Optimal design av sfäriskt skal av samvibrationsvektorhydrofon(1)

Sammanfattning: Med sikte på det strukturella tryckproblemet för djupvattenvektorhydrofoner, härleds den maximala spänningsformeln för det yttre trycksfäriska skalet, och påverkan av materialen och dimensionerna av den samvibrerande sfärisk vektorhydrofon på dess akustiska prestanda och tryckprestanda analyseras här. Baserat på detta ges en designmetod med minsta medeldensitet tunnväggigt tryckbeständigt sfäriskt skal. De typiska djuphavstekniska materialen studeras, aluminiumlegeringsmaterial väljs och en samvibrerande sfärisk vektorhydrofon med ett designat tryckmotståndsdjup på 3000m produceras. Hydrofonens tryckbeständiga struktur simulerades med finita element-metoden, och dess känslighet, riktningsförmåga och tryckbeständiga förmåga testades. Resultaten visar att vektorhydrofonen har bra cosinusdirektivitet, känsligheten är -188 dB@500 Hz, och den tål 37,5 MPa externt tryck. Detta verifierar designmetoden och konstruktionen av det tunnväggiga tryckbeständiga sfäriska skalet med minsta medeldensitet som anges i denna artikel. Rationaliteten och genomförbarheten av prototypdesignen

 

Introduktion

 

De samvibrationsvektorhydrofon kan mäta vibrationshastighetsvektorinformationen i ljudfältsmediet, och en enkel vektorhydrofon kan fullborda riktningsavkänningen av det akustiska målet. Den har också fördelarna med liten storlek, låg strömförbrukning, hög känslighet, måttligt frekvensband och är mycket lämplig för installation på obemannade undervattensplattformar som undervattensglidare och profilbojar för att utföra uppgifter som måldetektering och övervakning av marint miljöbuller. För närvarande, med utvecklingen av tryckbeständig teknik, ökar arbetsdjupet för olika obemannade undervattensplattformar, vilket ställer högre krav på vektorhydrofoners tryckbeständiga förmåga. USA, Ryssland och andra länder har utvecklat vektorhydrofoner med ett arbetsdjup på 5000~6000 m. Inhemskt är det fortfarande i inledningsskedet av forskning. Vektorhydrofonen med ett tryckmotståndsdjup på 1000 m tillverkades med användning av epoxiharts och glasmikrokulor-kompositmaterial och oljefyllning av metallskal. Hydrofonens känslighet och riktningsförmåga är otillfredsställande; dubbelskiktsskalschemat för det yttre kompositskalet och det inre skalet av aluminiumlegering används för att designa en vektorhydrofon med ett tryckmotståndsdjup på 2000 m. På grund av sin stora storlek är den höga. Den övre frekvensgränsen är endast 1000 Hz; den tryckbeständiga komposit-samvibrationsvektorhydrofonen designades och tillverkades med ett metallskal täckt med ett polyuretanskal. Dykprov, maximalt dykdjup är 1200 m. Utformningen av en kapselformad aluminiumlegering med tunt skal skapar en samvibrationsvektorhydrofon med ett tryckmotstånd på 20 MPa. I det här dokumentet tillämpas den relevanta teorin om tryckkärlsdesign på designen av en vektorhydrofon med stort djup, och ett enskiktigt tunnväggigt sfäriskt skal tillverkat av höghållfasta metallmaterial används direkt som det resistenta skalet på vektorhydrofonen. Processen för detta schema är relativt enkel och kan nå ett stort motstå spänningsdjup. I detta schema, hur man väljer det sfäriska skalmaterialet och utformar den sfäriska skalstorleken så att den akustiska prestandan hos vektorhydrofonen kan förbättras så mycket som möjligt under förutsättningen att tryckmotståndsprestandan uppfyller kraven är nyckeln till designen av vektorhydrofonens trycksfäriska skal.

