Proiectarea optimă a carcasei sferice a hidrofonului vectorial de co-vibrație (1)

Rezumat: Vizând problema presiunii structurale a hidrofoanelor vector de adâncime, se derivă formula tensiunii maxime a învelișului sferic de presiune externă și influența materialelor și dimensiunilor co-vibrației. hidrofonul vector sferic asupra performanței sale acustice și a presiunii este analizat aici. Pe baza acestui fapt, se oferă o metodă de proiectare a carcasei sferice cu pereți subțiri, rezistente la presiune, cu densitate medie minimă. Sunt studiate materialele tipice de inginerie de adâncime, este selectat materialul din aliaj de aluminiu și este produs un hidrofon vectorial sferic cu co-vibrație cu o adâncime proiectată de rezistență la presiune de 3000 m. Structura rezistentă la presiune a hidrofonului a fost simulată prin metoda elementelor finite, iar sensibilitatea, directivitatea și capacitatea sa de rezistență la presiune au fost testate. Rezultatele arată că hidrofonul vectorial are o directivitate bună în cosinus, sensibilitatea este de -188 dB@500 Hz și poate rezista la o presiune externă de 37,5 MPa. Aceasta verifică metoda de proiectare și inginerie a carcasei sferice cu pereți subțiri, rezistente la presiune, cu densitate medie minimă, prezentate în această lucrare. Raționalitatea și fezabilitatea designului prototipului

 

Introducere

 

The Hidrofonul vector de co-vibrație poate măsura informațiile vectorului de viteză a vibrației în mediul câmpului sonor, iar un singur hidrofon vectorial poate finaliza determinarea direcției țintei acustice. Are, de asemenea, avantajele dimensiunilor mici, consumului redus de energie, sensibilității ridicate, benzii de frecvență moderate și este foarte potrivit pentru instalarea pe platforme subacvatice fără pilot, cum ar fi planoare subacvatice și geamanduri de profil pentru a îndeplini sarcini precum detectarea țintei și monitorizarea zgomotului din mediul marin. În prezent, odată cu dezvoltarea tehnologiei rezistente la presiune, adâncimea de lucru a diferitelor platforme subacvatice fără pilot este în creștere, ceea ce impune cerințe mai mari pentru capacitatea de rezistență la presiune a hidrofoanelor vectoriale. Statele Unite, Rusia și alte țări au dezvoltat hidrofoane vectoriale cu o adâncime de lucru de 5000~6000 m. Pe plan intern, se află încă în stadiul inițial al cercetării. Hidrofonul vectorial cu o adâncime de rezistență la presiune de 1000 m a fost realizat prin utilizarea rășinii epoxidice și a materialului compozit cu microsfere de sticlă și umplere cu ulei de înveliș metalic. Sensibilitatea și directivitatea hidrofonului sunt nesatisfăcătoare; schema de carcasă cu două straturi a carcasei compozite exterioare și a carcasei interioare din aliaj de aluminiu este utilizată pentru a proiecta un hidrofon vectorial cu o adâncime de rezistență la presiune de 2000 m. Datorită dimensiunilor mari, limita superioară a frecvenței este de numai 1000 Hz; hidrofonul vector de co-vibrație compozit rezistent la presiune a fost proiectat și fabricat cu o carcasă metalică acoperită cu o carcasă din poliuretan. Test de scufundare, adâncimea maximă de scufundare este de 1200 m. Designul unui design subțire din aliaj de aluminiu în formă de capsulă realizează un hidrofon vector de co-vibrație cu o rezistență la presiune de 20 MPa. În această lucrare, teoria relevantă a proiectării recipientului sub presiune este aplicată la proiectarea unui hidrofon vector de adâncime mare, iar o carcasă sferică cu pereți subțiri cu un singur strat, realizată din materiale metalice de înaltă rezistență, este direct utilizată ca înveliș rezistent al hidrofonului vectorial. Procesul acestei scheme este relativ simplu și poate atinge o adâncime mare de tensiune de rezistență. În această schemă, modul de selectare a materialului carcasei sferice și de proiectare a dimensiunii carcasei sferice, astfel încât performanța acustică a hidrofonului vectorial să poată fi îmbunătățită cât mai mult posibil, pe baza premisei că performanța rezistenței la presiune îndeplinește cerințele este cheia pentru proiectarea carcasei sferice de presiune a hidrofonului vectorial.

