Оптимальная конструкция сферической оболочки векторного гидрофона ко-вибрации (2)

Форма гидрофона является стандартнойсферическая акустическая датчик формыАнкет Сферическая оболочка гидрофона состоит из верхних и нижних полушарий. Внешний радиус двух полушарий составляет 36 мм, толщина стенки нижнего полушария составляет 3 мм, а толщина стенки верхнего полушария составляет 4 мм. Резиновое уплотнительное кольцо используется для осевого герметизации в середине. Чтобы свести к минимуму качество нежелательной части не давного обеспечения, американского стандартного уплотнительного кольца, более тонкого, чем национальный стандарт, выбирается для уменьшения ширины канавки уплотнительного кольца. Верхние и нижние полушария прикрепляются нитьями на сферической оболочке, так что нет необходимости увеличивать положение установки застежки-болтов, а также сделать невозможную часть оболочки, несущей не давную. возможный. Поскольку верхние и нижние полушария прикрепляются нитьями, положение выравнивания двух полушарий является случайным при сжатии. Следовательно, 4 отверстия для подвески пружины равномерно распределены в центре внешней поверхности сферической оболочки вместо двух симметрично распределенных на двух полусферических оболочках. Петля пружинного отверстия подвески. Сделайте нижнее полушарие немного больше, а верхнее полушарие немного меньше, так что все отверстия для пружинной суспензии в центре расположены в нижнем полушарии. Датчик вибрационного пикапа использует трех осевого пьезоэлектрического акселерометра. Акселерометр установлен в центре сферической оболочки через кронштейн, а схема кондиционирования сигнала установлена ​​на другой стороне кронштейна. Обратите внимание, что этот \"Центр \" также расположен в нижней полусферической оболочке, так что, когда два полушария затянуты, независимо от того, какой угол между верхним и нижним полушариями, это не повлияет на выравнивание акселерометра с помощью Направление отверстия подвески. После завершения сборки центр тяжести всего векторного гидрофона должен совпадать с центром сферической оболочкиподводной акустический датчикнасколько это возможно. Положение центра тяжести гидрофона на рисунке 1 автоматически рассчитывается программным обеспечением для трехмерного моделирования и расположена в геометрическом центре векторного гидрофона. Слабая областьРасширенная сферическая оболочка, устойчивая к давлению,-это связь между канавкой уплотнительного кольца и сферической оболочкой и открытием пронзительной части. Для соединения между канавкой уплотнительного кольца и сферической оболочкой добавьте большой филе, чтобы переход гладкости, чтобы уменьшить концентрацию напряжения. Для отверстия пронзительной части, с одной стороны, увеличить толщину стенки отверстия, чтобы увеличить прочность стенки отверстия, с другой стороны, добавьте большие круглые углы при переходе между стеной отверстия и внутренней поверхностью Сферическая оболочка и при переходе между стенкой отверстия и внешней поверхностью сферической оболочки увеличивают материал, чтобы сгладить переход и уменьшить концентрацию напряжения. Чтобы компенсировать проблему снижения прочности, вызванную отверстием верхней полусферической раковины, толщина верхней полусферической оболочки была увеличена на 1 мм в целом. Кроме того, устойчивые к давлению стальные болты, используемые для маршрутизации через склад, имеют более высокую прочность, эквивалентную твердым болтам и поддерживают резьбовые отверстия.

4.5 Моделирование производительности устойчивой к давлению оболочки векторного гидрофона

Из рисунка 1 видно, что разработанная сферическая оболочка вектора гидрофона векторного гидрофона больше не является идеальной сферической оболочкой. Наибольшее влияние на устойчивые к давлению производительность-это отверстие более широкого резьбового отверстия в верхнем полушарии. Влияние отверстия увеличило толщину верхнего полушария на 1 мм. Эти изменения не были теоретически рассчитаны. В следующем используется метод анализа конечных элементов для выполнения структурного статического моделирования и моделирования стрижки собственных значений на трехмерной модели векторной гидрофона сферической оболочки, чтобы проверить, может ли разработанный вектор-гидрофон противостоять внешнему давлению 30 МПа. Используемое программное обеспечение для моделирования конечных элементов - ANSYS Workbench.

