Оптимальная конструкция сферической оболочки векторного гидрофона ко-вибрации (1)

Аннотация: стремление к задаче структурного давления глубоководных векторных гидрофонов, получена максимальная формула напряжения сферической оболочки внешнего давления, а также влияние материалов и размеров совместного вибрацииСферический вектор гидрофонНа его акустическую производительность и производительность давления анализируются здесь. Основываясь на этом, приведен метод проектирования минимальной средней плотности, устойчивой к давлению, дается устойчивая к давлению сферическая оболочка. Типичные глубоководные инженерные материалы изучаются, выбирается материал алюминиевого сплава, и производится сферический векторный гидрофон с помощью сферического гидрофона с разработанной глубиной под давлением 3000 м. Устойчивая к давлению структура гидрофона была моделирована методом конечных элементов, и была проверена его чувствительность, направленность и устойчивая к давлению способность. Результаты показывают, что векторный гидрофон обладает хорошей направленностью косинуса, чувствительность составляет -188 дБ при 500 Гц, и он может противостоять внешнему давлению 37,5 МПа. Это проверяет метод проектирования и инженерию минимальной средней плотности, устойчивой к давлению, сферической оболочки, приведенной в этой статье. Рациональность и осуществимость дизайна прототипа

Введение

Авектор-вибрация гидрофонможет измерить информацию вектора скорости вибрации в среде звукового поля, а один векторный гидрофон может завершить обнаружение направления акустической мишени. Он также имеет преимущества небольшого размера, низкого энергопотребления, высокой чувствительности, умеренной полосы частот и очень подходит для установки на подводных беспилотных платформах, таких как подводные планеры и профильные буи, для выполнения таких задач, как определение целей и мониторинг морского шума окружающей среды. В настоящее время, с разработкой устойчивой к давлению технологии, увеличивается глубина работы различных подводных беспилотных платформ, что продвигает более высокие требования для устойчивых к давлению способности векторных гидрофонов. Соединенные Штаты, Россия и другие страны разработали векторные гидрофоны с глубиной рабочих 5000 ~ 6000 м. Внутренне он все еще находится на начальном этапе исследования. Векторный гидрофон с глубиной устойчивости к давлению 1000 м был изготовлен с использованием эпоксидного смолы и стеклянного композитного материала из композитного материала и наполнения металлической оболочки. Чувствительность и направленность гидрофона являются неудовлетворительными; Двойная схема оболочки внешней композитной оболочки и оболочки внутреннего алюминиевого сплава используется для разработки векторного гидрофона с глубиной сопротивления под давлением 2000 м. Из -за своего большого размера, его высокий предел верхней частоты составляет всего 1000 Гц; Устойчивый к давлению гидрофон композитного коэффициента вибрации был спроектирован и изготовлен с металлической оболочкой, покрытой полиуретановой оболочкой. Тест дайвинга, максимальная глубина дайвинга составляет 1200 м. Конструкция конструкции тонкой оболочки алюминиевого сплава в форме капсулы реализует гидрофон вектор-вибрации с сопротивлением давлению 20 МПа. В этой статье соответствующая теория конструкции сосуда давления применяется к конструкции гидрофона с большой глубиной, и однослойная сферическая оболочка из высокопрочных металлов, изготовленная из высокопрочных металлических материалов, непосредственно используется в качестве устойчивой оболочки вектора гидрофон. Процесс этой схемы относительно прост и может достичь большой глубины противостояния напряжения. В этой схеме, как выбрать сферический материал оболочки и спроектировать размер сферической оболочки, чтобы акустические характеристики векторного гидрофона могли быть улучшены как можно больше в предпосылке, что производительность сопротивления давления соответствует требованиям является ключом к дизайну давления сферической оболочки векторного гидрофона.

