Оптимальна конструкція сферичної оболонки співвібраційного векторного гідрофону (1)

Анотація: Для вирішення проблеми структурного тиску глибоководних векторних гідрофонів виведено формулу максимального напруження зовнішнього тиску сферичної оболонки, а також вплив матеріалів і розмірів спільно вібруючих гідрофонів. сферичного векторного гідрофона та тиск. Тут аналізується акустична характеристика На основі цього наведено методику проектування тонкостінної стійкої до тиску сферичної оболонки мінімальної середньої щільності. Вивчаються типові глибоководні інженерні матеріали, вибирається матеріал з алюмінієвого сплаву та виготовляється сферичний векторний гідрофон із співвібрацією з проектною глибиною опору тиску 3000 м. Стійку до тиску структуру гідрофону було змодельовано методом кінцевих елементів, а також перевірено її чутливість, спрямованість і стійкість до тиску. Результати показують, що векторний гідрофон має хорошу косинусну спрямованість, чутливість становить -188 дБ при 500 Гц, і він може витримувати зовнішній тиск 37,5 МПа. Це підтверджує метод проектування та розробку тонкостінної стійкої до тиску сферичної оболонки з мінімальною середньою щільністю, наведеної в цій статті. Раціональність і доцільність розробки прототипу

 

вступ

 

The співвібраційний векторний гідрофон може вимірювати інформацію про вектор швидкості вібрації в середовищі звукового поля, а один векторний гідрофон може завершити пеленгацію акустичної цілі. Він також має такі переваги, як малий розмір, низьке енергоспоживання, висока чутливість, помірна смуга частот, і дуже підходить для встановлення на підводних безпілотних платформах, таких як підводні планери та профільні буї, для виконання таких завдань, як виявлення цілей і моніторинг шуму морського середовища. В даний час з розвитком технології стійкості до тиску робоча глибина різних підводних безпілотних платформ збільшується, що висуває підвищені вимоги до стійкості до тиску здатності векторних гідрофонів. США, Росія та інші країни розробили векторні гідрофони з робочою глибиною 5000-6000 м. Усередині країни він ще знаходиться на початковій стадії дослідження. Векторний гідрофон із стійкістю до тиску на глибині 1000 м був виготовлений з використанням епоксидної смоли та композитного матеріалу зі скляних мікрогранул та масляного наповнення металевої оболонки. Чутливість і спрямованість гідрофона незадовільна; Двошарова схема оболонки із зовнішньої композитної оболонки та внутрішньої оболонки з алюмінієвого сплаву використовується для розробки векторного гідрофону з глибиною опору тиску 2000 м. Завдяки великим розмірам його висока Верхня межа частоти становить лише 1000 Гц; Стійкий до тиску композитний ковібраційний векторний гідрофон був розроблений і виготовлений з металевою оболонкою, покритою поліуретановою оболонкою. Тест на занурення, максимальна глибина занурення 1200 м. Конструкція тонкої оболонки з алюмінієвого сплаву у формі капсули реалізує векторний гідрофон спільної вібрації з опором тиску 20 МПа. У цій статті відповідна теорія конструкції посудини під тиском застосована до конструкції векторного гідрофону великої глибини, а одношарова тонкостінна сферична оболонка, виготовлена ​​з високоміцних металевих матеріалів, безпосередньо використовується як стійка оболонка векторного гідрофону. Процес цієї схеми відносно простий і може досягати великої глибини витримуваної напруги. У цій схемі, як вибрати матеріал сферичної оболонки та спроектувати розмір сферичної оболонки, щоб акустичні характеристики векторного гідрофону можна було покращити настільки, наскільки це можливо, за умови, що характеристики стійкості до тиску відповідають вимогам, є ключем до конструкції сферичної оболонки тиску векторного гідрофону.

 

1 Фактори, що впливають на акустичні характеристики співвібраційного сферичного векторного гідрофону

 