 

1 Påverkande faktorer för akustisk prestanda hos samvibrerande sfärisk vektorhydrofon

 

När samvibrerande lågfrekvent vektorhydrofon fungerar i undervattensljudfältet, den kommer att vibrera under påverkan av ljudfältet. Ställ in dess vibrationshastighet till v. Ställ dessutom in positionen för det ursprungliga hydrofonens geometriska centrum när hydrofonen inte är placerad i ljudfältet. Om mediumpartikelns vibrationshastighet är v0, kan förutsättningen för följande samband (3) uttryckas som frekvensen för ljudvågen fc 2 π R. Det kan ses från ekvation (3) att när den övre gränsen för arbetsfrekvensen för den samoscillerande sfäriska vektorhydrofonen är mycket mindre än R den oc 2 π desto mindre är hydrofonen. vibrationshastighetsamplitud v och vibrationen från vattenkvalitetspunkten i ljudfältet. Ju större det absoluta värdet av förhållandet mellan hastighetsamplituden är, desto större är känsligheten för hydrofonens vibrationshastighet, och fasskillnaden mellan hydrofonens vibrationshastighet och vibrationshastigheten för vattenkvalitetspunkten närmar sig noll. Eftersom samvibrationsvektorhydrofonen också är utrustad med vibrationsupptagningssensorer, signalkonditioneringskretsar och andra ytterligare strukturer, är det svårt att inse att vektorhydrofonens medeldensitet vr är mindre än densiteten ρ 0 för vatten. Engineering strävar i allmänhet efter att den genomsnittliga densiteten för hydrofonen är nära vattenmediets densitet. Vid denna tidpunkt kan hydrofonen ta upp vibrationshastigheten för vattenkvalitetspunkten i ljudfältet ungefär 1:1, och den övre gränsen för hydrofonens arbetsfrekvens kan vara samma vibrationsvektorvatten. Lyssnarens akustiska prestanda inkluderar huvudsakligen känslighet, riktverkan och arbetsfrekvensband. När känsligheten hos den interna vibrationsupptagningssensorn är konstant, bestäms hydrofonens känslighet av dess genomsnittliga densitet. Ju mindre medeldensiteten är, desto högre är hydrofonens känslighet. Riktningen av en hydrofon bestäms huvudsakligen av den laterala känsligheten hos den interna vibrationsupptagningssensorn. Formen på hydrofonen kommer också att påverka riktningen. Ju närmare hydrofonen är en standard sfärisk form, desto mindre störning kommer den att ha på riktningen. Eftersom den övre frekvensgränsen för den interna vibrationsupptagningssensorn i allmänhet är hög, bestäms den övre gränsen för hydrofonens arbetsfrekvensband i allmänhet av hydrofonens yttre radie Ro. Ju mindre yttre radie, desto högre är den övre gränsen för hydrofonens arbetsfrekvens. Därför, när man designar det tryckbeständiga sfäriska skalet på samvibrationsvektorhydrofonen, för att maximera hydrofonens akustiska prestanda, är det nödvändigt att göra den genomsnittliga densiteten r för det sfäriska skalet så liten som möjligt under förutsättningen att den tryckbeständiga prestandan ska uppfyllas. Gör samtidigt den yttre radien Ro så liten som möjligt. Den övre frekvensgränsen för den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen kräver ju mindre yttre radie, desto bättre; känsligheten hos den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen kräver ju mindre medeldensiteten är, desto bättre; ju mindre den yttre radien är när materialet och tjockleken är oförändrade , Medeldensiteten ökar istället, vilket är en motsägelse. Tryckprestandan hos den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen kräver ju mindre yttre radie, desto större tjocklek och ju högre materialhållfasthet, desto bättre. Ju mindre yttre radie och ju större tjocklek, desto större medeldensitet, vilket också är en motsägelse. Tryckmotståndet och den akustiska prestandan hos den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen kräver att dess sfäriska skals design är så liten som möjligt (hög känslighet) och yttre radie så liten som möjligt (högfrekvens övre gräns) under förutsättning att kraven på tryckmotstånd uppnås), dessa begränsningar begränsar varandra. Följande kommer att studera förhållandet mellan materialet, den yttre radien och tjockleken på det sfäriska skalet av den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen och dess tryckmotstånd, känslighet och högfrekvens övre gräns, för att hitta vektorn med den bästa akustiska prestandan under förutsättningen att tillfredsställa tryckprestandan. Designschemat för hydrofonens tryckbeständiga sfäriska skal.

