Diseño óptimo de la carcasa esférica del hidrófono del vector de vibración de co-vibración (1)

Resumen: Apuntando al problema de presión estructural de los hidrófonos vectoriales de aguas profundas, se deriva la fórmula de tensión máxima de la cubierta esférica de presión externa y la influencia de los materiales y dimensiones de la covibraciónhidrófono de vector esféricoEn su rendimiento acústico y el rendimiento de la presión se analiza aquí. En base a esto, se proporciona un método de diseño de carcasa esférica resistente a la presión de paredes delgadas de densidad delgada mínima. Se estudian los materiales típicos de ingeniería de aguas profundas, se selecciona el material de aleación de aluminio y se produce un hidrófono vectorial esférico de vibración con una profundidad de resistencia a la presión diseñada de 3000m. La estructura resistente a la presión del hidrófono se simuló por el método de elementos finitos, y se probó su sensibilidad, directividad y capacidad resistente a la presión. Los resultados muestran que el hidrófono vectorial tiene una buena directividad de coseno, la sensibilidad es -188 dB a 500 Hz y puede soportar la presión externa de 37.5MPA. Esto verifica el método de diseño y la ingeniería de la carcasa esférica de la presión de paredes delgadas de densidad delgada mínima dada en este documento. La racionalidad y la viabilidad del diseño del prototipo

Introducción

losVector de vibración de co-vibración hidrófonopuede medir la información del vector de velocidad de vibración en el medio de campo de sonido, y un solo hidrófono vectorial puede completar el hallazgo de dirección del objetivo acústico. También tiene las ventajas del pequeño tamaño, el bajo consumo de energía, la alta sensibilidad, la banda de frecuencia moderada y es muy adecuada para la instalación en plataformas no tripuladas submarinas, como planeadores submarinos y boyas de perfil para realizar tareas como la detección de objetivos y el monitoreo de ruido ambiental marino. En la actualidad, con el desarrollo de la tecnología resistente a la presión, la profundidad de trabajo de varias plataformas no tripuladas submarinas está aumentando, lo que presenta requisitos más altos para la capacidad resistente a la presión de los hidrófonos vectoriales. Estados Unidos, Rusia y otros países han desarrollado hidrófonos vectoriales con una profundidad de trabajo de 5000 ~ 6000 m. A nivel nacional, todavía está en la etapa inicial de la investigación. El hidrófono vectorial con una profundidad de resistencia a la presión de 1000 m se realizó utilizando resina epoxi y material compuesto de microperte de vidrio para macetas y relleno de aceite de carcasa de metal. La sensibilidad y la directividad del hidrófono no son satisfactorias; El esquema de carcasa de doble capa de la cubierta compuesta externa y la carcasa de aleación de aluminio interna se usa para diseñar un hidrófono vectorial con una profundidad de resistencia a la presión de 2000 m. Debido a su gran tamaño, su alto límite de frecuencia superior es de solo 1000 Hz; El hidrófono de vector de vibración compuesto resistente a la presión fue diseñado y fabricado con una carcasa de metal cubierta con una carcasa de poliuretano. Prueba de buceo, la profundidad de buceo máxima es de 1200 m. El diseño de un diseño de carcasa delgada de aleación de aluminio en forma de cápsula se da cuenta de un hidrófono vectorial de vibración con una resistencia a la presión de 20 MPa. En este artículo, la teoría relevante del diseño de los vasos a presión se aplica al diseño de un hidrófono de vector de gran profundidad, y una capa esférica de pared delgada de una sola capa hecha de materiales de metal de alta resistencia se usa directamente como la cubierta resistente del vector del vector hidrófono. El proceso de este esquema es relativamente simple y puede alcanzar una gran profundidad de voltaje de resistencia. En este esquema, cómo seleccionar el material de la carcasa esférica y diseñar el tamaño de la carcasa esférica para que el rendimiento acústico del hidrófono vector de la cubierta esférica de presión del hidrófono vectorial.

