Conception optimale de la coque sphérique d'hydrophone de vecteur de co-vibration (1)

Résumé: visant le problème de pression structurelle des hydrophones vectoriels en eau profonde, la formule de contrainte maximale de la coquille sphérique de pression externe est dérivée et l'influence des matériaux et des dimensions de la co-vibratricehydrophone vectoriel sphériqueSur ses performances acoustiques et ses performances de pression sont analysées ici. Sur la base de cela, une méthode de conception de la densité minimale moyenne à paroi mince résistante à la pression est donnée. Les matériaux d'ingénierie typiques en courses profondes sont étudiés, le matériau en alliage en aluminium est sélectionné et un hydrophone de vecteur sphérique de co-vibration avec une profondeur de résistance à la pression conçue de 3000 m est produit. La structure résistante à la pression de l'hydrophone a été simulée par la méthode des éléments finis, et sa sensibilité, sa directivité et sa capacité résistante à la pression ont été testées. Les résultats montrent que l'hydrophone vectoriel a une bonne directivité en cosinus, la sensibilité est de -188 dB à 500 Hz et peut résister à la pression externe de 37,5 MPa. Cela vérifie la méthode de conception et l'ingénierie de la coque sphérique à paroi mince de densité minimale à paroi mince donnée dans cet article. La rationalité et la faisabilité de la conception du prototype

Introduction

LaHydrophone vecteur de co-vibrationPeut mesurer les informations vectorielles de la vitesse de vibration dans le milieu du champ sonore, et un hydrophone vectoriel unique peut compléter la découverte de direction de la cible acoustique. Il présente également les avantages d'une petite taille, d'une faible consommation d'énergie, d'une sensibilité élevée, d'une bande de fréquences modérée, et est très adapté à l'installation sur des plates-formes sans pilote sous-marines telles que les planeurs sous-marins et les bouées de profil pour effectuer des tâches telles que la détection cible et la surveillance du bruit environnemental marin. À l'heure actuelle, avec le développement d'une technologie résistante à la pression, la profondeur de travail de diverses plates-formes sans pilote sous-marine augmente, ce qui présente des exigences plus élevées pour la capacité résistante à la pression des hydrophones vectoriels. Les États-Unis, la Russie et d'autres pays ont développé des hydrophones vectoriels avec une profondeur de travail de 5000 ~ 6000 m. Au niveau national, il est toujours au stade initial de la recherche. L'hydrophone vectoriel avec une profondeur de résistance à la pression de 1000 m a été fabriqué en utilisant la résine époxy et le matériau composite microbille en verre et la garniture d'huile de coquille métallique. La sensibilité et la directivité de l'hydrophone ne sont pas satisfaisantes; Le schéma de la coque à double couche de la coquille composite externe et de la coque en alliage en aluminium intérieur est utilisé pour concevoir un hydrophone vectoriel avec une profondeur de résistance à la pression de 2000 m. En raison de sa grande taille, sa limite de fréquence supérieure n'est que de 1000 Hz; L'hydrophone de vecteur de co-vibration composite résistant à la pression a été conçu et fabriqué avec une coque métallique recouverte d'une coque en polyuréthane. Test de plongée, la profondeur de plongée maximale est de 1200 m. La conception d'une conception de coque mince en alliage en aluminium en forme de capsule réalise un hydrophone de vecteur de co-vibration avec une résistance à la pression de 20 MPa. Dans cet article, la théorie pertinente de la conception des vaisseaux sous pression est appliquée à la conception d'un grand hydrophone vectoriel de profondeur, et une coque sphérique à paroi mince à couche unique en matériaux métalliques à haute résistance est directement utilisée comme coquille résistante du vecteur hydrophone. Le processus de ce schéma est relativement simple et peut atteindre une grande profondeur de tension de support. Dans ce schéma, comment sélectionner le matériau de la coque sphérique et concevoir la taille de la coque sphérique afin que les performances acoustiques de l'hydrophone vectoriel puissent être améliorées autant que possible sur la prémisse que la performance de résistance à la pression répond aux exigences est la clé de la conception de la coque sphérique de pression de l'hydrophone vectoriel.

