Diseño óptimo de la carcasa esférica del hidrófono del vector de vibración de co-vibración (2)

La forma del hidrófono es un estándarTransductor acústico de forma esférica. La cubierta esférica del hidrófono está compuesta de hemisferios superiores e inferiores. El radio exterior de los dos hemisferios es de 36 mm, el grosor de la pared del hemisferio inferior es de 3 mm y el grosor de la pared del hemisferio superior es de 4 mm. Se utiliza una junta tórica de goma para el sellado axial en el medio. Para minimizar la calidad de la parte no portadora de presión de la carcasa, una junta tórica estándar estadounidense que es más delgada que el estándar nacional se selecciona para reducir el ancho del surco de instalación de la junta tórica. Los hemisferios superiores e inferiores están sujetos por las hilos en la cubierta esférica, por lo que no es necesario aumentar la posición de instalación de los pernos de fijación, y también es hacer que la parte no portadora de la carcasa de la carcasa posible. Debido a que los hemisferios superiores e inferiores se sujetan con hilos, la posición de alineación de los dos hemisferios es aleatoria al endurecer. Por lo tanto, 4 agujeros de suspensión de resorte se distribuyen uniformemente en el centro de la superficie externa de la cubierta esférica en lugar de dos simétricamente distribuidos en las dos capas hemisféricas. Holte de suspensión de resorte de bucle. Haga que el hemisferio inferior sea un poco más grande y el hemisferio superior un poco más pequeño, de modo que todos los agujeros de suspensión de resorte en el centro se encuentren en el hemisferio inferior. El sensor de recolección de vibración utiliza un acelerómetro piezoeléctrico de tres ejes. El acelerómetro se instala en el centro de la carcasa esférica a través de un soporte, y el circuito de acondicionamiento de la señal se instala en el otro lado del soporte. Tenga en cuenta que este \"Center \" también se encuentra en la cubierta hemisférica inferior, de modo que cuando los dos hemisferios estén apretados, sin importar cuál sea el ángulo entre el hemisferios superior e inferior, no afectará la alineación del acelerómetro con el Dirección del orificio de suspensión. Después de completar el ensamblaje, el centro de gravedad de todo el hidrófono del vector debe coincidir con el centro de la carcasa esféricatransductor acústico submarinocuanto más se pueda. El software de modelado 3D calcula automáticamente la posición del centro de gravedad del hidrófono en la Figura 1, y se encuentra en el centro geométrico del hidrófono vectorial. El área débil deLa cubierta esférica resistente a la presión diseñada es la conexión entre el surco de la junta tórica y la carcasa esférica y la apertura de la parte perforadora. Para la conexión entre la ranura de la junta tórica y la cubierta esférica, agregue un filete grande para que la transición sea suave para reducir la concentración de tensión. Para la apertura de la parte perforadora, por un lado, aumente el grosor de la pared del orificio para aumentar la resistencia de la pared del orificio, por otro lado, agregue grandes esquinas redondas en la transición entre la pared del orificio y la superficie interna de La cubierta esférica, y en la transición entre la pared del orificio y la superficie externa de la cubierta esférica aumenta el material para suavizar la transición y reducir la concentración de tensión. Para compensar el problema de reducción de la resistencia causado por la apertura de la cubierta hemisférica superior, el grosor de la cubierta hemisférica superior aumentó en 1 mm en su conjunto. Además, los pernos de acero resistentes a la presión utilizados para enrutamiento a través del almacén tienen una mayor resistencia, equivalente a los pernos sólidos y soportan los agujeros roscados.

4.5 Simulación de rendimiento de la carcasa resistente a la presión del hidrófono vectorial

Se puede ver en la Figura 1 que la carcasa esférica resistente a la presión diseñada del hidrófono vectorial ya no es una carcasa esférica ideal. El mayor impacto en el rendimiento resistente a la presión es la apertura de un orificio roscado más grande en el hemisferio superior. La influencia del agujero ha aumentado el grosor del hemisferio superior en 1 mm. Estos cambios no se han calculado teóricamente. El siguiente utiliza el método de análisis de elementos finitos para realizar una simulación estática estructural y una simulación de pandeo propio en el modelo tridimensional de la carcasa esférica hidrófona vectorial para verificar si el hidrófono vectorial diseñado puede soportar una presión externa de 30 MPa. El software de simulación de elementos finitos utilizado es Ansys Workbench.