1 Factores de influencia del rendimiento acústico del hidrófono vectorial esférico vibrante

Cuando la co-vibraciónHidrófono vectorial de baja frecuenciaFunciona en el campo de sonido submarino, vibrará bajo la acción del campo de sonido. Establezca su velocidad de vibración en v. Además, establezca la posición del centro geométrico hidrófono original cuando el hidrófono no se coloca en el campo de sonido. Si la velocidad de vibración de la partícula media es V0, la condición previa de la siguiente relación (3) puede expresarse como la frecuencia de la onda de sonido FC 2πR. Se puede ver en la ecuación (3) que cuando el límite superior de la frecuencia de trabajo del hidrófono vector esférico co-ascilador es mucho más pequeño que OC 2πR, cuanto menor es la densidad promedio del hidrófono, menor es la amplitud de la velocidad de vibración V y la vibración del punto de calidad del agua en el campo de sonido. Cuanto mayor sea el valor absoluto de la relación de amplitud de velocidad, mayor es la sensibilidad de la velocidad de vibración hidrófona y la diferencia de fase entre la velocidad de vibración hidrófona y la velocidad de vibración del punto de calidad del agua se acerca a cero. Dado que el hidrófono del vector de vibración de co-vibración también está equipado con sensores de recogida de vibración, circuitos de acondicionamiento de señal y otras estructuras adicionales, es difícil darse cuenta de que la VR de densidad promedio del hidrófono vectorial es menor que la densidadρ0 de agua. La ingeniería generalmente persigue que la densidad promedio del hidrófono está cerca de la densidad del medio de agua. En este momento, el hidrófono puede recoger la velocidad de vibración del punto de calidad del agua en el campo de sonido aproximadamente 1: 1, y el límite superior de la frecuencia de trabajo del hidrófono puede ser el agua vectorial de la misma vibración. El rendimiento acústico del oyente incluye principalmente sensibilidad, directividad y banda de frecuencia de trabajo. Cuando la sensibilidad del sensor de recogida de vibración interna es constante, la sensibilidad del hidrófono está determinada por su densidad promedio. Cuanto menor sea la densidad promedio, mayor es la sensibilidad del hidrófono. La directividad de un hidrófono está determinada principalmente por la sensibilidad lateral del sensor de recogida de vibración interna. La forma del hidrófono también afectará la directividad. Cuanto más cerca esté el hidrófono a una forma esférica estándar, menos interferencia tendrá en la directividad. Dado que el límite de frecuencia superior del sensor de recolección de vibración interna es generalmente alto, el límite superior de la banda de frecuencia de trabajo del hidrófono generalmente está determinado por el radio exterior RO del hidrófono. Cuanto más pequeño sea el radio exterior, mayor es el límite superior de la frecuencia de trabajo del hidrófono. Por lo tanto, al diseñar la cubierta esférica resistente a la presión del hidrófono del vector de vibración de co-vibración, para maximizar el rendimiento acústico del hidrófono, es necesario hacer que la densidad promedio r de la cubierta esférica sea lo más pequeña posible bajo la premisa de satisfacer el rendimiento resistente a la presión. Al mismo tiempo, haga que el radio exterior sea lo más pequeño posible. El límite de frecuencia superior del hidrófono del vector esférico co-vibrante requiere cuanto más pequeño sea el radio exterior, mejor; La sensibilidad del hidrófono del vector esférico co-vibrante requiere cuanto menor sea la densidad promedio, mejor; Cuanto más pequeño es el radio exterior cuando el material y el grosor no cambian, la densidad promedio aumenta en cambio, lo cual es una contradicción. El rendimiento de presión del hidrófono vectorial vibrante co-vibrante requiere cuanto más pequeño sea el radio exterior, mayor es el grosor y cuanto mayor sea la resistencia del material, mejor. Cuanto más pequeño sea el radio exterior y mayor es el grosor, mayor es la densidad promedio, que también es una contradicción. La resistencia a la presión y el rendimiento acústico del hidrófono del vector esférico co-vibrante requieren que el diseño de su carcasa esférica sea lo más pequeña posible (alta sensibilidad) y el radio exterior lo más pequeño posible (límite superior de alta frecuencia) en la premisa de alcanzar la premisa de alcanzar la premisa de alcanzar la premisa de alcanzar la premisa de alcanzar Requisitos de resistencia a la presión), estas restricciones se restringen entre sí. Lo siguiente estudiará la relación entre el material, el radio exterior y el grosor de la cubierta esférica del hidrófono del vector esférico co-vibrante y su resistencia a la presión, sensibilidad y límite superior de alta frecuencia, para encontrar el vector con el mejor rendimiento acústico debajo de debajo de La premisa de satisfacer el rendimiento de la presión. El esquema de diseño de la cubierta esférica resistente a la presión del hidrófono.