1 Influencer les facteurs de la performance acoustique de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant

Quand la co-vibratriceHydrophone vectoriel à basse fréquenceFonctionne dans le champ sonore sous-marin, il vibrera sous l'action du champ sonore. Réglez sa vitesse de vibration en v. De plus, définissez la position du centre géométrique hydrophone d'origine lorsque l'hydrophone n'est pas placé dans le champ sonore. Si la vitesse de vibration de la particule moyenne est V0, la condition préalable de la relation suivante (3) peut être exprimée comme la fréquence des ondes sonores FC 2πR. On peut voir à partir de l'équation (3) que lorsque la limite supérieure de la fréquence de travail de l'hydrophone vectoriel sphérique co-oscillant est beaucoup plus petite que OC 2πR, plus la densité moyenne de l'hydrophone est petite, plus l'amplitude de la vitesse de vibration V et la vibration du point de qualité de l'eau dans le champ sonore. Plus la valeur absolue du rapport de l'amplitude de la vitesse, plus la sensibilité de la vitesse de vibration de l'hydrophone est grande et la différence de phase entre la vitesse de vibration de l'hydrophone et la vitesse de vibration du point de qualité de l'eau se rapproche de zéro. Étant donné que l'hydrophone vectoriel de co-vibration est également équipé de capteurs de ramassage de vibration, de circuits de conditionnement du signal et d'autres structures supplémentaires, il est difficile de réaliser que la densité moyenne VR de l'hydrophone vectoriel est inférieure à la densitéρ0 d'eau. L'ingénierie poursuit généralement que la densité moyenne de l'hydrophone est proche de la densité du milieu d'eau. À l'heure actuelle, l'hydrophone peut ramasser la vitesse de vibration du point de qualité de l'eau dans le champ sonore d'environ 1: 1, et la limite supérieure de la fréquence de travail de l'hydrophone peut être l'eau vectorielle de même vibration. La performance acoustique de l'auditeur comprend principalement la sensibilité, la directivité et la bande de fréquences de travail. Lorsque la sensibilité du capteur de ramassage de vibration interne est constante, la sensibilité de l'hydrophone est déterminée par sa densité moyenne. Plus la densité moyenne est petite, plus la sensibilité de l'hydrophone est élevée. La directivité d'un hydrophone est principalement déterminée par la sensibilité latérale du capteur de ramassage de vibration interne. La forme de l'hydrophone affectera également la directivité. Plus l'hydrophone est proche d'une forme sphérique standard, moins il aura d'interférence sur la directivité. Étant donné que la limite de fréquence supérieure du capteur de ramassage de vibration interne est généralement élevée, la limite supérieure de la bande de fréquence de travail de l'hydrophone est généralement déterminée par le rayon extérieur RO de l'hydrophone. Plus le rayon extérieur est petit, plus la limite supérieure de la fréquence de travail de l'hydrophone est élevée. Par conséquent, lors de la conception de la coquille sphérique résistante à la pression de l'hydrophone de vecteur de co-vibration, afin de maximiser les performances acoustiques de l'hydrophone, il est nécessaire de rendre la densité moyenne R de la coquille sphérique aussi petite que possible sous la prémisse de satisfaisant les performances résistantes à la pression. En même temps, rendre le rayon extérieur RO aussi petit que possible. La limite de fréquence supérieure de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant nécessite plus le rayon extérieur est petit, mieux c'est; La sensibilité de l'hydrophone de vecteur sphérique co-vibrant nécessite plus la densité moyenne, mieux c'est; Plus le rayon extérieur est petit lorsque le matériau et l'épaisseur sont inchangés, la densité moyenne augmente à la place, ce qui est une contradiction. La performance de pression de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant nécessite plus le rayon extérieur est petit, plus l'épaisseur est grande et plus la résistance du matériau est élevée, mieux c'est. Plus le rayon extérieur est petit et plus l'épaisseur est grande, plus la densité moyenne, ce qui est également une contradiction. La résistance à la pression et les performances acoustiques de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant nécessitent que la conception de sa coquille sphérique soit aussi petite que possible (sensibilité élevée) et rayon extérieur aussi petit que possible (limite supérieure à haute fréquence) sur la prémisse d'atteindre le point de vue de Exigences de résistance à la pression), ces restrictions se restreignent mutuellement. Ce qui suit étudiera la relation entre le matériau, le rayon extérieur et l'épaisseur de la coquille sphérique de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant et sa résistance de pression, sa sensibilité et sa limite supérieure à haute fréquence, afin de trouver le vecteur avec la meilleure performance acoustique sous la prémisse de satisfaire les performances de pression. Le schéma de conception de la coquille sphérique résistante à la pression de l'hydrophone.