При співвібрації низькочастотний векторний гідрофон працює в підводному звуковому полі, він буде вібрувати під дією звукового поля. Встановіть його швидкість вібрації на v. Крім того, встановіть положення вихідного геометричного центру гідрофона, коли гідрофон не розміщено в звуковому полі. Якщо вібраційна швидкість частинки середовища дорівнює v0, передумова наступного співвідношення (3) може бути виражена як частота звукової хвилі fc 2 π R. З рівняння (3) видно, що коли верхня межа робочої частоти співосцилюючого сферичного векторного гідрофону набагато менша за oc 2 π R, чим менша середня щільність гідрофону, тим менша вібраційна швидкість амплітуда v і вібрація точки якості води в звуковому полі. Чим більше абсолютне значення відношення амплітуди швидкості, тим більша чутливість вібраційної швидкості гідрофону, і різниця фаз між віброшвидкістю гідрофону та віброшвидкістю точки якості води наближається до нуля. Оскільки векторний гідрофон спільної вібрації також оснащений датчиками захоплення вібрації, схемами формування сигналу та іншими додатковими структурами, важко зрозуміти, що середня щільність vr векторного гідрофону менша за щільність ρ 0 води. Техніка взагалі прагне до того, щоб середня щільність гідрофону була близькою до щільності водного середовища. У цей час гідрофон може вловлювати швидкість вібрації точки якості води в звуковому полі приблизно 1:1, а верхньою межею робочої частоти гідрофона може бути той самий вектор вібрації води. Акустичні характеристики слухача в основному включають чутливість, спрямованість і робочу смугу частот. Коли чутливість внутрішнього вібродатчика постійна, чутливість гідрофону визначається його середньою щільністю. Чим менше середня щільність, тим вище чутливість гідрофона. Спрямованість гідрофона в основному визначається бічною чутливістю внутрішнього датчика вібрації. Форма гідрофону також впливає на спрямованість. Чим ближче гідрофон до стандартної сферичної форми, тим менше перешкод він матиме на спрямованість. Оскільки верхня межа частоти внутрішнього датчика вібрації зазвичай висока, верхня межа робочої смуги частот гідрофона зазвичай визначається зовнішнім радіусом Ro гідрофону. Чим менше зовнішній радіус, тим вище верхня межа робочої частоти гідрофона. Таким чином, при проектуванні стійкої до тиску сферичної оболонки гідрофона вектора спільної вібрації, щоб максимізувати акустичні характеристики гідрофону, необхідно зробити середню щільність r сферичної оболонки якомога меншою за умовою задоволення стійкості до тиску. При цьому зробіть зовнішній радіус Ro якомога меншим. Верхня межа частоти співвібраційного сферичного векторного гідрофону вимагає, чим менший зовнішній радіус, тим краще; чутливість співвібраційного сферичного векторного гідрофона вимагає, чим менша середня щільність, тим краще; чим менший зовнішній радіус, коли матеріал і товщина не змінюються, натомість зростає середня щільність, що є суперечністю. Ефективність тиску співвібраційного сферичного векторного гідрофона вимагає, чим менший зовнішній радіус, чим більша товщина, і чим вища міцність матеріалу, тим краще. Чим менше зовнішній радіус і більше товщина, тим більше середня щільність, що також є протиріччям. Стійкість до тиску та акустичні характеристики сферичного векторного гідрофона зі співвібрацією вимагають, щоб конструкція його сферичної оболонки була якомога меншою (висока чутливість) і якомога меншим зовнішнім радіусом (верхня межа високої частоти) за умови досягнення вимог щодо опору тиску), ці обмеження обмежують одне одного. Нижче буде вивчено взаємозв’язок між матеріалом, зовнішнім радіусом і товщиною сферичної оболонки співвібраційного сферичного векторного гідрофону та його стійкістю до тиску, чутливістю та верхньою межею високої частоти, щоб знайти вектор із найкращими акустичними характеристиками за умовою задоволення характеристик тиску. Конструктивна схема стійкої до тиску сферичної оболонки гідрофона.

 

2 Розрахунок руйнування тонкостінної сферичної оболонки під зовнішнім тиском

 

Коли спільний вібраційний сферичний векторний гідрофон працює нормально під водою, його стійка до тиску сферична оболонка піддається зовнішньому гідростатичному тиску. Це зовнішній резервуар під тиском. Без урахування корозійного руйнування існує два основних режими руйнування: порушення міцності та порушення стабільності.