1 Влияние факторов акустического характеристик совместного вибрации сферического векторного гидрофона

Когда совместно вибрациянизкочастотный вектор гидрофонРаботает в подводном звуковом поле, он будет вибрировать под действием звукового поля. Установите его скорость вибрации на v. Кроме того, установите положение исходного геометрического центра гидрофона, когда гидрофон не помещается в поле звука. Если скорость вибрации средней частицы составляет v0, предварительное условие следующего отношения (3) может быть выражено как частота звуковой волны FC 2πR. Из уравнения (3) видно, что когда верхний предел рабочей частоты ко-массового сферического векторного гидрофона намного меньше, чем OC 2πR, тем меньше средняя плотность гидрофона, тем меньше амплитуда скорости вибрации V и вибрация точки качества воды в поле звука. Чем больше абсолютное значение отношения амплитуды скорости, тем больше чувствительность скорости вибрации гидрофона и разность фаз между скоростью вибрации гидрофона и скоростью вибрации точки качества воды приближается к нулю. Поскольку гидрофон векторной вибрации также оснащен датчиками вибрации, цепями кондиционирования сигнала и другими дополнительными структурами, трудно понять, что средняя плотность VR векторного гидрофона меньше плотностиρ0 воды. Инжинирирование, как правило, следит за тем, что средняя плотность гидрофона близка к плотности воды. В это время гидрофон может увеличить скорость вибрации точки качества воды в звуковом поле приблизительно 1: 1, а верхний предел рабочей частоты гидрофона может быть той же векторной водой. Акустическая производительность слушателя в основном включает в себя чувствительность, направленность и полосу рабочей частоты. Когда чувствительность датчика внутренней вибрации является постоянной, чувствительность гидрофона определяется его средней плотностью. Чем меньше средняя плотность, тем выше чувствительность гидрофона. Направленность гидрофона в основном определяется боковой чувствительностью датчика внутреннего вибрации. Форма гидрофона также повлияет на направления. Чем ближе гидрофон к стандартной сферической форме, тем меньше он помех будет иметь на направленность. Поскольку верхний предел частоты датчика внутреннего вибрации, как правило, высок, верхний предел полосы рабочей частоты гидрофона обычно определяется внешним радиусом RO гидрофона. Чем меньше внешний радиус, тем выше верхний предел рабочей частоты гидрофона. Следовательно, при разработке устойчивой к давлению сферической оболочки гидрофона вектора ко-вибрации, чтобы максимизировать акустические характеристики гидрофона, необходимо сделать среднюю плотность R сферической оболочки максимально небольшой удовлетворение устойчивой к давлению производительности. В то же время, сделайте внешний радиус RO максимально маленьким. Верхняя частота предела ко-вибрационного сферического векторного гидрофона требует меньшего размера внешнего радиуса, тем лучше; Чувствительность сферического векторного гидрофона с помощью сферического вектора требует меньше средней плотности, тем лучше; Чем меньше внешний радиус, когда материал и толщина не изменяются, вместо этого увеличивается средняя плотность, что является противоречием. Производительность давления сферического векторного гидрофона с видамирующим вектором требует меньшего размера внешнего радиуса, тем больше толщины, а чем выше прочность материала, тем лучше. Чем меньше внешний радиус и чем больше толщины, тем больше средняя плотность, что также является противоречием. Сопротивление давления и акустическая производительность ко-вибрационного сферического векторного гидрофона требует, чтобы конструкция его сферической оболочки была максимально небольшой (высокая чувствительность) и внешний радиус максимально небольшим (высокочастотный верхний предел) на предпосылке достижения Требования к сопротивлению давлению), эти ограничения ограничивают друг друга. Следующее будет изучать взаимосвязь между материалом, наружным радиусом и толщиной сферической оболочки сферического векторного гидрофона и его устойчивости к давлению, чувствительности и высокочастотного верхнего предела, чтобы найти вектор с лучшими акустическими характеристиками под предпосылка удовлетворения производительности давления. Проектная схема устойчивой к давлению сферической оболочки гидрофона.

2 Анализ сбоев тонкостенной сферической оболочки под внешним давлением

Когда сферический векторный гидрофон сферический вектор работает нормально под водой, его устойчивая к давлению сферическая оболочка подвергается внешнему гидростатическому давлению. Это внешнее сосуд давления. Без учета сбоя коррозии существует два основных режима отказа: сбой прочности и сбой стабильности.