4.5.1 Simulación estática estructural

Importar el modelo digital tridimensional delvector hidrófono esféricoShell en el software de simulación de elementos finitos, configure el material de la carcasa en 7075T6 aleación de aluminio y establezca el modo de contacto entre la carcasa superior y el enchufe y entre las cubiertas superiores e inferiores al modo de enlace, el método hexaedron se usa para combinar el modelo, El tamaño de la malla se establece en una función de flexión, y el tamaño máximo se establece en 0.8 mm. Los desplazamientos en las direcciones X, Y y Z se establecen en 0 en la superficie superior del enchufe para restringir la traducción del modelo; Se coloca una restricción de superficie cilíndrica en la superficie cilíndrica externa del tapón, y la dirección tangencial se fija para limitar la rotación y la rotación del modelo. Axial y libre de radiales; Aplique una carga de presión de 30 MPa en todas las superficies externas de la carcasa de hidrófono (incluida la superficie interna de la ranura de la junta tórica), y realice un análisis estático estructural en ella. La distribución de la intensidad del estrés de la cubierta de hidrófono obtenida por simulación se muestra en la Figura 2. La intensidad del estrés se selecciona para el análisis porque es una tensión equivalente basada en la tercera teoría de la intensidad, el resultado es más seguro y es adecuado para el análisis de los vasos a presión .

La intensidad del estrés del bulto anular causado por el surco de la junta tórica en el medio de la cubierta hidrófona (que puede considerarse como un anillo de costilla de rigidez) es pequeño; El valor de simulación de intensidad del estrés de la parte media de las capas hemisféricas superior e inferior de la cubierta hidrófona es el más pequeño, su valor es inferior a 202.7 MPa, aquí no incluye la discontinuidad y la concentración de estrés, se puede considerar como la película general primaria La intensidad del estrés, según la fórmula (6), la teoría del estrés de la película general primario (es decir, la tensión principal máxima) de la cubierta esférica de paredes delgadas, el valor calculado es 187.8 MPa, que es básicamente consistente con los resultados de la simulación. La intensidad del estrés en la mayoría de las áreas de la superficie interna de las cubiertas esféricas superiores e inferiores es relativamente grande, y su valor es inferior a 243.2 MPa. El estrés en este punto pertenece al estrés de flexión primario y cumple con el límite de menos de 1.5 veces el estrés permitido. Hay una zona de estrés grande anular en la unión de la cubierta hemisférica inferior y la protuberancia anular central, la intensidad del estrés es de aproximadamente 324.2 MPa, el estrés aquí es el estrés primario más el estrés secundario, y su valor es menor de 3 veces el Estrés permitido, que cumple con los requisitos de diseño. Hay concentraciones de tensión locales en el lugar donde la parte superior de la cubierta hemisférica superior está en contacto con el enchufe y algunos lugares en el surco de la junta tórica. El estrés máximo es de 405.2 MPa, que pertenece al estrés primario más el estrés secundario más la tensión máxima. Este estrés no afectará el impacto de la falla de la resistencia, principalmente, la falla de la fatiga del caparazón de presión. Por lo tanto, la cubierta esférica del hidrófono del vector puede soportar una presión externa de 30 MPa sin falla de resistencia.

4.5.2 Simulación de pandeo de valor propio

A continuación, la carga de presión en la superficie externa del modelo de carcasa esférica hidrófona se cambia a 1 MPa, y el análisis de pandeo propio de valor de valor propio se realiza sobre la base de los resultados del análisis estático estructural. La deformación total del modo de pandeo de primer orden del caparazón esférico del hidrófono se muestra en la Figura 3.

Se puede ver en la Figura 3 que la deformación ocurre principalmente en el hemisferio inferior, porque cuanto más delgada es la cubierta esférica, peor es la estabilidad. El factor de carga de pandeo de primer orden es 680.35, por lo que el valor de simulación de la presión de inestabilidad crítica de la carcasa esférica hidrófona es 680.35 MPa, que es ligeramente mayor que la presión crítica de inestabilidad circunferencial calculada por la fórmula de 611.6 MPa. Por lo tanto, la cubierta esférica del hidrófono del vector puede soportar una presión externa de 30 MPa sin falla de estabilidad.

