Optymalny projekt sferycznej powłoki hydrofonu wektorowego współwibracji(2)

Kształt hydrofonu jest standardem przetwornik akustyczny o kształcie kulistym . Kulista powłoka hydrofonu składa się z górnej i dolnej półkuli. Zewnętrzny promień obu półkul wynosi 36 mm, grubość ścianki dolnej półkuli wynosi 3 mm, a grubość ścianki górnej półkuli wynosi 4 mm. Do osiowego uszczelnienia w środku zastosowano gumowy O-ring. Aby zminimalizować jakość nie przenoszącej nacisku części skorupy, wybiera się amerykański standardowy O-ring, który jest cieńszy niż norma krajowa, aby zmniejszyć szerokość rowka montażowego O-ringu. Półkule górna i dolna mocowane są za pomocą gwintów na płaszczu kulistym, tak aby nie było konieczności zwiększania położenia montażowego śrub mocujących, a także aby część nienośna płaszcza była jak najmniejsza. Ponieważ górna i dolna półkula są połączone gwintami, położenie obu półkul podczas dokręcania jest losowe. Dlatego 4 otwory do zawieszenia sprężyny są równomiernie rozmieszczone pośrodku zewnętrznej powierzchni kulistej skorupy zamiast dwóch symetrycznie rozmieszczonych na dwóch półkulistych skorupach. Otwór do zawieszenia sprężyny pętelkowej. Powiększ dolną półkulę nieco większą, a górną trochę mniejszą, tak aby wszystkie otwory zawieszenia sprężyny w środku znajdowały się na dolnej półkuli. Czujnik wibracji wykorzystuje trójosiowy akcelerometr piezoelektryczny. Akcelerometr montowany jest pośrodku sferycznej powłoki poprzez wspornik, natomiast obwód kondycjonowania sygnału instaluje się po drugiej stronie wspornika. Należy pamiętać, że to „środek” znajduje się również w dolnej półkuli, tak że po dokręceniu obu półkul, niezależnie od kąta pomiędzy górną i dolną półkulą, nie będzie to miało wpływu na ustawienie akcelerometru w stosunku do kierunku otworu zawieszenia. Po zakończeniu montażu środek ciężkości całego hydrofonu wektorowego powinien pokrywać się ze środkiem kulistej powłoki podwodny przetwornik akustyczny w miarę możliwości. Położenie środka ciężkości hydrofonu na rysunku 1 jest automatycznie obliczane przez oprogramowanie do modelowania 3D i znajduje się w geometrycznym środku hydrofonu wektorowego. Słabym obszarem zaprojektowanej odpornej na ciśnienie skorupy kulistej jest połączenie pomiędzy rowkiem pierścienia uszczelniającego typu O-ring a skorupą kulistą oraz otwór części przebijającej. Aby połączyć rowek pierścienia uszczelniającego typu O-ring z kulistą skorupą, należy dodać duże zaokrąglenie, aby przejście było płynne i zmniejszyło koncentrację naprężeń. Aby otworzyć część przebijającą, z jednej strony zwiększ grubość ścianki otworu, aby zwiększyć wytrzymałość ściany otworu, z drugiej strony dodaj duże zaokrąglone rogi na przejściu między ścianą otworu a wewnętrzną powierzchnią kulistej skorupy oraz na przejściu między ścianą otworu a zewnętrzną powierzchnią kulistej skorupy. Zwiększ materiał, aby wygładzić przejście i zmniejszyć koncentrację naprężeń. Aby zrekompensować problem zmniejszenia wytrzymałości spowodowany otwarciem górnej półkulistej skorupy, grubość górnej półkulistej skorupy zwiększono w całości o 1 mm. Ponadto odporne na ciśnienie stalowe śruby stosowane do prowadzenia przez magazyn mają wyższą wytrzymałość, porównywalną ze śrubami pełnymi, i podtrzymują gwintowane otwory.

 

4.5 Symulacja działania odpornej na ciśnienie powłoki hydrofonu wektorowego

Z rysunku 1 widać, że zaprojektowana odporna na ciśnienie powłoka sferyczna hydrofonu wektorowego nie jest już idealną powłoką kulistą. Największy wpływ na odporność na ciśnienie ma otwarcie większego gwintowanego otworu w górnej półkuli. Wpływ otworu zwiększył grubość górnej półkuli o 1 mm. Zmiany te nie zostały teoretycznie obliczone. W poniższym artykule zastosowano metodę analizy elementów skończonych w celu przeprowadzenia symulacji statycznej konstrukcji oraz symulacji wyboczenia wartości własnej na trójwymiarowym modelu sferycznej powłoki hydrofonu wektorowego w celu sprawdzenia, czy zaprojektowany hydrofon wektorowy wytrzymuje ciśnienie zewnętrzne o wartości 30 MPa. Wykorzystanym oprogramowaniem do symulacji elementów skończonych jest ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Symulacja statyczna konstrukcji