4.5.1 Структурное статическое моделирование

Импортировать трехмерную цифровую модельВектор гидрофон сферическийоболочка в программное обеспечение для моделирования конечных элементов, установите материал оболочки на алюминиевый сплав 7075T6 и установите режим контакта между верхней оболочкой и пробкой и между верхней и нижней оболочками для привязки, метод гексаэдрона используется для сетки модели, Размер сетки устанавливается на функцию изгиба, а максимальный размер устанавливается на 0,8 мм. Смещения в направлениях x, y и z устанавливаются на 0 на верхней поверхности заглушки, чтобы ограничить перевод модели; Цилиндрическое ограничение поверхности устанавливается на внешней цилиндрической поверхности заглушки, а тангенциальное направление прикреплено, чтобы ограничить вращение и вращение модели. Осевая и радиальная свобода; Нанесите нагрузку на давление 30 МПа на все внешние поверхности гидрофонической оболочки (включая внутреннюю поверхность канавки уплотнительного кольца) и выполните структурный статический анализ. Распределение интенсивности напряжения гидрофоновой оболочки, полученная с помощью моделирования, показано на рисунке 2. Интенсивность напряжения выбирается для анализа, поскольку это эквивалентное напряжение, основанное на теории третьей интенсивности, результат безопаснее, и он подходит для анализа сосудов давления Анкет

Интенсивность напряжения кольцевой выпуклости, вызванной канавкой уплотнительного кольца в середине гидрофонической оболочки (которая может рассматриваться как жесткое ребристое кольцо), является небольшим; Значение моделирования интенсивности напряжения средней части верхней и нижней полусферической оболочки гидрофоновой оболочки - это наименьшее, его значение составляет менее 202,7 МПа, здесь не включает в себя разрыв и концентрацию напряжения, его можно рассматривать как основной общей пленки Интенсивность стресса, согласно формуле (6), теория первичного общего пленочного напряжения (то есть максимального основного напряжения) тонкостенной сферической оболочки. Расчетное значение составляет 187,8 МПа, что в основном согласуется с результатами моделирования. Интенсивность напряжения в большинстве областей внутренней поверхности верхней и нижней сферической оболочки относительно большая, а его значение составляет менее 243,2 МПа. Стресс на этой точке относится к первичному стрессу изгиба и соответствует пределу менее чем в 1,5 раза выше допустимого напряжения. Существует кольцевая большая зона стресса на соединении нижней полусферической оболочки и центральной кольцевой выступлении, интенсивность напряжения составляет около 324,2 МПа, напряжение здесь является первичным напряжением плюс вторичное напряжение, а его значение меньше 3 раза превышает больше 3 раза превышает 3 раза больше Допустимый стресс, который соответствует требованиям проектирования. Существуют локальные концентрации напряжения, где верхняя часть верхней полусферической оболочки находится в контакте с пробкой и несколькими местами в канавке уплотнительного кольца. Максимальное напряжение составляет 405,2 МПа, что относится к первичному напряжению плюс вторичное напряжение плюс пиковое напряжение. Этот стресс не повлияет на влияние прочности, в основном влияет на усталостную неудачу раковины давления. Следовательно, сферическая оболочка векторного гидрофона может противостоять внешнему давлению 30 МПа без прочности.

4.5.2 Собственное моделирование изгиба

Затем нагрузка давления на внешней поверхности модели гидрофоновой сферической оболочки изменяется на 1 МПа, а анализ выпуски собственных значений выполняется на основе результатов структурного статического анализа. Общая деформация режима изгибы первого порядка сферической оболочки гидрофона показана на рисунке 3.

