Proiectarea optimă a carcasei sferice a hidrofonului vectorial de co-vibrație (2)

Forma hidrofonului este standard traductor acustic de formă sferică . Învelișul sferic al hidrofonului este compus din emisfere superioare și inferioare. Raza exterioară a celor două emisfere este de 36 mm, grosimea peretelui emisferei inferioare este de 3 mm, iar grosimea peretelui emisferei superioare este de 4 mm. Un inel O de cauciuc este utilizat pentru etanșarea axială în mijloc. Pentru a minimiza calitatea părții care nu poartă presiunea a carcasei, este selectat un inel O standard american care este mai subțire decât standardul național pentru a reduce lățimea canelurii de instalare a inelului O. Emisferele superioare și inferioare sunt fixate prin firele de pe carcasa sferică, astfel încât să nu fie nevoie să măriți poziția de instalare a șuruburilor de fixare și, de asemenea, pentru a face partea care nu poartă presiunea a carcasei cât mai mică posibil. Deoarece emisferele superioare și inferioare sunt fixate prin fire, poziția de aliniere a celor două emisfere este aleatorie la strângere. Prin urmare, 4 găuri de suspensie pentru arc sunt distribuite uniform în centrul suprafeței exterioare a carcasei sferice în loc de două distribuite simetric pe cele două carcase emisferice. Orificiu de suspensie pentru arc cu buclă. Faceți emisfera inferioară puțin mai mare și emisfera superioară puțin mai mică, astfel încât toate găurile de suspensie a arcului din centru să fie situate pe emisfera inferioară. Senzorul de captare a vibrațiilor folosește un accelerometru piezoelectric cu trei axe. Accelerometrul este instalat în centrul carcasei sferice printr-un suport, iar circuitul de condiționare a semnalului este instalat pe cealaltă parte a suportului. Rețineți că acest „centru” este situat și în carcasa emisferică inferioară, astfel încât atunci când cele două emisfere sunt strânse, indiferent de unghiul dintre emisferele superioare și inferioare, acesta nu va afecta alinierea accelerometrului cu direcția orificiului de suspensie. După finalizarea ansamblului, centrul de greutate al întregului hidrofon vectorial ar trebui să coincidă cu centrul carcasei sferice. traductor acustic subacvatic pe cât posibil. Poziția centrului de greutate al hidrofonului din Figura 1 este calculată automat de software-ul de modelare 3D și este situată la centrul geometric al hidrofonului vectorial. Zona slabă a carcasei sferice proiectate rezistente la presiune este conexiunea dintre canelura inelului O și carcasa sferică și deschiderea părții de perforare. Pentru conexiunea dintre canelura inelului O și carcasa sferică, adăugați un filet mare pentru a face tranziția lină pentru a reduce concentrația de stres. Pentru deschiderea părții de perforare, pe de o parte, creșteți grosimea peretelui găurii pentru a crește rezistența peretelui găurii, pe de altă parte, adăugați colțuri rotunde mari la tranziția dintre peretele găurii și suprafața interioară a carcasei sferice, iar la tranziția dintre peretele găurii și suprafața exterioară a carcasei sferice Creșteți concentrația de stres și reduceți tranziția materialului. Pentru a compensa problema de reducere a rezistenței cauzată de deschiderea carcasei semisferice superioare, grosimea carcasei semisferice superioare a fost mărită cu 1 mm în ansamblu. În plus, șuruburile din oțel rezistente la presiune utilizate pentru rutarea prin depozit au o rezistență mai mare, echivalentă cu șuruburile solide și susțin găurile filetate.

 

4.5 Simularea performanței carcasei rezistente la presiune a hidrofonului vectorial

Din figura 1 se poate observa că carcasa sferică rezistentă la presiune proiectată a hidrofonului vectorial nu mai este o carcasă sferică ideală. Cel mai mare impact asupra performanței rezistente la presiune este deschiderea unui orificiu filetat mai mare în emisfera superioară. Influența găurii a crescut grosimea emisferei superioare cu 1 mm. Aceste modificări nu au fost calculate teoretic. Următoarele utilizează metoda analizei cu elemente finite pentru a efectua simularea statică structurală și simularea flambajului cu valori proprii pe modelul tridimensional al carcasei sferice a hidrofonului vectorial pentru a verifica dacă hidrofonul vectorial proiectat poate rezista la o presiune externă de 30 MPa. Software-ul de simulare cu elemente finite folosit este ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Simulare statică structurală