 

2.1 Порушення міцності

Порушення міцності означає, що коли максимальне напруження матеріалу в посудині під тиском перевищує межу текучості, матеріал змінює пружну деформацію на пластичну, що призводить до незворотної деформації або руйнування. Відповідно до теорії максимального головного напруження та критерію пружного руйнування, якщо сферична оболонка зовнішнього тиску не має руйнування міцності, максимальне напруження T має бути менше або дорівнювати допустимій напрузі руйнування міцності матеріалу, який використовується у сферичній оболонці. У сфері проектування посудин під тиском люди використовують формулу максимального напруження при проектуванні зовнішніх сферичних оболонок під тиском. Ця формула є сумарною формулою інженерного досвіду. Розрахунок простий, але необхідною умовою для його встановлення є те, що сферична оболонка є тонкостінною, тобто потрібен Ro/Ri. ≤ 1,35, де Ro – зовнішній радіус сферичної оболонки, а Ri – внутрішній радіус. Розв’язок, отриманий за цією формулою, належить до локального оптимального розв’язку. Таким чином, максимальне напруження зовнішнього тиску сферичної оболонки виводиться повторно. Нехай p — зовнішній тиск на сферичну оболонку, δ — товщина сферичної оболонки. Відповідно до безмоментної теорії оболонки, що обертається, радіальна напруга всередині тонкостінної сферичної оболонки під зовнішнім тиском дуже мала, і θθ . розглядаються лише осьова напруга стиску Tzz і окружна напруга стиску T Оскільки геометрична форма сферичної оболонки симетрична відносно центру кулі, то осьове напруження стиску і окружне напруження стиску рівні. На ділянці, що проходить через центр сфери, результуюча сила зовнішнього тиску p на ділянку сферичної оболонки дорівнює Fs=p π Ro2, а площа поперечного перерізу матеріалу оболонки Ss= π (Ro2-Ri2), тому Tzz і T θθ сферичної оболонки зовнішнього тиску є сферичною оболонкою Максимально допустимий зовнішній тиск pi має відповідати порушенню міцності.

 

2.2 Порушення стабільності

Порушення стабільності означає перехід посудини під тиском зі стабільного рівноважного стану в нестабільний стан під дією зовнішнього навантаження та раптову втрату початкової геометричної форми. Коли товщина сферичної оболонки дуже мала, руйнування нестабільності часто виникає перед руйнуванням міцності. Для тонкостінної сферичної оболонки під зовнішнім тиском формула розрахунку критичного тиску вигинання pcr виводиться з теорії малої деформації, де E — модуль Юнга матеріалу сферичної оболонки, а — коефіцієнт Пуассона матеріалу. Розрахунок теоретичної формули критичного тиску для малої деформації відносно простий, але похибка відносно велика, що може бути компенсовано більшим коефіцієнтом безпеки m. GB 150.3 передбачає m=14,52. Тоді має виконуватися максимально допустимий зовнішній тиск ps для порушення стійкості тонкостінної сферичної оболонки.

 

3 Оптимізаційна конструкція жаростійкої сферичної оболонки векторного гідрофону

 

Стійка до тиску сферична оболонка перетворювач векторного гідрофона не виходить з ладу і повинен відповідати максимально допустимому зовнішньому тиску p=min(pi, ps). На додаток до параметрів самого матеріалу, максимально допустимий зовнішній тиск p сферичної оболонки пов’язаний лише з Ri/Ro. Визначте змінну X=Ri/Ro. Легко дізнатися, що X - це співвідношення внутрішнього та зовнішнього радіусів сферичної оболонки, X∈(0,1), ця змінна безрозмірна, чим більше X, тим тонша сферична оболонка. Після допустимого напруження T даного матеріалу та максимально допустимого зовнішнього тиску p сферичної оболонки отримують максимальне значення X, яке відповідає вимогам міцності сферичної оболонки, яке записується як Xi. Подібним чином, модуль Юнга E, після коефіцієнта Пуассона μ і максимально допустимого зовнішнього тиску p сферичної оболонки, максимальне значення X, яке відповідає вимогам стабільності сферичної оболонки, можна отримати за формулою, яка записується як Xs. Ковібраційний сферичний векторний гідрофон може витримувати зовнішню статичну воду. Функція тиску p без збою, а стійка до тиску сферична оболонка повинна відповідати умовам відсутності втрати міцності та стабільності одночасно, а максимальне значення X, яке одночасно відповідає вимогам, становить X = min X, X (12) Xmax визначається пізніше, мінімальна середня щільність сферичної оболонки може бути додатково отримана. Легко знати, що об’єм матеріалу сферичної оболонки Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Маса сферичної оболонки mc=ρVc, де ρ – щільність матеріалу сферичної оболонки. Об’єм води, що випускається сферичною оболонкою, Vs=4πRo3/3. Тоді середня щільність сферичної оболонки r дорівнює ρ - щільність матеріалу, яка є додатною константою; член (1-X3) X∈(0,1) завжди є додатним значенням і монотонно спадає. Мінімальна середня щільність сферичної оболонки, яка відповідає вимогам тиску. Отже, щоб отримати оптимальну конструкцію стійкої до тиску сферичної оболонки гідрофону вектора спільної вібрації, по-перше, вимоги до тиску p і властивості матеріалу повинні бути підставлені у формулу для розрахунку Xmax; Підставляючи Xmax у формулу, можна отримати мінімальну середню щільність сферичної оболонки, яка відповідає вимогам тиску. Припускаючи загальну масу датчика вібрації, схеми формування сигналу та інших додаткових структур всередині гідрофону вектора спільної вібрації, мінімальне значення середньої щільності гідрофону є певним значенням; у випадку, коли матеріал сферичної оболонки та вимога до опору тиску p визначені нижче, це також певне значення. Для векторного гідрофону Ro визначає верхню межу fmax робочої частоти векторного гідрофону. Вибрано верхню межу робочої частоти векторного гідрофону та визначено зовнішній радіус Ro сферичної оболонки векторного гідрофону. Тоді можна отримати мінімальну середню густину гідрофону та отримати чутливість векторного гідрофону до швидкості вібрації. Подібним чином, якщо вибрано чутливість вектора гідрофона до швидкості вібрації, можна отримати середню щільність гідрофону відповідно до рівняння (3), можна отримати зовнішній радіус сферичної оболонки гідрофону в цей час, а вектор можна отримати верхню межу робочої частоти гідрофону. За допомогою вищезазначених кроків ми можемо знайти найбільш відповідний матеріал і теоретично оптимальне рішення параметрів розміру, таких як зовнішній радіус і товщина стійкої до тиску сферичної оболонки. І на основі базових розмірних даних стійкої до тиску сферичної оболонки виконується наступний детальний проект. Після завершення проектування програмне забезпечення моделювання методом кінцевих елементів використовується для проведення аналізу розподілу напруги та аналізу вигину розробленої стійкої до тиску оболонки, щоб переконатися, що оболонка не має втрати міцності та стабільності під розрахунковим тиском.