Из рисунка 3 видно, что деформация в основном происходит в нижнем полушарии, потому что чем тоньше сферическая оболочка, тем хуже стабильности. Коэффициент нагрузки первого порядка составляет 680,35, поэтому значение моделирования критической нестабильности давления гидрофона сферической оболочки составляет 680,35 МПа, что немного выше, чем критическое давление критического нестабильности окружности, рассчитанное по формуле 611,6 МПа. Следовательно, сферическая оболочка векторного гидрофона может противостоять внешнему давлению 30 МПа без сбоя стабильности.

4.6 Производство вектора гидрофонов

Верхняя и нижняя полусферическая раковинаВектор гидрофона датчикаобрабатываются с помощью машин с ЧПУ. Материал представляет собой алюминиевый сплав 7075-T6, а поверхность анодирована, образуя плотную защитную пленку для улучшения поверхностной твердости и подавления коррозии морской воды. Завершенная сферическая векторная гидрофон с вибрацией показан на рисунке 4. После фактического измерения его масса составляет 274,7 г, а его плотность составляет 1,40×103 кг/м3. Внешний радиус векторного гидрофона составляет Ro = 36 мм, и заменяя в уравнение (4) размер этого гидрофона подтверждает верхний предел его рабочей частоты Fmax = 2653 Гц. Для простоты использования округлите верхний предел его рабочей частоты до 3000 Гц. В это время kro = 0,45239, соотношение плотности 0r / r = 1,40, уравнения замены (1) и (2) в уравнения (1) и (2), чтобы получить v / v0 = 0,77, максимум разница фазы составляет только 0,15.°, который соответствует требованиям заявки.

5 Тест на производительность вектора гидрофона

Чтобы проверить, соответствуют ли акустические характеристики и сопротивления давлению спроектированного и изготовленного сферического векторного векторного гидрофона, а также образцы гидрофонов помещаются в трубку стоячей волны для испытаний на чувствительность и направления, а испытание на статическое давление выполняется в Автоклав.

5.1 Тест на чувствительность

Чувствительность трех осевого пьезоэлектрического акселерометра, используемого в совместной вибрацииПодводный вектор гидрофонВ этой статье MA = 2500 мВ/г. Чувствительность скорости вибрации векторного гидрофона обычно экспрессируется эквивалентным чувствительностью звукового давления свободного поля. Существует следующая взаимосвязь между MP и MA. Заменить фактическое измеренное значение средней плотности гидрофона в уравнение (3) может быть получено | V/V0 | = 0,7895, заменив это значение в уравнение (16), можно получить взаимосвязь между теоретической эквивалентной чувствительностью звукового давления векторного гидрофона и частоты звуковой волны, как показано черной сплошной линией на рисунке 5. 500 Гц, теоретическая чувствительность векторного канала векторного гидрофона составляет -187,4 дБ (0 дБ Re 1V/μPA, исключая коэффициент усиления встроенного предусилителя гидрофона), что увеличивает чувствительность на 6 дБ на октаву. Чувствительность скорости вибрации векторного гидрофона проверяется в трубке стоячей волны с использованием метода сравнения, а эффективная полоса частоты стойкой волновой трубки составляет 100 ~ 1000 Гц. Измеренные результаты чувствительности каждого канала сферического векторного гидрофона ко-вибрации показаны на рисунке 5 с точками красной звезды. Можно видеть, что измеренные кривые чувствительности трех векторных каналов в основном согласуются с теоретическими кривыми. Чувствительность каналов X, Y и Z при 500 Гц составляет -188,9, -188,1 и -187,6 дБ соответственно. Ошибка согласованности чувствительности каждого векторного канала в полосе частоты измерения не превышает 1,2 дБ; Наименьший квадратный метод используется для поиска наклона, установленного кривой чувствительности трех каналов, и максимальная разница между данными чувствительности трех каналов и соответствующим наклоном составляет менее 0,8 дБ, то есть уровень чувствительности уровня чувствительности Гидрофон составляет менее 0,8 дБ; Чувствительность увеличивается на 6 дБ на октаву, что согласуется с теоретической тенденцией.