Importați modelul digital tridimensional al Carcasa sferică a hidrofonului vectorial în software-ul de simulare cu elemente finite, setați materialul carcasei la aliaj de aluminiu 7075T6 și setați modul de contact între carcasa superioară și mufă și între carcasa superioară și inferioară în modul de legătură. Metoda hexaedrului este utilizată pentru a plasa modelul, dimensiunea ochiului este setată la o funcție de îndoire, iar dimensiunea maximă este setată la 0.8 mm. Deplasările în direcțiile x, y și z sunt setate la 0 pe suprafața superioară a dopului pentru a constrânge translația modelului; o constrângere de suprafață cilindrică este stabilită pe suprafața cilindrică exterioară a dopului, iar direcția tangențială este fixată pentru a limita rotația și rotația modelului. Axial si radial liber; aplicați o sarcină de presiune de 30 MPa pe toate suprafețele exterioare ale carcasei hidrofonului (inclusiv suprafața interioară a canelurii inelului O) și efectuați o analiză statică structurală pe aceasta. Distribuția intensității tensiunii a carcasei hidrofonului obținută prin simulare este prezentată în Figura 2. Intensitatea tensiunii este selectată pentru analiză deoarece este o tensiune echivalentă bazată pe teoria intensității a treia, rezultatul este mai sigur și este potrivit pentru analiza vaselor sub presiune.

Intensitatea tensiunii umflăturii inelare cauzată de canelura inelului O din mijlocul carcasei hidrofonului (care poate fi considerată ca un inel nervurat de rigidizare) este mică; Valoarea de simulare a intensității tensiunii a părții mijlocii a carcasei emisferice superioare și inferioare a carcasei hidrofonului este cea mai mică, Valoarea sa este mai mică de 202,7 MPa, aici nu include discontinuitatea și concentrația tensiunii, poate fi considerată ca intensitatea generală a tensiunii primare a filmului, conform formulei (6), teoria peretelui primar general, stresul maxim al peretelui principal al filmului este stresul maxim al peretelui. shell Valoarea calculată este 187,8 MPa, ceea ce este practic în concordanță cu rezultatele simulării. Intensitatea tensiunii în majoritatea zonelor suprafeței interioare a învelișurilor sferice superioare și inferioare este relativ mare, iar valoarea sa este mai mică de 243,2 MPa. Tensiunea în acest punct aparține tensiunii de încovoiere primară și îndeplinește limita de mai puțin de 1,5 ori tensiunea admisă. Există o zonă mare de stres inelară la joncțiunea carcasei emisferice inferioare și proeminența inelară centrală, intensitatea tensiunii este de aproximativ 324,2 MPa, stresul aici este stresul primar plus stresul secundar, iar valoarea sa este mai mică de 3 ori tensiunea admisă, ceea ce îndeplinește cerințele de proiectare. Există concentrații locale de stres în locul în care partea superioară a carcasei emisferice superioare este în contact cu dopul și câteva locuri în canelura inelului O. Tensiunea maximă este de 405,2 MPa, care aparține tensiunii primare plus efortului secundar plus efortului de vârf. Acest stres nu va afecta Impactul defectării rezistenței afectează în principal eșecul prin oboseală a carcasei de presiune. Prin urmare, învelișul sferic al hidrofonului vectorial poate rezista la o presiune externă de 30 MPa fără a pierde puterea.

 

4.5.2 Simularea flambajului cu valori proprii

În continuare, sarcina de presiune pe suprafața exterioară a modelului de înveliș sferic hidrofon este schimbată la 1 MPa, iar analiza de flambaj cu valori proprii este efectuată pe baza rezultatelor analizei statice structurale. Deformarea totală a modului de flambaj de ordinul întâi al carcasei sferice a hidrofonului este prezentată în Figura 3.

Din figura 3 se poate observa că deformarea are loc în principal în emisfera inferioară, deoarece cu cât învelișul sferic este mai subțire, cu atât stabilitatea este mai proastă. Factorul de sarcină de flambaj de ordinul întâi este de 680,35, astfel încât valoarea de simulare a presiunii critice de instabilitate a carcasei sferice a hidrofonului este de 680,35 MPa, ceea ce este puțin mai mare decât presiunea critică de instabilitate circumferențială calculată prin formula de 611,6 MPa. Prin urmare, învelișul sferic al hidrofonului vectorial poate rezista la o presiune externă de 30 MPa fără defectare a stabilității.