 

2 Felanalys av tunnväggigt sfäriskt skal under yttre tryck

 

När den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen fungerar normalt under vatten, utsätts dess tryckbeständiga sfäriska skal för externt hydrostatiskt tryck. Det är ett externt tryckkärl. Utan att ta hänsyn till korrosionsfelet finns det två huvudsakliga fellägen: hållfasthetsfel och stabilitetsfel.

 

2.1 Styrka misslyckande

Hållfasthetsbrott innebär att när den maximala spänningen för ett material i ett tryckkärl överstiger dess sträckgräns, ändras materialet från elastisk deformation till plastisk deformation, vilket resulterar i irreversibel deformation eller brott. Enligt den maximala principiella spänningsteorin och kriteriet för elastiskt brott, om det yttre trycksfäriska skalet inte har hållfasthetsbrott, bör den maximala spänningen T vara mindre än eller lika med den tillåtna hållfasthetsbrottspänningen för materialet som används i det sfäriska skalet. När det gäller design av tryckkärl använder människor formeln för maximal spänning när de designar yttre trycksfäriska skal. Denna formel är en sammanfattande formel för ingenjörserfarenhet. Beräkningen är enkel, men förutsättningen för dess etablering är att det sfäriska skalet är ett tunnväggigt skal, det vill säga Ro/Ri krävs. ≤ 1,35, där Ro är den yttre radien av det sfäriska skalet och Ri är den inre radien. Lösningen som erhålls genom att använda denna formel tillhör den lokala optimala lösningen. Därför återhärleds den maximala spänningen för det yttre trycksfäriska skalet. Låt p vara det yttre trycket på det sfäriska skalet och δ vara tjockleken på det sfäriska skalet. Enligt den momentfria teorin om det roterande skalet är den radiella spänningen inuti det tunnväggiga sfäriska skalet under yttre tryck mycket liten, och endast den axiella tryckspänningen Tzz och den periferiska tryckspänningen T θθ beaktas. Eftersom den geometriska formen på det sfäriska skalet är symmetrisk med avseende på sfärens centrum, är den axiella tryckspänningen och den periferiska tryckspänningen lika i värde. På sektionen som passerar genom sfärens centrum är den resulterande kraften av det yttre trycket p på sektionen av det sfäriska skalet Fs=p π Ro2, och tvärsnittsarean för skalmaterialet Ss= π (Ro2-Ri2), så Tzz och T θθ för det yttre trycksfäriska skalet är det maximala hållfasthetsbrottet som kan möta det yttre sfäriska trycket.

 

2.2 Stabilitetsfel

Stabilitetsfel hänvisar till tryckkärlets fel från ett stabilt jämviktstillstånd till ett instabilt tillstånd under inverkan av en extern belastning och plötsligt förlorar sin ursprungliga geometriska form. När tjockleken på det sfäriska skalet är mycket tunn, inträffar ofta instabilitetsbrottet före hållfasthetsbrottet. För ett tunnväggigt sfäriskt skal under yttre tryck härleds beräkningsformeln för det kritiska bucklingstrycket pcr från teorin om liten deformation, där E är Youngs modul för det sfäriska skalmaterialet och är Poissons förhållande mellan materialet. Beräkningen av den teoretiska formeln för kritiskt tryck för liten deformation är relativt enkel, men felet är relativt stort, vilket kan kompenseras med en större säkerhetsfaktor m. GB 150.3 anger m=14.52. Då måste det maximalt tillåtna yttre trycket ps för stabilitetsfelet hos det tunnväggiga sfäriska skalet vara uppfyllt.