 

1 Factori de influență ai performanței acustice a hidrofonului vector sferic co-vibrator

 

Când co-vibrarea Hidrofonul vector de joasă frecvență funcționează în câmpul sonor subacvatic, va vibra sub acțiunea câmpului sonor. Setați viteza de vibrație la v. În plus, setați poziția centrului geometric al hidrofonului original atunci când hidrofonul nu este plasat în câmpul sonor. Dacă viteza de vibrație a particulei medii este v0, precondiția următoarei relații (3) poate fi exprimată ca frecvența undei sonore fc 2 π R. Din ecuația (3) se poate observa că atunci când limita superioară a frecvenței de lucru a vectorului sferic co-oscilant hidrofon este mult mai mică decât oc 2 π R, cu atât este mai mică viteza medie a hidrofonului, cu atât este mai mică vibrația medie a hidrofonului. amplitudinea v și vibrația punctului de calitate a apei în câmpul sonor. Cu cât este mai mare valoarea absolută a raportului de amplitudine a vitezei, cu atât sensibilitatea vitezei de vibrație a hidrofonului este mai mare și diferența de fază dintre viteza de vibrație a hidrofonului și viteza de vibrație a punctului de calitate a apei se apropie de zero. Deoarece hidrofonul vector de co-vibrație este echipat și cu senzori de captare a vibrațiilor, circuite de condiționare a semnalului și alte structuri suplimentare, este dificil de realizat că densitatea medie vr a hidrofonului vectorial este mai mică decât densitatea ρ 0 a apei. Ingineria urmărește în general ca densitatea medie a hidrofonului să fie apropiată de densitatea mediului de apă. În acest moment, hidrofonul poate ridica viteza de vibrație a punctului de calitate a apei în câmpul sonor de aproximativ 1:1, iar limita superioară a frecvenței de lucru a hidrofonului poate fi apă vector cu aceeași vibrație. Performanța acustică a ascultătorului include în principal sensibilitate, directivitate și banda de frecvență de lucru. Când sensibilitatea senzorului intern de captare a vibrațiilor este constantă, sensibilitatea hidrofonului este determinată de densitatea medie a acestuia. Cu cât densitatea medie este mai mică, cu atât sensibilitatea hidrofonului este mai mare. Directivitatea unui hidrofon este determinată în principal de sensibilitatea laterală a senzorului intern de captare a vibrațiilor. Forma hidrofonului va afecta, de asemenea, directivitatea. Cu cât hidrofonul este mai aproape de o formă sferică standard, cu atât va avea mai puține interferențe asupra directivității. Deoarece limita superioară a frecvenței senzorului intern de captare a vibrațiilor este în general mare, limita superioară a benzii de frecvență de lucru a hidrofonului este determinată în general de raza exterioară Ro a hidrofonului. Cu cât raza exterioară este mai mică, cu atât limita superioară a frecvenței de lucru a hidrofonului este mai mare. Prin urmare, la proiectarea carcasei sferice rezistente la presiune a hidrofonului vector de co-vibrație, pentru a maximiza performanța acustică a hidrofonului, este necesar ca densitatea medie r a carcasei sferice să fie cât mai mică posibil sub premisa satisfacerii performanței rezistente la presiune. În același timp, faceți raza exterioară Ro cât mai mică posibil. Limita superioară de frecvență a hidrofonului vector sferic co-vibrator necesită cu cât raza exterioară este mai mică, cu atât mai bine; sensibilitatea hidrofonului vector sferic co-vibrator necesită cu cât densitatea medie este mai mică, cu atât mai bine; cu cât raza exterioară este mai mică atunci când materialul și grosimea sunt neschimbate, densitatea medie crește în schimb, ceea ce este o contradicție. Performanța de presiune a hidrofonului vector sferic co-vibrator necesită cu cât raza exterioară este mai mică, cu atât grosimea este mai mare și cu cât rezistența materialului este mai mare, cu atât mai bine. Cu cât raza exterioară este mai mică și grosimea este mai mare, cu atât densitatea medie este mai mare, ceea ce este și o contradicție. Rezistența la presiune și performanța acustică a hidrofonului vector sferic co-vibrator necesită ca proiectarea carcasei sale sferice să fie cât mai mică posibil (sensibilitate ridicată) și raza exterioară cât mai mică posibil (limită superioară de înaltă frecvență) pe premisa atingerii cerințelor de rezistență la presiune), aceste restricții se limitează reciproc. În cele ce urmează se va studia relația dintre materialul, raza exterioară și grosimea învelișului sferic al hidrofonului vector sferic co-vibrator și rezistența la presiune, sensibilitatea și limita superioară de înaltă frecvență a acestuia, pentru a găsi vectorul cu cea mai bună performanță acustică sub premisa satisfacerii performanței presiunii. Schema de proiectare a carcasei sferice rezistente la presiune a hidrofonului.

