Optimal design av sfäriskt skal av samvibrationsvektorhydrofon(2)

Formen på hydrofonen är standard sfärisk form akustisk givare . Hydrofonens sfäriska skal består av övre och nedre halvklot. Den yttre radien för de två halvklotet är 36 mm, väggtjockleken på den nedre halvklotet är 3 mm och väggtjockleken för den övre halvklotet är 4 mm. En O-ring av gummi används för axiell tätning i mitten. För att minimera kvaliteten på den icke-tryckbärande delen av skalet väljs en O-ring av amerikansk standard som är tunnare än den nationella standarden för att minska bredden på O-ringens installationsspår. De övre och nedre halvkloten är fästa med gängorna på det sfäriska skalet, så att det inte finns något behov av att öka monteringspositionen för fästbultarna, och det är också för att göra den icke-tryckbärande delen av skalet så liten som möjligt. Eftersom de övre och nedre halvkloten är fästa med gängor, är inriktningspositionen för de två halvkloten slumpmässig vid åtdragning. Därför är 4 fjäderupphängningshål jämnt fördelade i mitten av den yttre ytan av det sfäriska skalet istället för två symmetriskt fördelade på de två halvsfäriska skalen. Ögla fjäderupphängningshål. Gör den nedre halvklotet lite större och den övre halvklotet lite mindre, så att alla fjäderupphängningshålen i mitten är placerade på den nedre halvklotet. Vibrationsupptagningssensorn använder en treaxlig piezoelektrisk accelerometer. Accelerometern är installerad i mitten av det sfäriska skalet genom en konsol, och signalkonditioneringskretsen är installerad på andra sidan av konsolen. Observera att detta 'centrum' också är beläget i det nedre halvklotformade skalet, så att när de två halvklotarna dras åt, oavsett vinkeln mellan den övre och nedre halvklotet, kommer det inte att påverka accelerometerns inriktning med upphängningshålets riktning. Efter att monteringen är klar bör tyngdpunkten för hela vektorhydrofonen sammanfalla med mitten av det sfäriska skalet akustisk undervattensgivare så mycket som möjligt. Positionen för hydrofonens tyngdpunkt i figur 1 beräknas automatiskt av 3D-modelleringsmjukvaran, och den är placerad vid vektorhydrofonens geometriska centrum. Det svaga området av det designade trycktåliga sfäriska skalet är förbindelsen mellan O-ringsspåret och det sfäriska skalet och öppningen av den genomträngande delen. För anslutningen mellan O-ringsspåret och det sfäriska skalet, lägg till en stor filé för att göra övergången smidig för att minska spänningskoncentrationen. För öppningen av den genomträngande delen, å ena sidan, öka tjockleken på hålväggen för att öka styrkan på hålväggen, å andra sidan, lägg till stora runda hörn vid övergången mellan hålväggen och den inre ytan av det sfäriska skalet, och vid övergången mellan hålväggen och den yttre ytan av det sfäriska skalet. För att kompensera för hållfasthetsminskningsproblemet orsakat av öppningen av det övre halvsfäriska skalet ökades tjockleken av det övre halvsfäriska skalet med 1 mm som helhet. Dessutom har de trycktåliga stålbultarna som används för att dra genom lagret högre hållfasthet, motsvarande solida bultar, och stödjer de gängade hålen.

 

4.5 Prestandasimulering av trycktåligt skal av vektorhydrofon

Det kan ses från figur 1 att det designade tryckbeständiga sfäriska skalet på vektorhydrofonen inte längre är ett idealiskt sfäriskt skal. Den största påverkan på den trycktåliga prestandan är öppningen av ett större gängat hål i den övre halvklotet. Hålets inverkan har ökat tjockleken på den övre halvklotet med 1 mm. Dessa förändringar har inte beräknats teoretiskt. Följande använder metoden för finita elementanalys för att utföra strukturell statisk simulering och egenvärdes-buckling-simulering på den tredimensionella modellen av vektorhydrofonens sfäriska skal för att verifiera om den designade vektorhydrofonen kan motstå ett externt tryck på 30 MPa. Simuleringsmjukvaran för finita element som används är ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Strukturell statisk simulering