 

3 Optimeringsdesign av trycktåligt sfäriskt skal av vektorhydrofon

 

Det tryckbeständiga sfäriska skalet på vektorhydrofongivaren misslyckas inte och måste uppfylla det maximalt tillåtna externa trycket p=min(pi, ps). Förutom parametrarna för själva materialet är det maximalt tillåtna externa trycket p av det sfäriska skalet endast relaterat till Ri/Ro . Definiera en variabel X=Ri/Ro. Det är lätt att veta att X är förhållandet mellan det sfäriska skalets inre och yttre radie, X∈(0,1), denna variabel är dimensionslös, ju större X, desto tunnare sfärisk skal. Efter den tillåtna spänningen T för ett givet material och det maximalt tillåtna yttre trycket p för det sfäriska skalet erhålls det maximala värdet av X som det sfäriska skalet uppfyller hållfasthetskraven, vilket registreras som Xi. På liknande sätt kan Youngs modul E, Efter Poissons förhållande μ och det maximalt tillåtna yttre trycket p för det sfäriska skalet, det maximala värdet på X som det sfäriska skalet uppfyller stabilitetskraven erhållas enligt formeln, som registreras som Xs. Den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen kan motstå externt statiskt vatten. Funktionen av trycket p utan fel, och det tryckbeständiga sfäriska skalet krävs för att uppfylla villkoren för inget hållfasthetsbrott och stabilitetsbrott samtidigt, och det maximala värdet på X som samtidigt uppfyller kraven är X = min X, X (12) Xmax bestäms Senare kan den minsta genomsnittliga densiteten erhållas. Det är lätt att veta att volymen av det sfäriska skalmaterialet är Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Massan av det sfäriska skalet mc=ρVc, där ρ är densiteten av det sfäriska skalmaterialet. Volymen vatten som släpps ut av det sfäriska skalet är Vs=4πRo3/3. Då är medeldensiteten för det sfäriska skalet r ρ är materialets densitet, vilket är en positiv konstant; (1-X3) termen X∈(0,1) är alltid ett positivt värde och minskar monotont. Den minsta medeldensiteten för det sfäriska skalet som uppfyller tryckkraven. För att erhålla den optimala utformningen av det tryckbeständiga sfäriska skalet på samvibrationsvektorhydrofonen bör därför först tryckkraven p och materialets egenskaper ersättas i formeln för att beräkna Xmax ; Genom att ersätta Xmax i formeln kan du få den lägsta genomsnittliga densiteten för det sfäriska skalet som uppfyller tryckkraven. Om man antar den totala massan av vibrationsupptagningssensorn, signalkonditioneringskretsen och andra ytterligare strukturer inuti samvibrationsvektorhydrofonen, är minimivärdet för hydrofonens medeldensitet ett visst värde; i det fall det sfäriska skalmaterialet och tryckmotståndskravet p bestäms Nedan är det också ett bestämt värde. För vektorhydrofonen bestämmer Ro den övre gränsen fmax för vektorhydrofonens arbetsfrekvens. Den övre gränsen för vektorhydrofonens arbetsfrekvens väljs och den yttre radien Ro för vektorhydrofonens sfäriska skal bestäms. Då kan den minimala medeldensiteten för hydrofonen erhållas och vektorhydrofonens vibrationshastighetskänslighet. På liknande sätt, om vibrationshastighetskänsligheten för vektorhydrofonen väljs, kan medeldensiteten för hydrofonen erhållas enligt ekvation (3), och den yttre radien för hydrofonens sfäriska skal vid denna tidpunkt kan erhållas, och vektorn kan erhållas Den övre gränsen för hydrofonens arbetsfrekvens. Genom ovanstående steg kan vi hitta det mest lämpliga materialet och den teoretiskt optimala lösningen av storleksparametrarna som den yttre radien och tjockleken på det trycktåliga sfäriska skalet. Och baserat på de grundläggande storleksdata för det tryckbeständiga sfäriska skalet, utförs nästa detaljerade design. Efter att designen är klar används simuleringsmjukvaran för finita element för att utföra spänningsfördelningsanalys och bucklingsanalys av det designade tryckbeständiga skalet för att säkerställa att skalet inte har hållfasthetsbrott och stabilitetsfel under designtrycket.