 

4.6 Producția de hidrofone vectoriale

Învelișurile emisferice superioare și inferioare ale senzorii hidrofon vectoriali sunt procesați de mașini-unelte CNC. Materialul este aliaj de aluminiu 7075-T6, iar suprafața este anodizată pentru a forma o peliculă densă de protecție de oxid pentru a îmbunătăți duritatea suprafeței și a inhiba coroziunea apei de mare. Hidrofonul vector sferic de co-vibrație finalizat este prezentat în Figura 4. După măsurarea efectivă, masa sa este de 274,7 g, iar densitatea sa este de 1,40 × 103 kg/m3. Raza exterioară a hidrofonului vector este Ro=36 mm, iar substituind în ecuația (4), dimensiunea acestui hidrofon susține limita superioară a frecvenței sale de lucru fmax=2653 Hz. Pentru ușurință în utilizare, rotunjiți limita superioară a frecvenței sale de lucru la 3000 Hz. În acest moment, kRo=0,45239, raportul de densitate 0r / r =1,40, înlocuind ecuațiile (1) și (2) în ecuațiile (1) și (2) pentru a obține v/v0=0,77, valoarea maximă Diferența de fază este de numai 0,15 ° , ceea ce îndeplinește cerințele aplicației.

 

5 Test de performanță al hidrofonului vectorial

Pentru a verifica dacă performanța acustică și rezistența la presiune a hidrofonului vectorial sferic cu co-vibrație proiectat și fabricat îndeplinesc cerințele, probele de hidrofon sunt plasate în tubul de undă staționară pentru teste de sensibilitate și directivitate, iar testul de presiune statică se efectuează în autoclavă.

 

5.1 Test de sensibilitate

Sensibilitatea accelerometrului piezoelectric cu trei axe utilizat în co-vibrație hidrofonul vector subacvatic din acest articol este Ma=2500 mV/g. Sensibilitatea la viteza de vibrație a unui hidrofon vectorial este în general exprimată prin sensibilitatea echivalentă la presiunea sonoră în câmp liber Mp. Există următoarea relație de conversie între Mp și Ma. Înlocuirea valorii măsurate efective a densității medii a hidrofonului în ecuația (3) poate fi obținută | v/v0|=0,7895, înlocuind această valoare în ecuația (16), se poate obține relația dintre sensibilitatea teoretică echivalentă la presiunea sonoră a hidrofonului vectorial și frecvența undei sonore, așa cum se arată prin linia neagră continuă din Figura 5. La 500 Hz, sensibilitatea teoretică a canalului vectorial al hidrofonului vectorial este de -187,4 dB, excluzând factorul de amplificare a 1V/Pa dB (1V/Pa dB). preamplificatorul încorporat al hidrofonului), care crește sensibilitatea cu 6 dB pe octava. Sensibilitatea la viteza de vibrație a hidrofonului vectorial este testată într-un tub cu undă staționară folosind o metodă de comparație, iar banda de frecvență efectivă a tubului cu unde staționare este de 100 ~ 1000 Hz. Rezultatele măsurate ale sensibilității fiecărui canal al hidrofonului vector sferic de co-vibrație sunt prezentate în Figura 5 cu punctele stea roșii. Se poate observa că curbele măsurate ale sensibilității celor trei canale vectoriale sunt practic în concordanță cu curbele teoretice. Sensibilitatea canalelor X, Y și Z la 500 Hz sunt -188,9, -188,1 și, respectiv, -187,6 dB. Eroarea de consistență a sensibilității a fiecărui canal vectorial din banda de frecvență de măsurare nu depășește 1,2 dB; metoda celor mai mici pătrate este utilizată pentru a găsi panta potrivită de curba de sensibilitate a celor trei canale, iar diferența maximă dintre datele de sensibilitate ale celor trei canale și panta corespunzătoare este mai mică de 0,8 dB, adică instabilitatea nivelului de sensibilitate al hidrofonului este mai mică de 0,8 dB; sensibilitatea crește cu 6 dB pe octava, ceea ce este în concordanță cu tendința teoretică.