 

4 Приклад конструкції стійкої до тиску сферичної оболонки векторного гідрофону

Нині робоча глибина вітчизняних масових підводних планерів, профільних буїв та інших підводних безпілотних платформ досягла рівня 2000 м. Для забезпечення певного запасу міцності розрахункова глибина опору тиску гідрофону встановлена ​​3000 м, тобто p=30 МПа.

 

4.1 Оптимізація матеріалу оболонки

По-перше, ми повинні вибрати найкращий металевий матеріал для стійкої до тиску сферичної оболонки гідрофона вектора спільної вібрації. У таблиці 1 наведено механічні властивості кількох широко використовуваних глибоководних інженерних матеріалів, таких як нержавіюча сталь 304, 316L, алюмінієвий сплав 6061T6, 7075T6, титановий сплав TC4 і латунь H90. Можуть бути невеликі відмінності у відповідних значеннях матеріалів). Підставляючи у формулу вимоги до тиску p і властивості різних матеріалів у таблиці 1, можна отримати ці технічні матеріали, які відповідають вимогам міцності Xi, вимогам стабільності Xs і обом цим Xmax; підставте отримане Xmax у формулу. Можна отримати мінімальну середню густину, яку можна досягти за допомогою сферичної оболонки, виготовленої з кожного матеріалу, який відповідає вимогам тиску. Якщо певний матеріал відповідає вимогам міцності Xi менше, ніж вимогам стабільності Xs, тоді з матеріалу виготовляється куля, яка відповідає вимогам міцності. У випадку оболонки його стабільність надлишкова; аналогічно, якщо Xi певного матеріалу більше, ніж Xs, коли з матеріалу виготовлено сферичну оболонку, яка відповідає вимогам стабільності, його міцність є надлишковою. Чим ближчі значення Xi і Xs, тим збалансованіша міцність і стабільність сферичної оболонки з цього матеріалу. Серед кількох матеріалів, наведених у таблиці 2, Xi титанового сплаву TC4 більше, ніж Xs, що вказує на те, що міцність сферичної оболонки, виготовленої з цього матеріалу, є надлишковою, коли вона відповідає вимогам стабільності. За винятком TC4, Xi інших матеріалів менші за Xs, що вказує на те, що стабільність сферичної оболонки, виготовленої з цих матеріалів, надлишкова при дотриманні вимог до міцності. Серед матеріалів у таблиці 2 Xi і Xs алюмінієвого сплаву 7075T6 і титанового сплаву TC4 відносно близькі, що вказує на те, що міцність і стабільність сферичної оболонки, виготовленої з цих двох матеріалів, відносно збалансовані. З таблиці 2 видно, що за умовою опору тиску 30 МПа серед кількох широко використовуваних конструкційних матеріалів, перелічених у таблиці, середня щільність сферичної оболонки, виготовленої з алюмінієвого сплаву та титанового сплаву TC4, може досягти щільності, близької або меншої, ніж густина води, що відповідає вимогам до конструкції ковібраційного сферичного векторного гідрофону. Серед них титановий сплав TC4 має найбільший Xmax, тобто найтоншу стійку до тиску сферичну оболонку з цього матеріалу. Стійка до тиску сферична оболонка з матеріалу 7075T6 може досягти найменшої середньої щільності, залишаючи найбільший запас маси для інших внутрішніх структур. Крім того, алюмінієвий сплав має більші переваги, ніж титановий сплав TC4, з точки зору вартості матеріалу та вартості обробки. Тому алюмінієвий сплав є найкращим матеріалом для виготовлення стійких до тиску сферичних оболонок векторних гідрофонів.

