølgerøret for følsomhets- og retningstester, og den statiske trykktesten utføres i autoklaven.

 

5.1 Sensitivitetstest

Følsomheten til det treaksede piezoelektriske akselerometeret som brukes i samvibrasjonen undervannsvektorhydrofon i denne artikkelen er Ma=2500 mV/g. Vibrasjonshastighetsfølsomheten til en vektorhydrofon uttrykkes generelt ved den ekvivalente lydtrykkfølsomheten Mp. Det er følgende konverteringsforhold mellom Mp og Ma. Substituering av den faktiske målte verdien av hydrofonens gjennomsnittlige tetthet i ligning (3) kan oppnås | v/v0|=0,7895, ved å erstatte denne verdien i ligning (16), kan forholdet mellom den teoretiske ekvivalente lydtrykksensitiviteten til vektorhydrofonen og lydbølgefrekvensen oppnås, som vist med den svarte heltrukket linjen i figur 5. Ved 500 Hz er den teoretiske følsomheten til vektorkanalen til vektorhydrofonen -1807 (μdPa,V7) unntatt forsterkningsfaktoren til hydrofonens innebygde forforsterker), som øker følsomheten med 6 dB per oktav. Vibrasjonshastighetsfølsomheten til vektorhydrofonen testes i et stående bølgerør ved å bruke en sammenligningsmetode, og det effektive frekvensbåndet til det stående bølgerøret er 100~1000 Hz. De målte resultatene av følsomheten til hver kanal i den sfæriske vektorhydrofonen med samvibrasjon er vist i figur 5 med de røde stjernepunktene. Det kan sees at de målte kurvene for sensitiviteten til de tre vektorkanalene i utgangspunktet er konsistente med de teoretiske kurvene. Følsomhetene til X-, Y- og Z-kanalene ved 500 Hz er henholdsvis -188,9, -188,1 og -187,6 dB. Følsomhetskonsistensfeilen for hver vektorkanal i målefrekvensbåndet overstiger ikke 1,2 dB; den minste kvadratiske metoden brukes til å finne skråningen tilpasset følsomhetskurven til de tre kanalene, og den maksimale forskjellen mellom følsomhetsdataene til de tre kanalene og den tilsvarende helningen er mindre enn 0,8 dB, Det vil si at hydrofonens følsomhetsnivåustabilitet er mindre enn 0,8 dB; følsomheten øker med 6 dB per oktav, noe som stemmer overens med den teoretiske trenden.

 

5.2 Retningsevnetest

 

De tre vektorkanalene til den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen bør teoretisk ha cosinusdirektivitet uavhengig av frekvens. Rotasjonsmetoden brukes til å måle retningsvirkningen til den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen i det stående bølgerøret, og vinkelintervallet til rotasjonstesten er 0,4°. Retningsevnen til X-, Y- og Z-kanalene ved henholdsvis 100, 500 og 1000 Hz ble testet. Resultatene viser at X-, Y- og Z-kanalene har god cosinus-direktivitet ved de tre frekvenspunktene. Direktivitetskurvene til X-, Y- og Z-kanalene ved 500 Hz er vist i figur 6. Det kan sees at minimum pit-dybde til X-kanal-direktivitetskurven er 34,1 dB, og minimum pit-dybde for Y-kanals direktivitetskurve er 29,8 dB. Minste gropdybde for kanaldirektivitetskurven er 38,9 dB. Siden signalet som genereres av lydbølgen på kanalen som skal måles når vektorhydrofonen er i det konkave punktet er ekstremt lite, stopper ikke det roterende systemet når testsystemet fungerer, og den mekaniske vibrasjonen og støyen fra det roterende systemet overføres direkte til vektoren gjennom opphengsfjæren. På hydrofonen er signalet som genereres på kanalen som skal måles ofte mye større enn det akustiske signalet, så dybden av gropen oppnådd ved målingen er mye grunnere enn den faktiske verdien. Likevel når den minste gropdybden i de tre vektorkanalene 29,8 dB, noe som kan oppfylle applikasjonskravene.

 

5.3 Tål spenningstest

Den statiske trykktesten av den samvibrerende sfæriske hydrofonen ble utført i autoklaven. I henhold til GB 150.1, for den hydrauliske testen av en ekstern trykkbeholder, skal 1,25 ganger designtrykket tas som testtrykk. Designtrykket til vektorhydrofonen er 30 MPa, så det maksimale trykket for trykktesten er satt til 37,5 MPa. Under testen ble trykkmodusen til hydrofonglid langs profilen til undervannsglideren simulert. Først ble trykket økt til 37,5 MPa ved konstant hastighet, og trykket ble opprettholdt i en halv time, deretter ble trykket sakte utløst, og trykket ble økt til 37,5 MPa ved konstant hastighet igjen, og syklusen ble gjentatt 5 ganger. Det var ikke noe plutselig trykkfall i autoklaven under hele trykksettingsprosessen. Utseendet til de to hydrofonprøvene før og etter kompresjon ble ikke skadet, og vekten var den samme. Deretter ble den akustiske ytelsen til hydrofonen testet på nytt i det stående bølgerøret. Testresultatene viste at hydrofonen fungerte normalt etter undertrykkingen, og dens følsomhet og retningsevne var i utgangspunktet den samme som før undertrykkingen. Det er bevist at den samvibrerende sfæriske vektorhydrofonen tåler 37,5 MPa vanntrykk.

 

6 Konklusjon

I samsvar med kravene til trykkmotstand og akustisk ytelse for en vektorhydrofon med stor dybde, foreslår denne artikkelen en designmetode for det sfæriske skallet med minimum gjennomsnittlig tetthet trykk til en samvibrerende sfærisk vektorhydrofon, som har viktig teoretisk veiledende betydning for ingeniørmessig realisering. Analyserte og beregnet typiske dyphavstekniske materialer, og valgte 7075T6 aluminiumslegering som materiale for det trykkbestandige skallet til vektorhydrofonen; vedtatt minimumsgjennomsnittlig tetthet trykkbestandig sfærisk skalldesignmetode, gjennom teoretiske beregninger og finite element-simuleringer, for å bestemme styrken og stabiliteten til skallet. Utformingen og implementeringen av en stor-dybde samvibrasjonsvektorhydrofon har bestått 37,5 MPa vanntrykktesten; de ytre dimensjonene til vektorhydrofonen støtter den øvre grensen for dens arbeidsfrekvens opp til 3000 Hz, og følsomheten er -188 dB@500 Hz, følsomhetskonsistensfeilen til de tre kanalene er mindre enn 1,2 dB, og følsomhetsfluktuasjonene er alle mindre enn 0,8 dB. Direktiviteten til de tre kanalene er et ideelt åttetall. Ved mekanisk rotasjonsstøy er det konkave punktet. Dybden er også høyere enn 29,8 dB.