Zaimportuj trójwymiarowy model cyfrowy pliku wektorową hydrofonową powłokę sferyczną do oprogramowania do symulacji elementów skończonych, ustaw materiał powłoki na stop aluminium 7075T6 i ustaw tryb kontaktu między górną skorupą a wtyczką oraz między górną i dolną skorupą, aby połączyć tryb. Metoda sześcianu jest używana do tworzenia siatki modelu, rozmiar siatki jest ustawiony na funkcję zginania, a maksymalny rozmiar jest ustawiony na 0,8 mm. Przemieszczenia w kierunkach x, y i z są ustawione na 0 na górnej powierzchni wtyczki, aby ograniczyć przesunięcie modelu; na zewnętrznej cylindrycznej powierzchni korka ustawia się wiązanie powierzchni cylindrycznej, a kierunek styczny jest ustalony, aby ograniczyć obrót i obrót modelu. Wolne od osi i promienia; przyłożyć obciążenie ciśnieniem 30 MPa na wszystkie zewnętrzne powierzchnie płaszcza hydrofonu (w tym wewnętrzną powierzchnię rowka O-ringu) i przeprowadzić na nim statyczną analizę strukturalną. Uzyskany w drodze symulacji rozkład naprężeń powłoki hydrofonu przedstawiono na rysunku 2. Do analizy wybrano natężenie naprężeń, ponieważ jest to naprężenie zastępcze oparte na teorii trzeciego natężenia, wynik jest bezpieczniejszy i nadaje się do analizy zbiorników ciśnieniowych.

Intensywność naprężeń pierścieniowego wybrzuszenia spowodowanego przez rowek O-ringu w środku skorupy hydrofonu (który można uznać za usztywniający pierścień żebrowy) jest niewielka; wartość symulacyjna intensywności naprężeń środkowej części górnej i dolnej półkulistej powłoki powłoki hydrofonu jest najmniejsza, jej wartość jest mniejsza niż 202,7 MPa, tutaj nie uwzględnia się nieciągłości i koncentracji naprężeń, można ją uznać za pierwotne ogólne natężenie naprężeń folii, zgodnie ze wzorem (6), teorią pierwotnego całkowitego naprężenia folii (czyli maksymalnego naprężenia głównego) cienkościennej sferycznej powłoki. Obliczona wartość to 187,8 MPa, czyli zasadniczo zgodne z wynikami symulacji. Intensywność naprężeń w większości obszarów wewnętrznej powierzchni górnej i dolnej powłoki kulistej jest stosunkowo duża i wynosi poniżej 243,2 MPa. Naprężenie w tym miejscu należy do pierwotnego naprężenia zginającego i osiąga granicę mniejszą niż 1,5-krotność naprężenia dopuszczalnego. Na styku dolnej półkulistej powłoki i środkowego pierścieniowego występu znajduje się pierścieniowa duża strefa naprężeń, intensywność naprężeń wynosi około 324,2 MPa, naprężenie tutaj jest naprężeniem pierwotnym plus naprężenie wtórne, a jego wartość jest mniejsza niż 3-krotność naprężenia dopuszczalnego, co spełnia wymagania projektowe. Lokalnie występują skupienia naprężeń w miejscu styku wierzchołka górnej półkuli panewki z grzybem oraz w kilku miejscach w rowku oringu. Maksymalne naprężenie wynosi 405,2 MPa i należy do naprężenia pierwotnego, naprężenia wtórnego i naprężenia szczytowego. Naprężenie to nie będzie miało wpływu. Wpływ zniszczenia wytrzymałościowego wpływa głównie na uszkodzenie zmęczeniowe płaszcza ciśnieniowego. Dlatego kulista powłoka hydrofonu wektorowego może wytrzymać ciśnienie zewnętrzne o wartości 30 MPa bez utraty wytrzymałości.

 

4.5.2 Symulacja wyboczenia wartości własnej

Następnie zmienia się obciążenie ciśnieniem na zewnętrznej powierzchni modelu sferycznej powłoki hydrofonu na 1 MPa, a na podstawie wyników analizy statycznej konstrukcji przeprowadza się analizę wartości własnej wyboczenia. Całkowite odkształcenie stanu wyboczenia pierwszego rzędu sferycznej powłoki hydrofonu pokazano na rysunku 3.

Z rysunku 3 widać, że deformacja zachodzi głównie w dolnej półkuli, gdyż im cieńsza jest kulista powłoka, tym gorsza jest stabilność. Współczynnik obciążenia wyboczeniowego pierwszego rzędu wynosi 680,35, zatem wartość symulacyjna krytycznego ciśnienia niestabilności kulistej powłoki hydrofonu wynosi 680,35 MPa, czyli jest nieco wyższa od obwodowego ciśnienia krytycznego niestabilności obliczonego ze wzoru na 611,6 MPa. Dlatego kulista powłoka hydrofonu wektorowego może wytrzymać ciśnienie zewnętrzne o wartości 30 MPa bez utraty stabilności.