Importera den tredimensionella digitala modellen av vektor hydrofon sfäriskt skal i finita element simuleringsmjukvaran, ställ in skalmaterialet till 7075T6 aluminiumlegering och ställ in kontaktläget mellan det övre skalet och pluggen och mellan de övre och nedre skalen för att binda läge , Hexaedermetoden används för att maska ​​modellen, maskstorleken är inställd på en böjningsfunktion och den maximala storleken är inställd på 0,8 mm. Förskjutningarna i x-, y- och z-riktningarna sätts till 0 på den övre ytan av pluggen för att begränsa översättningen av modellen; en cylindrisk ytbegränsning sätts på den yttre cylindriska ytan av pluggen, och den tangentiella riktningen är fixerad för att begränsa modellens rotation och rotation. Axiella och radiella fria; applicera en tryckbelastning på 30 MPa på alla yttre ytor av hydrofonskalet (inklusive den inre ytan av O-ringsspåret), och utför strukturell statisk analys på den. Spänningsintensitetsfördelningen för hydrofonskalet som erhålls genom simulering visas i figur 2. Spänningsintensiteten väljs för analys eftersom det är en ekvivalent spänning baserat på den tredje intensitetsteorin, resultatet är säkrare och den är lämplig för tryckkärlsanalys.

Spänningsintensiteten hos den ringformade utbuktningen som orsakas av O-ringsspåret i mitten av hydrofonskalet (som kan betraktas som en förstyvande ribbring) är liten; spänningsintensitetssimuleringsvärdet för den mellersta delen av de övre och nedre halvsfäriska skalen på hydrofonskalet är det minsta , Dess värde är mindre än 202,7 MPa, här inkluderar inte diskontinuitet och spänningskoncentration, det kan betraktas som den primära totala filmspänningsintensiteten, enligt formel (6), teorin om den primära övergripande filmen för den här spänningen, den största spänningen (det är den huvudsakliga spänningen för den här väggen) Det beräknade värdet är 187,8 MPa, vilket i princip överensstämmer med simuleringsresultaten. Spänningsintensiteten i de flesta områden av den inre ytan av de övre och nedre sfäriska skalen är relativt stor, och dess värde är mindre än 243,2 MPa. Spänningen vid denna punkt tillhör den primära böjspänningen och når gränsen på mindre än 1,5 gånger den tillåtna spänningen. Det finns en ringformad stor spänningszon vid föreningspunkten mellan det nedre halvsfäriska skalet och det centrala ringformade utsprånget, spänningsintensiteten är cirka 324,2 MPa, spänningen här är den primära spänningen plus den sekundära spänningen, och dess värde är mindre än 3 gånger den tillåtna spänningen, vilket uppfyller designkraven. Det finns lokala spänningskoncentrationer på den plats där toppen av det övre halvklotformade skalet är i kontakt med pluggen och några ställen i O-ringens spår. Den maximala spänningen är 405,2 MPa, vilket hör till primärspänningen plus sekundärspänningen plus toppspänningen. Denna spänning kommer inte att påverka Effekten av hållfasthetsbrott påverkar främst utmattningsbrottet i tryckskalet. Därför kan vektorhydrofonens sfäriska skal motstå ett externt tryck på 30 MPa utan hållfasthetsfel.

 

4.5.2 Egenvärdes buckling simulering

Därefter ändras tryckbelastningen på den yttre ytan av hydrofonens sfäriska skalmodell till 1 MPa, och egenvärdesbucklingsanalysen utförs på basis av de strukturella statiska analysresultaten. Den totala deformationen av första ordningens bucklingsläge för hydrofonens sfäriska skal visas i figur 3.

Det kan ses av figur 3 att deformationen huvudsakligen sker i den nedre halvklotet, eftersom ju tunnare det sfäriska skalet är, desto sämre stabilitet. Första ordningens bucklingsbelastningsfaktor är 680,35, så simuleringsvärdet för det kritiska instabilitetstrycket för hydrofonens sfäriska skal är 680,35 MPa, vilket är något högre än det kritiska trycket för periferinstabilitet beräknat med formeln 611,6 MPa. Därför kan vektorhydrofonens sfäriska skal motstå ett externt tryck på 30 MPa utan stabilitetsfel.