2.1 Провал прочности

Отказ прочности означает, что когда максимальное напряжение материала в сосуде под давлением превышает его точку выхода, материал изменяется от упругой деформации к пластической деформации, что приводит к необратимой деформации или разрушению. В соответствии с максимальной теорией основного стресса и критерием упругого отказа, если сферическая оболочка внешнего давления не имеет прочности, максимальное напряжение t должно быть меньше или равна допустимому напряжению прочности материала, используемого в сферической оболочке. В области конструкции сосуда давления люди используют формулу максимального напряжения при разработке сферических оболочек внешнего давления. Эта формула является краткой формулой инженерного опыта. Расчет прост, но предпосылка для его установления заключается в том, что сферическая оболочка представляет собой тонкостенную оболочку, то есть требуется RO/RI.≤1.35, где RO является внешним радиусом сферической оболочки, а RI - внутренний радиус. Решение, полученное с использованием этой формулы, принадлежит локальному оптимальному решению. Следовательно, максимальное напряжение сферической оболочки внешнего давления восстанавливается. Пусть p - внешнее давление на сферическую оболочку иδбыть толщиной сферической раковины. В соответствии с безлименной теорией вращающейся оболочки, радиальное напряжение внутри тонкостенной сферической оболочки под внешним давлением очень мало, и только осевое сжимающее напряжение и напряжение сжатия окружности tθθсчитаются. Поскольку геометрическая форма сферической оболочки симметрична относительно центра сферы, осевое напряжение сжатия и напряжение сжатия окружности равны по значению. На разделе, проходящем через центр сферы, результирующая сила внешнего давления P на сечении сферической оболочки составляет fs = pπRO2 и площадь поперечного сеченияМатериал оболочки SS =π(RO2-RI2), так что TZZ и Tθθсферической оболочки внешнего давления является сферической оболочкой.

2.2 Отказ стабильности

Отказ стабильности относится к отказу сосуда давления из стабильного состояния равновесия в нестабильное состояние под действием внешней нагрузки и внезапно теряет свою первоначальную геометрическую форму. Когда толщина сферической оболочки очень тонкая, недостаток нестабильности часто возникает до отказа прочности. Для тонкостенной сферической оболочки под внешним давлением формула расчета критической ПЦР давления в строй получена из теории малой деформации, где E-модуль молодых материалов сферической оболочки и является соотношением Пуассона материала. Расчет теоретической формулы критического давления малой деформации относительно прост, но ошибка относительно большая, что может быть компенсировано большим коэффициентом безопасности M. ГБ 150,3 предусматривает M = 14,52. Тогда максимально допустимое внешнее давление PS для разрушения стабильности тонкостенной сферической оболочки должна быть удовлетворена.

3 Оптимизация конструкции устойчивой к давлению сферической оболочки векторного гидрофона