 

2 Analiza eșecului carcasei sferice cu pereți subțiri sub presiune externă

 

Când hidrofonul vector sferic co-vibrator funcționează în mod normal sub apă, carcasa sa sferică rezistentă la presiune este supusă presiunii hidrostatice externe. Este un vas sub presiune extern. Fără a lua în considerare defectarea coroziunii, există două moduri principale de defectare: defecțiunea de rezistență și defecțiunea de stabilitate.

 

2.1 Defecțiunea puterii

Defectarea rezistenței înseamnă că atunci când solicitarea maximă a unui material dintr-un vas sub presiune depășește punctul său de curgere, materialul se schimbă de la deformare elastică la deformare plastică, rezultând deformare ireversibilă sau rupere. În conformitate cu teoria tensiunii principale maxime și criteriul de rupere elastică, dacă învelișul sferic de presiune externă nu are cedare de rezistență, tensiunea maximă T ar trebui să fie mai mică sau egală cu efortul admisibil de rupere de rezistență a materialului utilizat în învelișul sferic. În domeniul proiectării recipientelor sub presiune, oamenii folosesc formula de stres maxim atunci când proiectează carcase sferice de presiune exterioară. Această formulă este o formulă rezumată a experienței inginerești. Calculul este simplu, dar condiția prealabilă pentru stabilirea acestuia este ca învelișul sferic să fie o carcasă cu pereți subțiri, adică este necesar Ro/Ri. ≤ 1,35, unde Ro este raza exterioară a învelișului sferic și Ri este raza interioară. Soluția obținută prin utilizarea acestei formule aparține soluției optime locale. Prin urmare, tensiunea maximă a învelișului sferic de presiune externă este re-derivată. Fie p presiunea exterioară asupra învelișului sferic și δ grosimea învelișului sferic. Conform teoriei fără moment a carcasei rotative, efortul radial din interiorul carcasei sferice cu pereți subțiri sub presiune externă este foarte mic și sunt luate în considerare doar efortul de compresiune axială Tzz și efortul de compresiune circumferențial T θθ . Deoarece forma geometrică a învelișului sferic este simetrică față de centrul sferei, efortul de compresiune axială și efortul de compresiune circumferențială sunt egale ca valoare. Pe secțiunea care trece prin centrul sferei, forța rezultantă a presiunii externe p pe secțiunea învelișului sferic este Fs=p π Ro2, iar aria secțiunii transversale a materialului învelișului Ss= π (Ro2-Ri2), deci Tzz și T θθ ale presiunii exterioare învelișului sferic sunt rezistența sferică maximă admisă a învelișului sferic.

 

2.2 Eșecul stabilității

Defectarea stabilității se referă la defecțiunea vasului sub presiune de la o stare de echilibru stabilă la o stare instabilă sub acțiunea unei sarcini externe și își pierde brusc forma geometrică inițială. Atunci când grosimea învelișului sferic este foarte subțire, defecțiunea de instabilitate apare adesea înainte de defectarea rezistenței. Pentru un înveliș sferic cu pereți subțiri sub presiune externă, formula de calcul a presiunii critice de flambaj pcr este derivată din teoria deformării mici, unde E este modulul Young al materialului învelișului sferic și este raportul lui Poisson al materialului. Calculul formulei teoretice de presiune critică de deformare mică este relativ simplu, dar eroarea este relativ mare, care poate fi compensată printr-un factor de siguranță m mai mare. GB 150,3 prevede m=14,52. Apoi, presiunea externă maximă admisibilă ps pentru defectarea stabilității carcasei sferice cu pereți subțiri trebuie să fie satisfăcută.