 

4.6 Produkcja hydrofonów wektorowych

Górna i dolna półkulista skorupa wektorowe czujniki hydrofonowe są przetwarzane przez obrabiarki CNC. Materiał to stop aluminium 7075-T6, a powierzchnia jest anodowana w celu utworzenia gęstej tlenkowej warstwy ochronnej, która poprawia twardość powierzchni i zapobiega korozji w wodzie morskiej. Gotowy hydrofon wektora sferycznego współwibracji przedstawiono na rysunku 4. Po dokonaniu właściwych pomiarów jego masa wynosi 274,7 g, a gęstość 1,40 × 103 kg/m3. Zewnętrzny promień hydrofonu wektorowego wynosi Ro=36 mm i podstawiając do równania (4) wielkość tego hydrofonu obsługuje górną granicę jego częstotliwości roboczej fmax=2653 Hz. Dla ułatwienia zaokrąglij górną granicę częstotliwości roboczej do 3000 Hz. W tym momencie kRo=0,45239, stosunek gęstości 0r/r=1,40, podstawiając równania (1) i (2) do równań (1) i (2) otrzymujemy v/v0=0,77, maksimum. Różnica faz wynosi tylko 0,15 ° , co spełnia wymagania aplikacji.

 

5 Test działania hydrofonu wektorowego

W celu sprawdzenia, czy właściwości akustyczne i wytrzymałość ciśnieniowa zaprojektowanego i wykonanego hydrofonu wektorowego współwibracyjnego spełniają wymagania, próbki hydrofonu umieszcza się w rurze fali stojącej w celu przeprowadzenia badań czułości i kierunkowości, a próbę ciśnienia statycznego przeprowadza się w autoklawie.

 

5.1 Test wrażliwości

Czułość trójosiowego akcelerometru piezoelektrycznego stosowanego w współwibracji podwodny hydrofon wektorowy w tym artykule wynosi Ma=2500 mV/g. Wrażliwość hydrofonu wektorowego na prędkość drgań jest ogólnie wyrażana przez równoważną czułość na ciśnienie akustyczne w polu swobodnym Mp. Istnieje następująca zależność konwersji pomiędzy Mp i Ma. Podstawiając aktualnie zmierzoną wartość średniej gęstości hydrofonu do równania (3) można otrzymać | v/v0|=0,7895, podstawiając tę wartość do równania (16), można otrzymać zależność pomiędzy teoretyczną równoważną czułością hydrofonu wektorowego na ciśnienie akustyczne a częstotliwością fali dźwiękowej, jak pokazano czarną linią ciągłą na rysunku 5. Przy 500 Hz teoretyczna czułość kanału wektorowego hydrofonu wektorowego wynosi -187,4 dB (0 dB re 1V/μPa, z wyłączeniem współczynnika wzmocnienia wbudowanego hydrofonu przedwzmacniacz), co zwiększa czułość o 6 dB na oktawę. Wrażliwość hydrofonu wektorowego na prędkość drgań jest badana w lampie z falą stojącą metodą porównawczą, a efektywne pasmo częstotliwości lampy z falą stojącą wynosi 100 ~ 1000 Hz. Zmierzone wyniki czułości każdego kanału hydrofonu wektora sferycznego współwibracji pokazano na rysunku 5 z czerwonymi punktami gwiazdowymi. Można zauważyć, że zmierzone krzywe czułości trzech kanałów wektorowych są w zasadzie zgodne z krzywymi teoretycznymi. Czułość kanałów X, Y i Z przy 500 Hz wynosi odpowiednio -188,9, -188,1 i -187,6 dB. Błąd spójności czułości każdego kanału wektorowego w paśmie częstotliwości pomiarowej nie przekracza 1,2 dB; do znalezienia nachylenia dopasowanego do krzywej czułości trzech kanałów stosuje się metodę najmniejszych kwadratów, a maksymalna różnica między danymi dotyczącymi czułości trzech kanałów a odpowiednim nachyleniem jest mniejsza niż 0,8 dB, co oznacza, że ​​niestabilność poziomu czułości hydrofonu jest mniejsza niż 0,8 dB; czułość wzrasta o 6 dB na oktawę, co jest zgodne z teoretycznym trendem.