Устойчивая к давлению сферическая оболочкавектор гидрофонане терпит неудачу и необходимо соответствовать максимально допустимому внешнему давлению p = мин (PI, PS). В дополнение к параметрам самого материала максимально допустимое внешнее давление p сферической оболочки связано только с RI/RO. Определите переменную x = ri/ro. Легко понять, что x - это отношение внутреннего и внешнего радиуса сферической оболочки, x∈ (0,1), эта переменная безразмерная, тем больше x, тем более сферической оболочки. После допустимого напряжения t данного материала и максимально допустимого внешнего давления p сферической оболочки, получает максимальное значение x, которое соответствует сферической оболочке, получает требования к прочности, который регистрируется как xi. Аналогичным образом, модуль Young E, после соотношения Пуассона μ и максимально допустимого внешнего давления p сферической оболочки, максимальное значение x, которое сферическая оболочка соответствует требованиям стабильности, может быть получено в соответствии с формулой, которая регистрируется как xs Анкет Колибляющий сферический вектор гидрофон может противостоять внешней статической воде функцию давления p без сбоя, а устойчивая к давлению сферическая оболочка требуется для удовлетворения условий отсутствия прочности и сбоя стабильности одновременно и максимального значения X, который соответствует требованиям в то же время, составляет x = min x, x (12) xmax определяется позже, минимальная средняя плотность сферической оболочки может быть дополнительно получена. Легко понять, что объем сферической оболочки составляет VC = 4π (RO3-RI3)/3. Масса сферической оболочки MC = ρVC, где ρ - плотность сферического материала оболочки. Объем воды, разряженной сферической оболочкой, составляет vs = 4πro3/3. Тогда средняя плотность сферической оболочки r равен ρ - плотность материала, которая является положительной постоянной; (1-x3) термин x∈ (0,1) всегда является положительным значением и монотонно уменьшается. Минимальная средняя плотность сферической оболочки, которая отвечает требованиям давления. Следовательно, для получения оптимальной конструкции устойчивой к давлению сферической оболочки векторного гидрофона ко-вибрации, во-первых, требования давления P и свойства материала следует заменить в формулу для расчета XMAX; Замена XMax в формулу может получить минимальную среднюю плотность сферической оболочки, которая отвечает требованиям давления. Предполагая общую массу датчика вибрации, схемы кондиционирования сигнала и других дополнительных структур внутри гидрофона коабрации, минимальное значение средней плотности гидрофона является определенным значением; В случае, когда определяются сферическая оболочка и требование сопротивления давления P, это также является определенным значением. Для векторного гидрофона RO определяет верхний предел FMAX рабочей частоты векторного гидрофона. Верхний предел рабочей частоты векторного гидрофона выбирается и определяется внешний радиус сферической оболочки векторного гидрофона. Тогда может быть получена минимальная средняя плотность гидрофона, и может быть получена чувствительность скорости вибрации векторного гидрофона. Точно так же, если выбрана чувствительность скорости вибрации векторного гидрофона, средняя плотность гидрофона может быть получена в соответствии с уравнением (3), а внешний радиус сферической оболочки гидрофона в это время может быть получен и в Вектор может быть получен верхний предел рабочей частоты гидрофона. Через вышеуказанные этапы мы можем найти наиболее подходящий материал и теоретическое оптимальное решение параметров размера, таких как внешний радиус и толщина сферической оболочки устойчивой давления. И на основе данных базового размера сферической оболочки, устойчивой к давлению, выполняется следующий подробный дизайн. После завершения проекта программное обеспечение для моделирования конечных элементов используется для проведения анализа распределения напряжений и анализа выпуклости разработанной устойчивой к давлению оболочки, чтобы гарантировать, что оболочка не имеет сбоя прочности и сбоя стабильности при конструктивном давлении.

4 Пример устойчивой к давлению сферической оболочки векторного гидрофона

В настоящее время рабочая глубина внутренних основных подводных планеров, профильных буев и других подводных беспилотных платформ достигла уровня 2000 млн. Чтобы обеспечить определенный запас безопасности, глубина сопротивления конструкции гидрофона установлена ​​на 3000 м, то есть P = 30 МПа.

4.1 Оптимизация материала оболочки

Во-первых, мы должны выбрать лучший металлический материал для устойчивой к давлению сферической оболочки гидрофона вектора совместной вибрации. В таблице 1 перечислены механические свойства нескольких обычно используемых глубоководных инженерных материалов, таких как 304, 316L из нержавеющей стали, 6061T6, 7075T6 алюминиевого сплава, титановый сплав TC4 и латунь H90. Могут быть небольшие различия в соответствующих значениях материалов). Замена требований давления P и свойства различных материалов в таблице 1 в формулу могут использоваться для получения этих инженерных материалов, которые соответствуют требованиям к прочти XI, требованиям к стабильности XS и оба они XMAX; Замените полученный XMAX в формулу, минимальная средняя плотность, которая может быть достигнута сферической оболочкой, изготовленной из каждого материала, который соответствует требованиям давления. Если определенный материал соответствует требованиям прочности XI меньше, чем требования к стабильности xS, то материал превращается в мяч, который отвечает требованиям прочности в случае оболочки, его стабильность является избытком; Точно так же, если XI определенного материала больше XS, когда материал превращается в сферическую оболочку, которая отвечает требованиям стабильности, его прочность является избыточным. Чем ближе значения XI и XS, тем более сбалансированной прочность и стабильность сферической оболочки, сделанной из этого материала. Среди нескольких материалов, показанных в таблице 2, XI титанового сплава TC4 больше XS, что указывает на то, что прочность сферической оболочки, изготовленной из этого материала, является избыточным, когда он соответствует требованиям стабильности. За исключением TC4, XI оставшихся материалов все меньше XS, что указывает на то, что стабильность сферической оболочки, изготовленной из этих материалов, является избыточным при удовлетворении требований к прочности. Среди материалов в таблице 2 XI и XS 7075T6 алюминиевого сплава и титанового сплава TC4 относительно близки, что указывает на то, что прочность и стабильность сферической оболочки, изготовленной из этих двух материалов, относительно сбалансированы. Из таблицы 2 видно, что под примером встречи с сопротивлением давлению 30 МПа, среди нескольких обычно используемых инженерных материалов, перечисленных в таблице, средняя плотность сферической оболочки, изготовленной из алюминиевого сплава и титанового сплава TC4 Плотность, близкая или меньше, чем у воды, что согласуется с требованиями конструкции ко-вибратного сферического векторного гидрофона. Среди них материал титанового сплава TC4 имеет самый большой XMax, то есть самая тонкая сферическая оболочка, изготовленная из этого материала. Устойчивая к давлению сферическая оболочка, изготовленная из материала 7075T6, может достичь наименьшей средней плотности, оставляя наибольшую массовую маржу для других внутренних структур. Кроме того, алюминиевый сплав имеет большие преимущества, чем титановый сплав TC4 с точки зрения затрат на материалы и стоимости обработки. Следовательно, алюминиевый сплав является лучшим материалом для изготовления векторных гидрофоновых сферических оболочек.