4.6 Producción de hidrófono vectorial

Las conchas hemisféricas superiores e inferiores delsensor de hidrófono vectorialson procesados ​​por CNC Machine Herramientas. El material es una aleación de aluminio 7075-T6, y la superficie está anodizada para formar una película protectora de óxido denso para mejorar la dureza de la superficie e inhibir la corrosión del agua de mar. El hidrófono de vector esférico de covibración completada se muestra en la Figura 4. Después de la medición real, su masa es de 274.7 g, y su densidad es 1.40×103 kg/m3. El radio exterior del hidrófono del vector es RO = 36 mm, y se sustituye en la ecuación (4), el tamaño de este hidrófono admite el límite superior de su frecuencia de trabajo Fmax = 2653 Hz. Para facilitar el uso, redondee el límite superior de su frecuencia de trabajo a 3000 Hz. En este momento, KRO = 0.45239, relación de densidad 0R / R = 1.40, las ecuaciones de sustitución (1) y (2) en las ecuaciones (1) y (2) para obtener V / V0 = 0.77, la diferencia de fase máxima es solo 0.15°, que cumple con los requisitos de solicitud.

5 Prueba de rendimiento del hidrófono vectorial

Para verificar si el rendimiento acústico y la resistencia a la presión del hidrófono de vector esférico de vibración diseñada y fabricada cumplen con los requisitos, las muestras de hidrófono se colocan en el tubo de onda de pie para obtener sensibilidad y pruebas de directividad, y la prueba de presión estática se realiza en el autoclave.

5.1 Prueba de sensibilidad

La sensibilidad del acelerómetro piezoeléctrico de tres ejes utilizado en la vibración co-vibraciónHidrófono vectorial submarinoEn este artículo está MA = 2500 mV/g. La sensibilidad de la velocidad de vibración de un hidrófono vectorial generalmente se expresa por la sensibilidad de presión de sonido de campo libre equivalente MP. Existe la siguiente relación de conversión entre MP y MA. Sustituir el valor medido real de la densidad promedio del hidrófono en la ecuación (3) se puede obtener | v/v0 | = 0.7895, sustituyendo este valor en la ecuación (16), la relación entre la sensibilidad teórica equivalente de presión sonora del hidrófono del vector y la frecuencia de onda de sonido se puede obtener, como se muestra en la línea continua negra en la Figura 5. At 500 Hz, la sensibilidad teórica del canal vectorial del hidrófono vectorial es -187.4 dB (0 dB re 1V/μPa, excluyendo el factor de amplificación del preamplificador integrado del hidrófono), lo que aumenta la sensibilidad en 6 dB por octava. La sensibilidad de la velocidad de vibración del hidrófono vectorial se prueba en un tubo de onda estacionaria utilizando un método de comparación, y la banda de frecuencia efectiva del tubo de onda estacionaria es de 100 ~ 1000 Hz. Los resultados medidos de la sensibilidad de cada canal del hidrófono del vector esférico de vibración co-vibración se muestran en la Figura 5 con los puntos de estrella roja. Se puede ver que las curvas medidas de la sensibilidad de los tres canales vectoriales son básicamente consistentes con las curvas teóricas. Las sensibilidades de los canales X, Y y Z a 500 Hz son -188.9, -188.1 y -187.6 dB, respectivamente. El error de consistencia de sensibilidad de cada canal vectorial en la banda de frecuencia de medición no excede 1.2 dB; El método de mínimo cuadrado se utiliza para encontrar la pendiente ajustada por la curva de sensibilidad de los tres canales, y la diferencia máxima entre los datos de sensibilidad de los tres canales y la pendiente correspondiente es inferior a 0.8 dB, es decir, la inestabilidad del nivel de sensibilidad de El hidrófono es inferior a 0,8 dB; La sensibilidad aumenta en 6 dB por octava, lo que es consistente con la tendencia teórica.