 

4.6 Vektorhydrofonproduktion

De övre och nedre halvsfäriska skalen på vektor hydrofonsensor bearbetas av CNC-verktygsmaskiner. Materialet är 7075-T6 aluminiumlegering, och ytan är anodiserad för att bilda en tät oxidskyddsfilm för att förbättra ytans hårdhet och förhindra korrosion av havsvatten. Den färdiga samvibrationssfäriska vektorhydrofonen visas i figur 4. Efter faktisk mätning är dess massa 274,7 g, och dess densitet är 1,40 × 103 kg/m3. Vektorhydrofonens yttre radie är Ro=36 mm, och om man ersätter ekvation (4), stöder storleken på denna hydrofon den övre gränsen för dess arbetsfrekvens fmax=2653 Hz. För enkel användning, runda den övre gränsen för dess arbetsfrekvens till 3000 Hz. Vid denna tidpunkt, kRo=0,45239, densitetsförhållande 0r / r =1,40, ersätter ekvationerna (1) och (2) i ekvationerna (1) och (2) för att få v/v0=0,77, det maximala Fasskillnaden är endast 0,15 ° , vilket uppfyller applikationskraven.

 

5 Vektorhydrofonprestandatest

För att kontrollera om den akustiska prestandan och tryckmotståndet hos den designade och tillverkade samvibrationssfäriska vektorhydrofonen uppfyller kraven, placeras hydrofonproverna i det stående vågröret för känslighets- och riktningstest, och det statiska trycktestet utförs i autoklaven.

 

5.1 Känslighetstest

Känsligheten hos den treaxliga piezoelektriska accelerometern som används i samvibrationen undervattensvektorhydrofon i denna artikel är Ma=2500 mV/g. Vibrationshastighetskänsligheten för en vektorhydrofon uttrycks i allmänhet av den ekvivalenta ljudtryckskänsligheten Mp. Det finns följande omvandlingsförhållande mellan Mp och Ma. Genom att ersätta det faktiska uppmätta värdet av hydrofonens medeldensitet med ekvation (3) kan erhållas | v/v0|=0,7895, genom att ersätta detta värde i ekvation (16), kan förhållandet mellan den teoretiska ekvivalenta ljudtryckskänsligheten för vektorhydrofonen och ljudvågsfrekvensen erhållas, vilket visas av den svarta heldragna linjen i figur 5. Vid 500 Hz är den teoretiska känsligheten för vektorkanalens vektorkanal för vektorhydrofonen -1807 -1807 exklusive förstärkningsfaktorn för hydrofonens inbyggda förförstärkare), vilket ökar känsligheten med 6 dB per oktav. Vibrationshastighetskänsligheten hos vektorhydrofonen testas i ett stående vågrör med hjälp av en jämförelsemetod, och det effektiva frekvensbandet för det stående vågröret är 100~1000 Hz. De uppmätta resultaten av känsligheten för varje kanal i den sfäriska vektorhydrofonen med samvibration visas i figur 5 med de röda stjärnpunkterna. Det kan ses att de uppmätta kurvorna för känsligheten för de tre vektorkanalerna i princip överensstämmer med de teoretiska kurvorna. Känsligheten för X-, Y- och Z-kanalerna vid 500 Hz är -188,9, -188,1 respektive -187,6 dB. Känslighetskonsistensfelet för varje vektorkanal i mätfrekvensbandet överstiger inte 1,2 dB; den minsta kvadratmetoden används för att hitta lutningen anpassad av känslighetskurvan för de tre kanalerna, och den maximala skillnaden mellan känslighetsdata för de tre kanalerna och motsvarande lutning är mindre än 0,8 dB, det vill säga hydrofonens känslighetsnivåinstabilitet är mindre än 0,8 dB; känsligheten ökar med 6 dB per oktav, vilket stämmer överens med den teoretiska trenden.