 

5.2 Test de directivitate

 

Cele trei canale vectoriale ale hidrofonului vector sferic co-vibrator ar trebui, teoretic, să aibă directivitate cosinus independent de frecvență. Metoda de rotație este utilizată pentru a măsura directivitatea hidrofonului vector sferic co-vibrator în tubul de undă staționară, iar intervalul unghiular al testului de rotație este de 0,4°. A fost testată directivitatea canalelor X, Y și Z la 100, 500 și, respectiv, 1000 Hz. Rezultatele arată că canalele X, Y și Z au o directivitate bună în cosinus la cele trei puncte de frecvență. Curbele de directivitate ale canalelor X, Y și Z la 500 Hz sunt prezentate în Figura 6. Se poate observa că adâncimea minimă a gropii a curbei de directivitate a canalului X este de 34,1 dB, iar adâncimea minimă a gropii a curbei de directivitate a canalului Y este de 29,8 dB. Adâncimea minimă a gropii a curbei de directivitate a canalului este de 38,9 dB. Deoarece semnalul generat de unda sonoră pe canalul de măsurat atunci când hidrofonul vectorial se află în punctul concav este extrem de mic, sistemul rotativ nu se oprește atunci când sistemul de testare funcționează, iar vibrațiile mecanice și zgomotul sistemului rotativ sunt transmise direct vectorului prin arcul de suspensie. Pe hidrofon, semnalul generat pe canalul de măsurat este adesea mult mai mare decât semnalul acustic, astfel încât adâncimea gropii obținută prin măsurare este mult mai mică decât valoarea reală. Chiar și așa, cea mai mică adâncime a gropii din cele trei canale vectoriale ajunge la 29,8 dB, ceea ce poate îndeplini cerințele aplicației.

 

5.3 Testarea tensiunii de rezistență

Testul de presiune statică a hidrofonului sferic co-vibrator a fost efectuat în autoclavă. Conform GB 150.1, pentru testul hidraulic al unui vas sub presiune extern, trebuie luată ca presiune de testare de 1,25 ori presiunea de proiectare. Presiunea de proiectare a hidrofonului vectorial este de 30 MPa, deci presiunea maximă a testului de presiune este setată la 37,5 MPa. În timpul testului, a fost simulat modul de presiune al alunecării hidrofonului de-a lungul profilului planorului subacvatic. Mai întâi, presiunea a fost crescută la 37,5 MPa la o viteză constantă, iar presiunea a fost menținută timp de o jumătate de oră, apoi presiunea a fost eliberată încet, iar presiunea a fost crescută la 37,5 MPa la o viteză constantă, iar ciclul a fost repetat de 5 ori. Nu a existat o cădere bruscă de presiune în autoclavă pe parcursul întregului proces de presurizare. Aspectul celor două probe de hidrofon înainte și după compresie nu a fost deteriorat, iar greutatea a fost aceeași. Apoi, performanța acustică a hidrofonului a fost retestată în tubul cu undă staționară. Rezultatele testului au arătat că hidrofonul a funcționat normal după suprimare, iar sensibilitatea și directivitatea lui au fost practic aceleași ca înainte de suprimare. Este dovedit că hidrofonul vector sferic co-vibrator poate rezista la presiunea apei de 37,5 MPa.

 

6 Concluzie

În conformitate cu cerințele de rezistență la presiune și performanță acustică a unui hidrofon vector de adâncime mare, această lucrare propune o metodă de proiectare pentru învelișul sferic de presiune cu densitate medie minimă a unui hidrofon vector sferic co-vibrator, care are o importanță teoretică importantă de ghidare pentru realizarea ingineriei. S-au analizat și calculat materiale tipice de inginerie de adâncime și au selectat aliajul de aluminiu 7075T6 ca material pentru carcasa rezistentă la presiune a hidrofonului vectorial; a adoptat metoda de proiectare a carcasei sferice rezistente la presiune cu densitate medie minimă, prin calcule teoretice și simulări cu elemente finite, pentru a determina rezistența și stabilitatea carcasei Proiectarea și implementarea unui hidrofon vector de co-vibrație de mare adâncime a trecut testul de presiune a apei de 37,5 MPa; dimensiunile exterioare ale hidrofonului vector susțin limita superioară a frecvenței sale de lucru până la 3000 Hz, iar sensibilitatea este -188 dB@500 Hz, eroarea de consistență a sensibilității a celor trei canale este mai mică de 1,2 dB, iar fluctuațiile de sensibilitate sunt toate mai mici de 0,8 dB. Directivitatea celor trei canale este o cifră ideală opt. În cazul zgomotului mecanic de rotație, punctul concav Adâncimea este, de asemenea, mai mare de 29,8 dB.