 

3 Design de optimizare a carcasei sferice rezistente la presiune a hidrofonului vectorial

 

Carcasa sferică rezistentă la presiune a traductorul hidrofon vectorial nu eșuează și trebuie să îndeplinească presiunea externă maximă admisă p=min(pi, ps). În plus față de parametrii materialului în sine, presiunea externă maxim admisibilă p a carcasei sferice este legată doar de Ri/Ro. Definiți o variabilă X=Ri/Ro. Este ușor de știut că X este raportul dintre razele interioare și exterioare a învelișului sferic, X∈(0,1), această variabilă este adimensională, cu cât X este mai mare, cu atât învelișul sferic este mai subțire. După solicitarea admisibilă T a unui material dat și presiunea externă maxim admisibilă p a carcasei sferice, se obține valoarea maximă a lui X pe care mantaua sferică îndeplinește cerințele de rezistență, care se înregistrează ca Xi. În mod similar, modulul lui Young E, După raportul lui Poisson μ și presiunea externă maxim admisibilă p a carcasei sferice, valoarea maximă a lui X pe care învelișul sferic îndeplinește cerințele de stabilitate poate fi obținută conform formulei, care se înregistrează ca Xs. Hidrofonul vector sferic co-vibrator poate rezista la apă statică externă Funcția presiunii p fără defecțiune, iar carcasa sferică rezistentă la presiune este necesară pentru a îndeplini condițiile de lipsă de rezistență și de defecțiune de stabilitate în același timp, iar valoarea maximă a lui X care îndeplinește cerințele în același timp este X = min X, X (12) Xmax este determinată Mai târziu, deferința medie poate fi obținută în continuare. Este ușor de știut că volumul materialului învelișului sferic este Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Masa învelișului sferic mc=ρVc, unde ρ este densitatea materialului învelișului sferic. Volumul de apă evacuat de învelișul sferic este Vs=4πRo3/3. Atunci densitatea medie a învelișului sferic r este ρ este densitatea materialului, care este o constantă pozitivă; termenul (1-X3) X∈(0,1) este întotdeauna o valoare pozitivă și scade monoton. Densitatea medie minimă a carcasei sferice care îndeplinește cerințele de presiune. Prin urmare, pentru a obține proiectarea optimă a carcasei sferice rezistente la presiune a hidrofonului vector de co-vibrație, în primul rând, cerințele de presiune p și proprietățile materialului ar trebui înlocuite în formula pentru a calcula Xmax; Înlocuirea Xmax în formulă poate obține densitatea medie minimă a carcasei sferice care îndeplinește cerințele de presiune. Presupunând masa totală a senzorului de captare a vibrațiilor, a circuitului de condiționare a semnalului și a altor structuri suplimentare din interiorul hidrofonului vector de co-vibrație, valoarea minimă a densității medii a hidrofonului este o anumită valoare; în cazul în care materialul învelișului sferic și cerințele de rezistență la presiune p sunt determinate Mai jos, este de asemenea o valoare definită. Pentru hidrofonul vectorial, Ro determină limita superioară fmax a frecvenței de lucru a hidrofonului vectorial. Se selectează limita superioară a frecvenței de lucru a hidrofonului vectorial și se determină raza exterioară Ro a învelișului sferic al hidrofonului vectorial. Apoi se poate obține densitatea medie minimă a hidrofonului și se poate obține sensibilitatea la viteza de vibrație a hidrofonului vectorial. În mod similar, dacă este selectată sensibilitatea la viteza de vibrație a vectorului hidrofon, densitatea medie a hidrofonului poate fi obținută conform ecuației (3), iar raza exterioară a carcasei sferice a hidrofonului în acest moment poate fi obținută, iar vectorul poate fi obținut Limita superioară a frecvenței de lucru a hidrofonului. Prin pașii de mai sus, putem găsi cel mai potrivit material și soluția teoretică optimă a parametrilor de dimensiune precum raza exterioară și grosimea învelișului sferic rezistent la presiune. Și pe baza datelor de bază ale dimensiunii carcasei sferice rezistente la presiune, se realizează următorul proiect detaliat. După ce proiectarea este finalizată, software-ul de simulare cu elemente finite este utilizat pentru a efectua analiza distribuției tensiunii și analiza flambajului carcasei proiectate rezistente la presiune pentru a se asigura că carcasa nu are defecțiuni de rezistență și de stabilitate sub presiunea de proiectare.