 

4.2 Розмірна конструкція стійкої до тиску сферичної оболонки

Матеріал алюмінієвого сплаву вибрано для виготовлення сферичної оболонки гідрофону з опором тиску 30 МПа, а мінімальна середня щільність сферичної оболонки, яка відповідає вимогам тиску, становить 0,64×103 кг/м3, а X=0,9177 на даний момент. Якщо чутливість векторного гідрофона до віброшвидкості |v/v0| допускається до 0,8, фактична конструкція сферичної оболонки гідрофону повинна складатися з двох половин для полегшення встановлення внутрішніх компонентів. Передбачається, що дві напівсферичні оболонки гідрофону зібрані. Додаткова маса вимірюваного гідрофону, акселерометра, монтажного кронштейна, схеми формування сигналу та водонепроникної проникаючої камери, що використовується у фактичному гідрофоні, має суму маси 99,5 г, тому сума додаткової маси me=149,5 г. Отримано зовнішній радіус Ro=36,48 мм сферичної оболонки гідрофона. X=Ri/Ro=0,9177, внутрішній радіус сферичної оболонки Ri=33,48 мм, товщина сферичної оболонки=3,00 мм, для зручності розрахунку, креслення та обробки внутрішній радіус сферичної оболонки Ri округлено до 33 мм, зовнішній радіус Ro 36 мм.

 

4.3 Перевірка характеристик витримуваної напруги

Після отримання даних про розмір стійкої до тиску сферичної оболонки, щоб переконатися, що вона може відповідати вимогам до стійкості до тиску, перевіряється стійкість до тиску, і в основному розглядаються два випадки втрати міцності та втрати стабільності.

 

4.3.1 Порушення міцності

З таблиці 1 видно, що допустиме напруження алюмінієвого сплаву, який використовується для сферичної оболонки, становить 190 МПа, яке поєднується з параметрами розміру сферичної оболонки, щоб отримати допустимий тиск міцності руйнування сферичної оболонки, що становить 30,4 МПа, що перевищує 30 МПа, що відповідає вимогам тиску.

 

4.3.2 Порушення стабільності

Коефіцієнт Пуассона алюмінієвого сплаву μ=0,33, модуль Юнга E=7,2×1010 Па, стійкість системи m=14,52. Підставляючи дані про матеріал і розмір сферичної оболонки в рівняння (8) і (9), розраховується критичний тиск нестабільності по окружності pcr=611,6 МПа, а допустимий тиск нестабільності по окружності становить 42,1 МПа, що перевищує 30 МПа, що відповідає вимогам щодо тиску. Видно, що стійка до тиску сферична оболонка векторного гідрофону витримує зовнішній гідростатичний тиск 30 МПа. І допустимий тиск для окружної нестабільності більший, ніж допустимий тиск для втрати міцності. Якщо тиск продовжує зростати за межами сферичної оболонки, ефект міцності відбудеться спочатку.

 

4.4 Технічне проектування напірної оболонки векторного гідрофона

Після визначення основних даних, таких як матеріал, зовнішній радіус і товщина стійкої до тиску сферичної оболонки векторного гідрофону, можна виконати детальний проект оболонки векторного гідрофону. У цьому документі використовується програмне забезпечення для 3D-моделювання для виконання допоміжного проекту сферичного векторного гідрофона з ковібрацією великої глибини. Поперечний розріз структури векторного гідрофону показано на малюнку 1.