2 Análisis de falla de la carcasa esférica de paredes delgadas bajo presión externa

Cuando el hidrófono del vector esférico co-vibrante funciona normalmente bajo el agua, su carcasa esférica resistente a la presión está sujeta a presión hidrostática externa. Es un recipiente a presión externo. Sin considerar la falla de la corrosión, hay dos modos de falla principales: falla de resistencia y falla de estabilidad.

2.1 Falla de fuerza

La falla de la resistencia significa que cuando la tensión máxima de un material en un recipiente a presión excede su punto de rendimiento, el material cambia de deformación elástica a deformación plástica, lo que resulta en una deformación o fractura irreversible. De acuerdo con la teoría máxima del estrés principal y el criterio de falla elástica, si la cubierta esférica de la presión externa no tiene falla de resistencia, el estrés máximo t debe ser menor o igual que la falla de resistencia permitida el estrés permitido del material utilizado en la cubierta esférica. En el campo del diseño del recipiente a presión, las personas usan la fórmula de estrés máximo al diseñar capas esféricas de presión externa. Esta fórmula es una fórmula resumida de experiencia en ingeniería. El cálculo es simple, pero el requisito previo para su establecimiento es que la cubierta esférica es una carcasa de paredes delgadas, es decir, se requiere RO/RI.≤1.35, donde RO es el radio exterior de la cubierta esférica y RI es el radio interno. La solución obtenida utilizando esta fórmula pertenece a la solución óptima local. Por lo tanto, la tensión máxima de la carcasa esférica de presión externa se vuelve a derivarse. Sea P la presión externa sobre la carcasa esférica yδser el grosor de la cubierta esférica. De acuerdo con la teoría sin momento de la cubierta giratoria, la tensión radial dentro de la cubierta esférica de paredes delgadas bajo presión externa es muy pequeña, y solo la tensión de compresión axial TZZ y la tensión de compresión circunferencial tθθson considerados. Dado que la forma geométrica de la cubierta esférica es simétrica con respecto al centro de la esfera, la tensión de compresión axial y la tensión de compresión circunferencial son iguales en valor. En la sección que pasa por el centro de la esfera, la fuerza resultante de la presión externa p en la sección de la cubierta esférica es fs = PπRO2, y el área de sección transversal deel material de la carcasa ss =π(RO2-RI2), entonces el TZZ y Tθθde la presión esférica de la presión externa son la cubierta esférica, la falla de resistencia máxima permitida presión externa PI debe cumplir

2.2 Falla de estabilidad

La falla de estabilidad se refiere a la falla del recipiente a presión de un estado de equilibrio estable a un estado inestable bajo la acción de una carga externa, y de repente pierde su forma geométrica original. Cuando el grosor de la cubierta esférica es muy delgada, la falla de inestabilidad a menudo ocurre antes de la falla de la resistencia. Para una cubierta esférica de pared delgada bajo presión externa, la fórmula de cálculo de la PCR de presión de pandeo crítica se deriva de la teoría de la pequeña deformación, donde E es el módulo de jóvenes del material de la carcasa esférica y es la relación del material del Poisson. El cálculo de la pequeña fórmula de presión crítica teórica de deformación es relativamente simple, pero el error es relativamente grande, lo que puede ser compensado por un factor de seguridad mayor m. GB 150.3 estipula M = 14.52. Luego, se debe satisfacer la presión externa máxima permitida para la falla de estabilidad de la cubierta esférica de paredes delgadas.