2 Analyse de défaillance de la coque sphérique à parois minces sous pression extérieure

Lorsque l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant fonctionne normalement sous l'eau, sa coquille sphérique résistante à la pression est soumise à une pression hydrostatique externe. Il s'agit d'un récipient à pression externe. Sans considérer la défaillance de la corrosion, il existe deux principaux modes de défaillance: la défaillance de la résistance et la défaillance de la stabilité.

2.1 Échec de la résistance

La défaillance de la résistance signifie que lorsque la contrainte maximale d'un matériau dans un récipient sous pression dépasse son point de rendement, le matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique, entraînant une déformation ou une fracture irréversible. Selon la théorie maximale de la contrainte principale et le critère de défaillance élastique, si la coquille sphérique de pression externe n'a pas de défaillance de résistance, la contrainte maximale t doit être inférieure ou égale à la contrainte de résistance à la résistance du matériau utilisé dans la coquille sphérique. Dans le domaine de la conception des navires sous pression, les gens utilisent la formule de contrainte maximale lors de la conception de coquilles sphériques de pression externe. Cette formule est une formule sommaire de l'expérience d'ingénierie. Le calcul est simple, mais la condition préalable à son établissement est que la coquille sphérique est une coquille à parois minces, c'est-à-dire que Ro / Ri est nécessaire.≤1.35, où RO est le rayon extérieur de la coquille sphérique et Ri est le rayon intérieur. La solution obtenue en utilisant cette formule appartient à la solution optimale locale. Par conséquent, la contrainte maximale de la coquille sphérique de pression externe est référée. Soit P la pression externe sur la coquille sphérique etδêtre l'épaisseur de la coquille sphérique. Selon la théorie sans instant de la coquille rotative, la contrainte radiale à l'intérieur de la coque sphérique à parois minces sous pression externe est très petite, et seule la contrainte de compression axiale tzz et la contrainte de compression circonférentielle tθθsont considérés. Étant donné que la forme géométrique de la coquille sphérique est symétrique par rapport au centre de la sphère, la contrainte de compression axiale et la contrainte de compression circonférentielle sont égales en valeur. Sur la section passant par le centre de la sphère, la force résultante de la pression externe P sur la section de la coquille sphérique est fs = pπRo2, et la zone transversale dele matériau de la coque ss =π(Ro2-ri2), donc le tzz et tθθde la coquille sphérique de pression externe est la coque sphérique la défaillance de résistance maximale autorisée à pression externe Pi doit répondre

2.2 Échec de la stabilité

La défaillance de la stabilité fait référence à la défaillance du récipient sous pression d'un état d'équilibre stable à un état instable sous l'action d'une charge externe et perd soudainement sa forme géométrique d'origine. Lorsque l'épaisseur de la coquille sphérique est très mince, la défaillance de l'instabilité se produit souvent avant la défaillance de la force. Pour une coque sphérique à parois minces sous pression externe, la formule de calcul de la PCR de pression de flambement critique est dérivée de la théorie de la petite déformation, où E est le module du jeune du matériau de la coquille sphérique et est le rapport de Poisson du matériau. Le calcul de la petite formule de pression critique théorique de déformation est relativement simple, mais l'erreur est relativement importante, qui peut être compensée par un facteur de sécurité plus important m. GB 150,3 stipule M = 14,52. Ensuite, la pression externe maximale admissible PS pour la défaillance de stabilité de la coque sphérique à parois mince doit être satisfaite.