 

5.2 Riktningstest

 

De tre vektorkanalerna i den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen bör teoretiskt ha cosinusdirektivitet oberoende av frekvens. Rotationsmetoden används för att mäta riktningen hos den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen i det stående vågröret, och vinkelintervallet för rotationstestet är 0,4°. Direktiviteten för X-, Y- och Z-kanalerna vid 100, 500 respektive 1000 Hz testades. Resultaten visar att X-, Y- och Z-kanalerna har god cosinusdirektivitet vid de tre frekvenspunkterna. Direktivitetskurvorna för X-, Y- och Z-kanalerna vid 500 Hz visas i figur 6. Det kan ses att det minsta gropdjupet för X-kanalens direktivitetskurvan är 34,1 dB, och det minsta gropdjupet för Y-kanalens direktivitetskurvan är 29,8 dB. Minsta gropdjup för kanalriktningskurvan är 38,9 dB. Eftersom signalen som genereras av ljudvågen på kanalen som ska mätas när vektorhydrofonen är i den konkava punkten är extremt liten, stannar det roterande systemet inte när testsystemet fungerar, och den mekaniska vibrationen och bruset från det roterande systemet överförs direkt till vektorn genom upphängningsfjädern. På hydrofonen är signalen som genereras på kanalen som ska mätas ofta mycket större än den akustiska signalen, så djupet på gropen som erhålls genom mätningen är mycket grundare än det faktiska värdet. Trots det når det minsta gropdjupet i de tre vektorkanalerna 29,8 dB, vilket kan uppfylla applikationskraven.

 

5.3 Tål spänningstest

Det statiska trycktestet av den samvibrerande sfäriska hydrofonen utfördes i autoklaven. Enligt GB 150.1, för det hydrauliska testet av ett externt tryckkärl, ska 1,25 gånger designtrycket tas som testtryck. Konstruktionstrycket för vektorhydrofonen är 30 MPa, så det maximala trycket för trycktestet är satt till 37,5 MPa. Under testet simulerades tryckläget för hydrofonens glid längs profilen av undervattensglidaren. Först ökades trycket till 37,5 MPa vid konstant hastighet, och trycket upprätthölls i en halvtimme, sedan släpptes trycket långsamt och trycket ökades till 37,5 MPa med konstant hastighet igen, och cykeln upprepades 5 gånger. Det fanns inget plötsligt tryckfall i autoklaven under hela trycksättningsprocessen. Utseendet på de två hydrofonproverna före och efter kompression skadades inte och vikten var densamma. Därefter testades hydrofonens akustiska prestanda på nytt i det stående vågröret. Testresultaten visade att hydrofonen fungerade normalt efter undertryckningen, och dess känslighet och riktning var i princip densamma som före undertryckningen. Det är bevisat att den samvibrerande sfäriska vektorhydrofonen kan motstå 37,5 MPa vattentryck.

 

6 Slutsats

I enlighet med kraven på tryckmotstånd och akustisk prestanda för en vektorhydrofon med stort djup, föreslår denna uppsats en designmetod för det sfäriska skalet med minsta medeldensitetstryck för en samvibrerande sfärisk vektorhydrofon, vilket har en viktig teoretisk vägledande betydelse för teknisk realisering. Analyserade och beräknade typiska djuphavstekniska material, och valde 7075T6 aluminiumlegering som material för vektorhydrofonens tryckbeständiga skal; antog den minsta genomsnittliga densiteten tryckbeständiga sfäriska skaldesignmetoden, genom teoretiska beräkningar och finita elementsimuleringar, för att bestämma styrkan och stabiliteten hos skalet. Utformningen och implementeringen av en stordjup samvibrationsvektorhydrofon har klarat 37,5 MPa vattentryckstestet; vektorhydrofonens yttre dimensioner stödjer den övre gränsen för dess arbetsfrekvens upp till 3000 Hz, och känsligheten är -188 dB@500 Hz, känslighetskonsistensfelet för de tre kanalerna är mindre än 1,2 dB, och känslighetsfluktuationerna är alla mindre än 0,8 dB. Direktiviteten för de tre kanalerna är en idealisk åtta. Vid mekaniskt rotationsljud, den konkava punkten. Djupet är också högre än 29,8 dB.