5.2 Тест направления

Три векторных канала сферического векторного гидрофона с помощью косибрического вектора должны теоретически иметь направленность косинуса не зависящей от частоты. Метод вращения используется для измерения направления ко-вибрационного сферического векторного гидрофона в трубке стоящей волны, а угловой интервал теста на вращение составляет 0,4 °. Направленность каналов X, Y и Z при 100, 500 и 1000 Гц была проверена соответственно. Результаты показывают, что каналы X, Y и Z имеют хорошую направленность косинуса в трех частотных точках. Кривые направленности каналов x, y и z при 500 Гц показаны на рисунке 6. Видно, что минимальная глубина ямы кривой направленности X-канала составляет 34,1 дБ, а минимальная глубина ямы Y- Кривая направления канала составляет 29,8 дБ. Минимальная глубина ямы кривой направленности канала составляет 38,9 дБ. Поскольку сигнал, генерируемый звуковой волной на канале, который должен быть измерен, когда вектор гидрофон находится в вогнутой точке, чрезвычайно невелик, вращающаяся система не останавливается, когда работает испытательная система, а механическая вибрация и шум вращающейся системы непосредственно передаются в вектор через подвесную пружину. На гидрофоне сигнал, генерируемый на канале, который будет измерен, часто намного больше, чем акустический сигнал, поэтому глубина ямы, полученная измерением, намного меньше, чем фактическое значение. Несмотря на это, наименьшая глубина ямы в трех векторных каналах достигает 29,8 дБ, что может соответствовать требованиям применения.

5.3 Проверка напряжения

Статическое испытание на давление сферического гидрофона проводили в автоклаве. Согласно GB 150.1, для гидравлического испытания внешнего сосуда давления в 1,25 раза до конструктивного давления следует рассматривать в качестве испытательного давления. Конструктивное давление векторного гидрофона составляет 30 МПа, поэтому максимальное давление испытания давления устанавливается на 37,5 МПа. Во время теста был смоделирован режим давления гидрофона вдоль профиля подводного планера. Сначала давление увеличивалось до 37,5 МПа с постоянной скоростью, и давление поддерживалось в течение получаса, затем давление медленно высвобождалось, и давление увеличивалось до 37,5 МПа с постоянной скоростью снова, и цикл повторялся 5 раз. В течение всего процесса давления не было внезапного падения давления в течение всего процесса давления. Появление двух образцов гидрофона до и после сжатия не было повреждено, и вес был таким же. Затем акустические характеристики гидрофона были повторно проверены в трубке стоячей волны. Результаты испытаний показали, что гидрофон работал нормально после подавления, а его чувствительность и направленность были в основном такими же, как и до подавления. Доказано, что гидрофон сферического векторного вектора может противостоять давлению воды на 37,5 МПа.

6. Заключение

В соответствии с требованиями сопротивления давления и акустической характеристики гидрофона большой глубины, в этой статье предлагается метод проектирования для минимальной средней плотности сферической оболочки давления плотности сферического сферического векторного гидрофона, который имеет важную теоретическую значимость для инженерной реализации Анкет Проанализированы и рассчитанные типичные глубоководные инженерные материалы и выбрали алюминиевый сплав 7075T6 в качестве материала для устойчивой к давлению оболочки векторного гидрофона; Принят минимальный метод конструкции сферической оболочки с минимальной плотностью, посредством теоретических расчетов и моделирования конечных элементов, чтобы определить прочность и стабильность оболочки. Конструкция и реализация гидрофона вектора коэффициентов большого глубины проходила 37,5 МПа вода тест на давление; Внешние размеры векторного гидрофона подтверждают верхний предел своей рабочей частоты до 3000 Гц, а чувствительность составляет -188 дБ при 500 Гц, ошибка консизионности трех каналов составляет менее 1,2 дБ, а чувствительность -колебания чувствительности все менее 0,8 дБ. Направленность трех каналов является идеальной фигурой восьми. В случае шума механического вращения, вогнутая точка глубина также выше 29,8 дБ.