3 Diseño de optimización de la carcasa esférica resistente a la presión del hidrófono vectorial

La carcasa esférica resistente a la presión deltransductor de hidrófono vectorialno falla y necesita cumplir con la presión externa máxima permitida P = min (PI, PS). Además de los parámetros del material en sí, la presión externa máxima permitida P de la cubierta esférica solo está relacionada con RI/RO. Defina una variable x = ri/ro. Es fácil saber que X es la relación del radio interno y externo de la cubierta esférica, x∈ (0,1), esta variable es adimensional, cuanto más grande es x, más delgada es la cubierta esférica. Después de la tensión permitida t de un material dado y la presión externa máxima permitida P de la cubierta esférica, el valor máximo de x que la cubierta esférica cumple con los requisitos de resistencia, que se registra como Xi. Del mismo modo, el módulo de Young, después de la relación de Poisson, μ y la presión externa máxima permitida P de la carcasa esférica, el valor máximo de X de que la cubierta esférica cumple con los requisitos de estabilidad se puede obtener de acuerdo con la fórmula, que se registra como XS . El hidrófono del vector esférico co-vibrante puede soportar agua estática externa La función de la presión P sin falla, y se requiere la cubierta esférica resistente a la presión para cumplir con las condiciones de falla de resistencia y falla de estabilidad al mismo tiempo, y el valor máximo de X que cumple con los requisitos al mismo tiempo es x = min x, x (12) Xmax se determina más adelante, la densidad promedio mínima de la cubierta esférica se puede obtener más. Es fácil saber que el volumen del material de la carcasa esférica es VC = 4π (RO3-RI3)/3. La masa de la cubierta esférica MC = ρvc, donde ρ es la densidad del material de la carcasa esférica. El volumen de agua descargado por la cubierta esférica es VS = 4πro3/3. Entonces la densidad promedio de la cubierta esférica r es ρ es la densidad del material, que es una constante positiva; El término (1-x3) x∈ (0,1) es siempre un valor positivo y disminuye monótonamente. La densidad promedio mínima de la carcasa esférica que cumple con los requisitos de presión. Por lo tanto, para obtener el diseño óptimo de la carcasa esférica resistente a la presión del hidrófono del vector de vibración de co-vibración, en primer lugar, los requisitos de presión P y las propiedades del material deben sustituirse en la fórmula para calcular XMAX; Sustituir Xmax en la fórmula puede obtener la densidad promedio mínima de la cubierta esférica que cumple con los requisitos de presión. Suponiendo la masa total del sensor de recolección de vibración, el circuito de acondicionamiento de señal y otras estructuras adicionales dentro del hidrófono del vector de vibración de co-vibración, el valor mínimo de la densidad promedio del hidrófono es un cierto valor; En el caso de que el material de la carcasa esférica y el requisito de resistencia a la presión P se determinan a continuación, también es un valor definido. Para el hidrófono vectorial, Ro determina el límite superior Fmax de la frecuencia de trabajo del hidrófono vectorial. Se selecciona el límite superior de la frecuencia de trabajo del hidrófono del vector y se determina el radio exterior de la cubierta esférica del hidrófono del vector. Luego, se puede obtener la densidad promedio mínima del hidrófono, y se puede obtener la sensibilidad de la velocidad de vibración del hidrófono vectorial. Del mismo modo, si se selecciona la sensibilidad de la velocidad de vibración del hidrófono del vector, la densidad promedio del hidrófono se puede obtener de acuerdo con la ecuación (3), y el radio exterior de la cubierta esférica del hidrófono en este momento se puede obtener, y la El vector se puede obtener el límite superior de la frecuencia de trabajo del hidrófono. A través de los pasos anteriores, podemos encontrar el material más adecuado y la solución teórica óptima de los parámetros de tamaño, como el radio exterior y el grosor de la cubierta esférica resistente a la presión. Y según los datos de tamaño básico de la carcasa esférica resistente a la presión, se lleva a cabo el siguiente diseño detallado. Una vez que se completa el diseño, el software de simulación de elementos finitos se utiliza para realizar el análisis de distribución de estrés y el análisis de pandeo de la carcasa resistente a la presión diseñada para garantizar que la cubierta no tenga falla de resistencia y falla de estabilidad bajo la presión de diseño.