 

4 Exemplu de proiectare a carcasei sferice rezistente la presiune a hidrofonului vectorial

În prezent, adâncimea de lucru a planoarelor subacvatice domestice, geamanduri de profil și a altor platforme subacvatice fără pilot a atins nivelul de 2000 m. Pentru a oferi o anumită marjă de siguranță, adâncimea de rezistență la presiunea de proiectare a hidrofonului este setată la 3000 m, adică p=30 MPa.

 

4.1 Optimizarea materialului învelișului

În primul rând, trebuie să selectăm cel mai bun material metalic pentru carcasa sferică rezistentă la presiune a hidrofonului vector de co-vibrație. Tabelul 1 enumeră proprietățile mecanice ale mai multor materiale de inginerie de adâncime utilizate în mod obișnuit, cum ar fi oțelul inoxidabil 304, 316L, aliajul de aluminiu 6061T6, 7075T6, aliajul de titan TC4 și alama H90. Pot exista mici diferențe între valorile relevante ale materialelor). Înlocuirea cerințelor de presiune p și a proprietăților diferitelor materiale din Tabelul 1 în formulă poate fi utilizată pentru a obține aceste materiale de inginerie care îndeplinesc cerințele de rezistență ale lui Xi, cerințele de stabilitate ale lui Xs și ambele Xmax; înlocuiți Xmax obținut în formula , Se poate obține densitatea medie minimă care poate fi atinsă printr-o carcasă sferică din fiecare material care îndeplinește cerințele de presiune. Dacă un anumit material îndeplinește cerințele de rezistență Xi este mai mică decât cerințele de stabilitate Xs, atunci materialul este transformat într-o bilă care îndeplinește cerințele de rezistență. În cazul unei carcase, stabilitatea acesteia este excedentară; în mod similar, dacă Xi-ul unui anumit material este mai mare decât Xs, atunci când materialul este transformat într-o carcasă sferică care îndeplinește cerințele de stabilitate, rezistența sa este excedentară. Cu cât valorile lui Xi și X sunt mai apropiate, cu atât rezistența și stabilitatea învelișului sferic din acest material sunt mai echilibrate. Printre mai multe materiale prezentate în tabelul 2, Xi din aliajul de titan TC4 este mai mare decât Xs, ceea ce indică faptul că rezistența carcasei sferice din acest material este excedentară atunci când îndeplinește cerințele de stabilitate. Cu excepția TC4, Xi-urile materialelor rămase sunt toate mai mici decât X, ceea ce indică faptul că stabilitatea carcasei sferice din aceste materiale este excedentară atunci când îndeplinește cerințele de rezistență. Printre materialele din tabelul 2, Xi și X din aliajul de aluminiu 7075T6 și aliajul de titan TC4 sunt relativ apropiate, ceea ce indică faptul că rezistența și stabilitatea carcasei sferice din aceste două materiale sunt relativ echilibrate. Se poate observa din tabelul 2 că, sub premisa îndeplinirii rezistenței la presiune de 30 MPa, dintre mai multe materiale de inginerie utilizate în mod obișnuit enumerate în tabel, densitatea medie a carcasei sferice din aliaj de aluminiu și aliaj de titan TC4 poate atinge o densitate apropiată sau mai mică decât cea a apei, care este în concordanță cu cerințele de proiectare coferică a hidrofonului vectorial. Dintre acestea, materialul din aliaj de titan TC4 are cel mai mare Xmax, adică cea mai subțire carcasă sferică rezistentă la presiune realizată din acest material. Carcasa sferică rezistentă la presiune realizată din material 7075T6 poate atinge cea mai mică densitate medie, lăsând cea mai mare marjă de masă pentru alte structuri interne. În plus, aliajul de aluminiu are avantaje mai mari decât aliajul de titan TC4 în ceea ce privește costul materialului și costul de procesare. Prin urmare, aliajul de aluminiu este cel mai bun material pentru realizarea de carcase sferice rezistente la presiunea hidrofonului vectorial.