Prueba de directividad 5.2

Los tres canales vectoriales del hidrófono vectorial vibrante de vibración deberían tener teóricamente tener directividad coseno independiente de la frecuencia. El método de rotación se usa para medir la directividad del hidrófono vectorial esférico vibrante en el tubo de onda estacionaria, y el intervalo angular de la prueba de rotación es de 0.4 °. La directividad de los canales X, Y y Z a 100, 500 y 1000 Hz se probó respectivamente. Los resultados muestran que los canales X, Y y Z tienen una buena directividad de coseno en los tres puntos de frecuencia. Las curvas de directividad de los canales X, Y y Z a 500 Hz se muestran en la Figura 6. Se puede ver que la profundidad mínima del pozo de la curva de directividad del canal X es de 34.1 dB, y la profundidad mínima del pozo de la y- La curva de directividad del canal es de 29.8 dB. La profundidad mínima del pozo de la curva de directividad del canal es de 38.9 dB. Dado que la señal generada por la onda de sonido en el canal se midará cuando el hidrófono vectorial está en el punto cóncavo es extremadamente pequeña, el sistema de rotación no se detiene cuando el sistema de prueba está funcionando y la vibración mecánica y el ruido del sistema giratorio se transmiten directamente al vector a través del resorte de suspensión. En el hidrófono, la señal generada en el canal a medir es a menudo mucho mayor que la señal acústica, por lo que la profundidad del pozo obtenida por la medición es mucho menos profunda que el valor real. Aun así, la profundidad del pozo más pequeña en los tres canales vectoriales alcanza los 29.8 dB, lo que puede cumplir con los requisitos de aplicación.

5.3 Prueba de voltaje de resistencia

La prueba de presión estática del hidrófono esférico co-vibrante se realizó en el autoclave. Según GB 150.1, para la prueba hidráulica de un recipiente de presión externa, 1.25 veces la presión de diseño debe tomarse como presión de prueba. La presión de diseño del hidrófono vectorial es de 30 MPa, por lo que la presión máxima de la prueba de presión se establece en 37.5 MPa. Durante la prueba, se simuló el modo de presión del deslizamiento del hidrófono a lo largo del perfil del planeador submarino. Primero, la presión se incrementó a 37.5 MPa a una velocidad constante, y la presión se mantuvo durante media hora, luego la presión se liberó lentamente, y la presión se incrementó a 37.5 MPa a una velocidad constante nuevamente, y el ciclo se repitió nuevamente. 5 veces. No hubo una caída de presión repentina en el autoclave durante todo el proceso de presurización. La aparición de las dos muestras de hidrófono antes y después de la compresión no estaba dañada, y el peso era el mismo. Luego, el rendimiento acústico del hidrófono se volvió a probar en el tubo de onda estacionaria. Los resultados de la prueba mostraron que el hidrófono funcionaba normalmente después de la supresión, y su sensibilidad y directividad eran básicamente las mismas que antes de la supresión. Se demuestra que el hidrófono del vector esférico co-vibrante puede soportar la presión de agua de 37.5 MPa.

6. Conclusión

De acuerdo con los requisitos de resistencia a la presión y el rendimiento acústico de un hidrófono vectorial de gran profundidad, este documento propone un método de diseño para la carcasa esférica de presión de densidad promedio mínima de un hidrófono vectorial esférico co-vibrante, que tiene una importante importancia de guía teórica para la ingeniería para la realización de la ingeniería. . Analizó y calculó materiales típicos de ingeniería de aguas profundas y seleccionó la aleación de aluminio 7075T6 como material para la carcasa resistente a la presión del hidrófono del vector; adoptó el método mínimo de diseño de carcasa esférica resistente a la presión de densidad promedio, a través de cálculos teóricos y simulaciones de elementos finitos, para determinar la resistencia y la estabilidad del caparazón El diseño y la implementación de un gran vector de vibración de vibración han pasado el agua de 37.5 MPa test de presión; Las dimensiones externas del hidrófono vectorial admiten el límite superior de su frecuencia de trabajo de hasta 3000 Hz, y la sensibilidad es -188 dB@500 Hz, el error de consistencia de sensibilidad de los tres canales es inferior a 1.2 dB y las fluctuaciones de sensibilidad son todos menos de 0.8 dB. La directividad de los tres canales es una figura ideal ocho. En el caso del ruido de rotación mecánica, el punto cóncavo de la profundidad también es superior a 29.8 dB.