 

4 Designexempel på tryckbeständigt sfäriskt skal av vektorhydrofon

För närvarande har arbetsdjupet för inhemska vanliga undervattensglidare, profilbojar och andra obemannade undervattensplattformar nått nivån 2000 m. För att ge en viss säkerhetsmarginal sätts hydrofonens designtryckmotståndsdjup till 3000 m, det vill säga p=30 MPa.

 

4.1 Skalmaterialoptimering

Först måste vi välja det bästa metallmaterialet för det tryckbeständiga sfäriska skalet på samvibrationsvektorhydrofonen. Tabell 1 listar de mekaniska egenskaperna hos flera vanliga djuphavstekniska material såsom 304, 316L rostfritt stål, 6061T6, 7075T6 aluminiumlegering, TC4 titanlegering och H90 mässing. Det kan finnas små skillnader i de relevanta värdena på materialen). Genom att ersätta tryckkraven p och egenskaperna för olika material i tabell 1 i formeln kan man använda dessa tekniska material som uppfyller hållfasthetskraven för Xi, stabilitetskraven för Xs och båda Xmax; ersätt den erhållna Xmax med formeln , Den minsta genomsnittliga densiteten som kan uppnås av ett sfäriskt skal tillverkat av varje material som uppfyller tryckkraven kan erhållas. Om ett visst material uppfyller hållfasthetskraven Xi är mindre än stabilitetskraven Xs, så görs materialet till en boll som uppfyller hållfasthetskraven. När det gäller ett skal är dess stabilitet överskott; på liknande sätt, om Xi för ett visst material är större än Xs, när materialet görs till ett sfäriskt skal som uppfyller stabilitetskraven, är dess styrka överskott. Ju närmare värdena för Xi och Xs är, desto mer balanserad är styrkan och stabiliteten hos det sfäriska skalet av detta material. Bland de många materialen som visas i tabell 2 är Xi av TC4 titanlegering större än Xs, vilket indikerar att styrkan hos det sfäriska skalet av detta material är överskott när det uppfyller stabilitetskraven. Förutom TC4 är Xi för de återstående materialen alla mindre än Xs, vilket indikerar att stabiliteten hos det sfäriska skalet som är tillverkat av dessa material är överskott när det uppfyller hållfasthetskraven. Bland materialen i tabell 2 är Xi och Xs av 7075T6 aluminiumlegering och TC4 titanlegering relativt nära, vilket indikerar att styrkan och stabiliteten hos det sfäriska skalet av dessa två material är relativt balanserade. Det framgår av tabell 2 att under förutsättningen att man uppfyller tryckmotståndet på 30 MPa, bland de många vanliga tekniska materialen som listas i tabellen, kan medeldensiteten för det sfäriska skalet av aluminiumlegering och TC4 titanlegering uppnå en densitet nära eller mindre än vatten, vilket är förenligt med designkraven för den koiska hydrovibrerande sfäriska vektorn. Bland dem har TC4 titanlegeringsmaterial den största Xmax, det vill säga det tunnaste tryckbeständiga sfäriska skalet av detta material. Det tryckbeständiga sfäriska skalet av 7075T6-material kan uppnå den minsta genomsnittliga densiteten, vilket ger den största massmarginalen för andra inre strukturer. Dessutom har aluminiumlegering större fördelar än TC4 titanlegering när det gäller materialkostnad och bearbetningskostnad. Därför är aluminiumlegering det bästa materialet för att göra vektorhydrofontryckbeständiga sfäriska skal.