 

4.2 Proiectarea dimensiunii carcasei sferice rezistente la presiune

Materialul din aliaj de aluminiu este selectat pentru a face o carcasă sferică hidrofonă cu o rezistență la presiune de 30 MPa, iar densitatea medie minimă a carcasei sferice care îndeplinește cerințele de presiune este de 0,64×103 kg/m3 și X=0,9177 în acest moment. Dacă sensibilitatea la viteza de vibrație a vectorului hidrofon |v/v0| este permisă la 0,8, designul propriu-zis al carcasei sferice a hidrofonului ar trebui să fie proiectat în două jumătăți pentru a facilita instalarea componentelor interne. Se presupune că cele două carcase semisferice ale hidrofonului sunt asamblate. Masa suplimentară a hidrofonului măsurat, accelerometrul, suportul de montare, circuitul de condiționare a semnalului și camera de penetrare etanșă utilizată în hidrofonul propriu-zis are o sumă de masă de 99,5 g, deci suma masei suplimentare me=149,5 g. Se obţine raza exterioară Ro=36,48 mm a învelişului sferic al hidrofonului. X = Ri/Ro = 0,9177, raza interioară a carcasei sferice Ri = 33,48 mm, grosimea carcasei sferice = 3,00 mm, pentru comoditatea calculului, desenării și procesării, raza interioară a carcasei sferice Ri este rotunjită în jos la 33 mm, raza exterioară Ro este de 36 mm.

 

4.3 Verificarea performanței tensiunii de rezistență

După obținerea datelor de dimensiune a carcasei sferice rezistente la presiune, pentru a se asigura că poate îndeplini cerințele de rezistență la presiune, se verifică performanța rezistentă la presiune și sunt luate în considerare în principal cele două cazuri de defecțiune a rezistenței și defecțiune a stabilității.

 

4.3.1 Defectarea puterii

Se poate observa din tabelul 1 că efortul admisibil al aliajului de aluminiu utilizat pentru carcasa sferică este de 190 MPa, care este combinat cu parametrii de dimensiune a carcasei sferice pentru a obține presiunea admisibilă de eșuare a rezistenței a carcasei sferice este de 30,4 MPa, care este mai mare de 30 MPa, ceea ce îndeplinește cerințele de presiune.

 

4.3.2 Eșecul stabilității

Raportul lui Poisson al aliajului de aluminiu μ=0,33, modulul Young E=7,2×1010 Pa, iar sistemul de stabilitate m=14,52. Înlocuind datele despre material și dimensiunea carcasei sferice în ecuațiile (8) și (9), se calculează presiunea critică de instabilitate circumferențială pcr = 611,6 MPa, iar presiunea de instabilitate circumferențială admisă este de 42,1 MPa, care este mai mare de 30 MPa, ceea ce îndeplinește cerințele de presiune. Se poate observa că învelișul sferic rezistent la presiune a hidrofonului vector poate rezista la presiunea hidrostatică externă de 30 MPa. Și presiunea admisibilă pentru instabilitatea circumferențială este mai mare decât presiunea admisibilă pentru defecțiunea rezistenței. Dacă presiunea continuă să crească în afara învelișului sferic, efectul de rezistență va avea loc mai întâi.

 

4.4 Proiectare tehnică a carcasei de presiune a hidrofonului vectorial

După determinarea datelor de bază, cum ar fi materialul, raza exterioară și grosimea carcasei sferice rezistente la presiune a hidrofonului vectorial, poate fi realizată proiectarea detaliată a carcasei hidrofonului vectorial. Această lucrare folosește software-ul de modelare 3D pentru a realiza proiectarea auxiliară a hidrofonului vector de co-vibrație sferică de mare adâncime. Vederea în secțiune transversală a structurii hidrofonului vectorial este prezentată în Figura 1.