4 Ejemplo de diseño de carcasa esférica resistente a la presión del hidrófono vectorial

En la actualidad, la profundidad de trabajo de los planeadores submarinos domésticos, las boyas de perfil y otras plataformas no tripuladas submarinas ha alcanzado el nivel de 2000 m. Para proporcionar un cierto margen de seguridad, la profundidad de resistencia a la presión de diseño del hidrófono se establece en 3000 m, es decir, p = 30 MPa.

4.1 Optimización del material de la carcasa

Primero, debemos seleccionar el mejor material de metal para la carcasa esférica resistente a la presión del hidrófono vectorial de vibración de co-vibración. La Tabla 1 enumera las propiedades mecánicas de varios materiales de ingeniería de aguas profundas comúnmente utilizadas como 304, acero inoxidable 316L, 6061T6, aleación de aluminio 7075T6, aleación de titanio TC4 y latón H90. Puede haber ligeras diferencias en los valores relevantes de los materiales). Sustituir los requisitos de presión P y las propiedades de varios materiales en la Tabla 1 en la fórmula se pueden utilizar para obtener estos materiales de ingeniería que cumplan con los requisitos de resistencia de XI, los requisitos de estabilidad de XS y ambos Xmax; Sustituya el Xmax obtenido en la fórmula, la densidad promedio mínima que se puede lograr mediante una carcasa esférica hecha de cada material que cumpla con los requisitos de presión se puede obtener. Si un cierto material cumple con los requisitos de resistencia Xi es menor que los requisitos de estabilidad XS, entonces el material se convierte en una pelota que cumple con los requisitos de resistencia en el caso de un caparazón, su estabilidad es excedente; Del mismo modo, si el XI de cierto material es mayor que XS, cuando el material se convierte en una cubierta esférica que cumple con los requisitos de estabilidad, su fuerza es excedente. Cuanto más cerca están los valores de Xi y Xs, más equilibrado es la fuerza y ​​la estabilidad de la cubierta esférica hecha de este material. Entre los varios materiales que se muestran en la Tabla 2, Xi de la aleación de titanio TC4 es mayor que XS, lo que indica que la resistencia de la carcasa esférica hecha de este material es excedente cuando cumple con los requisitos de estabilidad. Excepto para TC4, el XI de los materiales restantes es todos más pequeños que XS, lo que indica que la estabilidad de la carcasa esférica hecha de estos materiales es excedente al cumplir con los requisitos de resistencia. Entre los materiales en la Tabla 2, XI y XS de la aleación de aluminio 7075T6 y la aleación de titanio TC4 están relativamente cercanos, lo que indica que la resistencia y la estabilidad de la cubierta esférica hecha de estos dos materiales son relativamente equilibradas. Se puede ver en la Tabla 2 que bajo la premisa de cumplir con la resistencia a la presión de 30 MPa, entre los varios materiales de ingeniería de uso común en la tabla, la densidad promedio de la carcasa esférica hecha de aleación de aluminio y aleación de titanio TC4 puede lograr un densidad cercana o inferior a la del agua, que es consistente con los requisitos de diseño del hidrófono vectorial esférico vibrante. Entre ellos, el material de aleación de titanio TC4 tiene el XMax más grande, es decir, la carcasa esférica resistente a la presión más delgada hecha de este material. La carcasa esférica resistente a la presión hecha de material 7075T6 puede lograr la densidad promedio más pequeña, dejando el mayor margen de masa para otras estructuras internas. Además, la aleación de aluminio tiene mayores ventajas que la aleación de titanio TC4 en términos de costo de material y costo de procesamiento. Por lo tanto, la aleación de aluminio es el mejor material para hacer capas esféricas resistentes a la presión hidrófona vectorial.