 

5.2 Test kierunkowości

 

Trzy kanały wektorowe współwibrującego hydrofonu wektora sferycznego powinny teoretycznie mieć kierunkowość cosinusową niezależną od częstotliwości. Do pomiaru kierunkowości współwibrującego hydrofonu wektora sferycznego w rurze z falą stojącą stosuje się metodę rotacyjną, a odstęp kątowy w teście rotacyjnym wynosi 0,4°. Zbadano kierunkowość kanałów X, Y i Z odpowiednio przy 100, 500 i 1000 Hz. Wyniki pokazują, że kanały X, Y i Z mają dobrą kierunkowość cosinusową w trzech punktach częstotliwości. Krzywe kierunkowości kanałów X, Y i Z przy 500 Hz pokazano na rysunku 6. Można zauważyć, że minimalna głębokość wgłębienia na krzywej kierunkowości kanału X wynosi 34,1 dB, a minimalna głębokość wgłębienia na krzywej kierunkowości kanału Y wynosi 29,8 dB. Minimalna głębokość wgłębienia krzywej kierunkowości kanału wynosi 38,9 dB. Ponieważ sygnał generowany przez falę dźwiękową w mierzonym kanale, gdy hydrofon wektorowy znajduje się w punkcie wklęsłym, jest bardzo mały, układ obrotowy nie zatrzymuje się, gdy układ testowy działa, a wibracje mechaniczne i hałas układu obrotowego są bezpośrednio przenoszone na wektor przez sprężynę zawieszenia. Na hydrofonie sygnał generowany na mierzonym kanale jest często znacznie większy niż sygnał akustyczny, dlatego głębokość wgłębienia uzyskana podczas pomiaru jest znacznie mniejsza niż wartość rzeczywista. Mimo to najmniejsza głębokość wgłębienia w trzech kanałach wektorowych sięga 29,8 dB, co może spełnić wymagania aplikacji.

 

5.3 Próba napięcia wytrzymywanego

W autoklawie przeprowadzono próbę ciśnienia statycznego współwibrującego hydrofonu sferycznego. Zgodnie z GB 150.1 do próby hydraulicznej zewnętrznego zbiornika ciśnieniowego jako ciśnienie próbne należy przyjąć 1,25-krotność ciśnienia obliczeniowego. Ciśnienie obliczeniowe hydrofonu wektorowego wynosi 30 MPa, zatem maksymalne ciśnienie próby ciśnieniowej ustalono na 37,5 MPa. Podczas badań symulowano ciśnieniowy tryb ślizgu hydrofonu po profilu podwodnego szybowca. Najpierw zwiększono ciśnienie do 37,5 MPa przy stałej prędkości i utrzymywano ciśnienie przez pół godziny, następnie powoli obniżono ciśnienie i ponownie zwiększono ciśnienie do 37,5 MPa przy stałej prędkości i cykl powtórzono 5 razy. Podczas całego procesu zwiększania ciśnienia w autoklawie nie nastąpił gwałtowny spadek ciśnienia. Wygląd dwóch próbek hydrofonów przed i po ściskaniu nie uległ uszkodzeniu, a waga była taka sama. Następnie ponownie przetestowano właściwości akustyczne hydrofonu w rurze z falą stojącą. Wyniki badań wykazały, że po tłumieniu hydrofon pracował normalnie, a jego czułość i kierunkowość były w zasadzie takie same jak przed tłumieniem. Udowodniono, że współwibrujący hydrofon wektora sferycznego wytrzymuje ciśnienie wody 37,5 MPa.

 

6 Wniosek

Zgodnie z wymaganiami dotyczącymi odporności na ciśnienie i właściwości akustycznych hydrofonu wektorowego o dużej głębokości, w artykule zaproponowano metodę projektowania kulistej powłoki o minimalnej średniej gęstości ciśnienia współwibrującego hydrofonu wektorowego sferycznego, która ma istotne znaczenie teoretyczne dla realizacji inżynierskiej. Przeanalizowano i obliczono typowe materiały inżynierii głębinowej i wybrano stop aluminium 7075T6 jako materiał na odporną na ciśnienie powłokę hydrofonu wektorowego; przyjęto metodę projektowania odpornej na ciśnienie sferycznej skorupy o minimalnej średniej gęstości, poprzez obliczenia teoretyczne i symulacje elementów skończonych, w celu określenia wytrzymałości i stabilności skorupy. Projekt i wdrożenie hydrofonu wektorowego współwibracji o dużej głębokości przeszło test ciśnienia wody 37,5 MPa; Zewnętrzne wymiary hydrofonu wektorowego obsługują górną granicę jego częstotliwości roboczej do 3000 Hz, a czułość wynosi -188 dB przy 500 Hz, błąd spójności czułości trzech kanałów jest mniejszy niż 1,2 dB, a wszystkie wahania czułości są mniejsze niż 0,8 dB. Kierunkowość trzech kanałów to idealna ósemka. W przypadku mechanicznego hałasu obrotowego punkt wklęsły Głębokość jest również większa niż 29,8 dB.