4.2 Размер конструкции сферической оболочки устойчивой к давлению

Материал алюминиевого сплава выбирается для изготовления гидрофона сферической оболочки с сопротивлением давлению 30 МПа, а минимальная средняя плотность сферической оболочки, которая соответствует требованиям давления, составляет 0,64 × 103 кг/м3 и x = 0,9177 в настоящее время. Если чувствительность скорости вибрации векторного гидрофона | V/V0 | разрешено до 0,8, фактическая конструкция гидрофоновой сферической оболочки должна быть разработана в двух половинках, чтобы облегчить установку внутренних компонентов. Предполагается, что две полусферические оболочки гидрофона собирают дополнительную массу измеренного гидрофона, акселерометр, монтажный кронштейн, кондиционирование сигнала и водонепроницаемая камера, используемая в фактической гидрофоне, имеет массовую сумму 99,5 г. , поэтому сумма дополнительной массы ME = 149,5 г. Получен внешний радиус Ro = 36,48 мм сферической оболочки гидрофона. X = ri/ro = 0,9177, внутренний радиус сферической оболочки Ri = 33,48 мм, толщина сферической оболочки = 3,00 мм, для удобства расчета, рисования и обработки, внутренний радиус сферической оболочки RI закруглен Вниз до 33 мм, внешний радиус RO составляет 36 мм.

4.3 Проверка производительности противостояния напряжения

После получения размерных данных резистентной датчика сферической оболочки, чтобы гарантировать, что она может соответствовать требованиям, устойчивым к давлению, проверяются устойчивые к давлению производительность, и в основном рассматриваются два случая отказа прочности и устойчивости.

4.3.1 Отказ от силы

Из таблицы 1 можно увидеть, что допустимое напряжение алюминиевого сплава, используемого для сферической оболочки, составляет 190 МПа, что в сочетании с параметрами размера сферической оболочки для получения допустимого давления сферической оболочки составляет 30,4 МПа, что больше чем 30 МПа, что соответствует требованиям давления.

4.3.2 Отказ стабильности

Соотношение Пуассона алюминиевого сплава μ = 0,33, модуль Young E = 7,2 × 1010 PA и система стабильности M = 14,52. Заменить данные материала и размер сферической оболочки на уравнения (8) и (9), рассчитывается критическое давление на давление критического нестабильности. требования давления. Можно видеть, что устойчивая к давлению сферическая оболочка векторного гидрофона может противостоять внешнему гидростатическому давлению 30 МПа. И допустимое давление для нестабильности окружности больше, чем допустимое давление для отказа прочности. Если давление продолжает увеличиваться за пределами сферической оболочки, эффект прочности произойдет в первую очередь.

4.4 Инженерный дизайн векторного гидрофона.

После определения основных данных, таких как материал, внешний радиус и толщина сферической оболочки вектора гидрофона вектора, можно провести подробную конструкцию векторной гидрофона. В этой статье используется программное обеспечение для 3D-моделирования для выполнения вспомогательного конструкции большого гидрофона сферического вектора сферической вибрации. Вид поперечного сечения векторной гидрофонной структуры показан на рисунке 1.