4.2 Diseño de tamaño de carcasa esférica resistente a la presión

El material de aleación de aluminio se selecciona para hacer una cubierta esférica hidrófona con una resistencia a la presión de 30 MPa, y la densidad promedio mínima de la cubierta esférica que cumple con los requisitos de presión es 0.64 × 103 kg/m3, y x = 0.9177 en este momento. Si la sensibilidad de la velocidad de vibración del hidrófono vectorial | V/V0 | se permite a 0.8, el diseño real de la carcasa esférica hidrófona debe diseñarse en dos mitades para facilitar la instalación de componentes internos. Se supone que las dos cáscaras hemisféricas del hidrófono se ensamblan la masa adicional del hidrófono medido, el acelerómetro, el soporte de montaje, el circuito de acondicionamiento de la señal y la cámara penetrante de la luz utilizada en el hidrófono real tienen una suma de masa de 99.5 g , entonces la suma de la masa adicional me = 149.5 g. Se obtiene el radio exterior RO = 36.48 mm de la cubierta esférica del hidrófono. X = ri/ro = 0.9177, el radio interno de la cubierta esférica RI = 33.48 mm, el grosor de la carcasa esférica = 3.00 mm, para la conveniencia del cálculo, el dibujo y el procesamiento, el radio interno de la carcasa esférica RI redondeada Hasta 33 mm, el radio exterior RO es de 36 mm.

4.3 Verificación del rendimiento de voltaje de resistencia

Después de obtener los datos de tamaño de la carcasa esférica resistente a la presión, para garantizar que pueda cumplir con los requisitos resistentes a la presión, el rendimiento resistente a la presión se verifica y se consideran principalmente los dos casos de falla de resistencia y falla de estabilidad.

4.3.1 Falla de fuerza

Se puede ver en la Tabla 1 que la tensión permitida de la aleación de aluminio utilizada para la cubierta esférica es de 190 MPa, que se combina con los parámetros del tamaño de la cubierta esférica para obtener la falla de resistencia permitida que la presión de la carcasa esférica es de 30.4 MPa, que es mayor de 30 MPa, que cumple con los requisitos de presión.

4.3.2 Falla de estabilidad

La relación del Poisson de aleación de aluminio μ = 0.33, el módulo de Young E = 7.2 × 1010 PA, y el sistema de estabilidad M = 14.52. Sustituyendo los datos del material y el tamaño de la cubierta esférica en las ecuaciones (8) y (9), la presión de inestabilidad circunferencial crítica PCR = 611.6 MPa se calcula, y la presión de inestabilidad circunferencial permitida es de 42.1 MPa, que es mayor que 30 MPa, que cumple los requisitos de presión. Se puede ver que la cubierta esférica resistente a la presión del hidrófono del vector puede soportar la presión hidrostática externa de 30 MPa. Y la presión permitida para la inestabilidad circunferencial es mayor que la presión permitida para la falla de la resistencia. Si la presión continúa aumentando fuera de la cubierta esférica, el efecto de fuerza ocurrirá primero.

4.4 Diseño de ingeniería de carcasa de presión hidrófono vectorial

Después de determinar los datos básicos, como el material, el radio exterior y el grosor de la cubierta esférica resistente a la presión del hidrófono del vector, se puede llevar al diseño detallado de la cubierta hidrófona vectorial. Este documento utiliza el software de modelado 3D para llevar a cabo el diseño auxiliar del hidrófono de vector de vibración esférico de gran profundidad. La vista transversal de la estructura hidrófona del vector se muestra en la Figura 1.