 

4.2 Storleksdesign av trycktåligt sfäriskt skal

Aluminiumlegeringsmaterialet är valt för att göra ett hydrofonsfäriskt skal med ett tryckmotstånd på 30 MPa, och den lägsta genomsnittliga densiteten för det sfäriska skalet som uppfyller tryckkraven är 0,64×103 kg/m3, och X=0,9177 vid denna tidpunkt. Om vibrationshastighetskänsligheten för vektorhydrofonen |v/v0| tillåts till 0,8, bör den faktiska utformningen av hydrofonens sfäriska skal utformas i två halvor för att underlätta installationen av interna komponenter. Det antas att hydrofonens två halvsfäriska skal är sammansatta. Den extra massan av den uppmätta hydrofonen, accelerometern, monteringsfästet, signalkonditioneringskretsen och den vattentäta penetrerande kammaren som används i själva hydrofonen har en massasumma på 99,5 g, så summan av den extra massan me=149,5 g. Den yttre radien Ro=36,48 mm av hydrofonens sfäriska skal erhålls. X=Ri/Ro=0,9177, det sfäriska skalets inre radie Ri=33,48 mm, tjockleken på det sfäriska skalet=3,00 mm, för att underlätta beräkning, ritning och bearbetning avrundas den inre radien av det sfäriska skalet Ri till 33 mm. Ro är 36 mm.

 

4.3 Kontrollera att spänningen motstår

Efter att ha erhållit storleksdata för det tryckbeständiga sfäriska skalet, för att säkerställa att det kan uppfylla de tryckbeständiga kraven, kontrolleras den tryckbeständiga prestandan, och de två fallen av hållfasthetsbrott och stabilitetsfel beaktas huvudsakligen.

 

4.3.1 Styrka misslyckande

Det kan ses från tabell 1 att den tillåtna spänningen för aluminiumlegeringen som används för det sfäriska skalet är 190 MPa, vilket kombineras med parametrarna för storleken på det sfäriska skalet för att erhålla det tillåtna hållfasthetsbrottet för det sfäriska skalet är 30,4 MPa, vilket är större än 30 MPa, vilket uppfyller tryckkraven.

 

4.3.2 Stabilitetsfel

Poissons förhållande av aluminiumlegering μ=0,33, Youngs modul E=7,2×1010 Pa och stabilitetssystemet m=14,52. Genom att ersätta materialdata och den sfäriska skalstorleken i ekvationerna (8) och (9), beräknas det kritiska perifera instabilitetstrycket pcr=611,6 MPa och det tillåtna periferiska instabilitetstrycket är 42,1 MPa, vilket är större än 30 MPa, vilket uppfyller tryckkraven. Det kan ses att vektorhydrofonens tryckbeständiga sfäriska skal kan motstå det externa hydrostatiska trycket på 30 MPa. Och det tillåtna trycket för periferiell instabilitet är större än det tillåtna trycket för hållfasthetsbrott. Om trycket fortsätter att öka utanför det sfäriska skalet kommer styrkaeffekten att inträffa först.

 

4.4 Teknisk design av vektorhydrofontryckskal

Efter att ha bestämt grunddata såsom material, yttre radie och tjocklek av det tryckbeständiga sfäriska skalet på vektorhydrofonen, kan den detaljerade designen av vektorhydrofonskalet utföras. Den här uppsatsen använder 3D-modelleringsmjukvaran för att utföra hjälpdesignen av den stora sfäriska samvibrationsvektorhydrofonen. Tvärsnittsvyn av vektorhydrofonstrukturen visas i figur 1.