3 Conception d'optimisation de la coque sphérique résistante à la pression d'hydrophone vectoriel

La coquille sphérique résistante à la pression dutransducteur d'hydrophone vectorielN'échoue pas et doit répondre à la pression externe maximale autorisée p = min (Pi, PS). En plus des paramètres du matériau lui-même, la pression externe maximale autorisée P de la coque sphérique n'est liée qu'à Ri / Ro. Définissez une variable x = ri / ro. Il est facile de savoir que x est le rapport du rayon intérieur et extérieur de la coquille sphérique, x∈ (0,1), cette variable est sans dimension, plus le x est grand, plus la coque sphérique a diminue. Après la contrainte admissible t d'un matériau donné et la pression externe maximale admissible p de la coquille sphérique, la valeur maximale de x que la coquille sphérique répond aux exigences de résistance est obtenue, qui est enregistrée comme xi. De même, le module de Young E, après le rapport de Poisson μ et la pression externe maximale admissible p de la coquille sphérique, la valeur maximale de x que la coquille sphérique répond aux exigences de stabilité peut être obtenue en fonction de la formule, qui est enregistrée comme XS . L'hydrophone vectoriel sphérique co-vibrant peut résister à l'eau statique externe que la fonction de la pression p sans défaillance, et la coque sphérique résistante à la pression est nécessaire pour remplir les conditions de défaillance de résistance et de défaillance de stabilité en même temps, et la valeur maximale de X qui répond aux exigences en même temps est x = min x, x (12) xmax est déterminé plus tard, la densité moyenne minimale de la coquille sphérique peut être obtenue. Il est facile de savoir que le volume du matériau de la coquille sphérique est VC = 4π (RO3-RI3) / 3. La masse de la coquille sphérique mc = ρvc, où ρ est la densité du matériau de la coquille sphérique. Le volume d'eau déchargé par la coquille sphérique est vs = 4πro3 / 3. Alors la densité moyenne de la coquille sphérique r est ρ est la densité du matériau, qui est une constante positive; Le terme (1-x3) x∈ (0,1) est toujours une valeur positive et diminue de manière monotone. La densité moyenne minimale de la coquille sphérique qui répond aux exigences de pression. Par conséquent, pour obtenir la conception optimale de la coquille sphérique résistante à la pression de l'hydrophone du vecteur de co-vibration, premièrement, les exigences de pression P et les propriétés du matériau doivent être substituées dans la formule pour calculer Xmax; La substitution de Xmax dans la formule peut obtenir la densité moyenne minimale de la coquille sphérique qui répond aux exigences de pression. En supposant que la masse totale du capteur de ramassage de vibration, du circuit de conditionnement du signal et d'autres structures supplémentaires à l'intérieur de l'hydrophone du vecteur de co-vibration, la valeur minimale de la densité moyenne de l'hydrophone est une certaine valeur; Dans le cas où le matériau de la coque sphérique et l'exigence de résistance à la pression P sont déterminés ci-dessous, il s'agit également d'une valeur définie. Pour l'hydrophone vectoriel, RO détermine la limite supérieure FMAX de la fréquence de travail de l'hydrophone vectoriel. La limite supérieure de la fréquence de travail de l'hydrophone vectoriel est sélectionnée et le rayon extérieur RO de la coquille sphérique de l'hydrophone vectoriel est déterminé. Ensuite, la densité moyenne minimale de l'hydrophone peut être obtenue, et la sensibilité à la vitesse de vibration de l'hydrophone vectoriel peut être obtenue. De même, si la sensibilité à la vitesse de vibration de l'hydrophone vecteur est sélectionnée, la densité moyenne de l'hydrophone peut être obtenue en fonction de l'équation (3), et le rayon extérieur de la coquille sphérique de l'hydrophone à ce moment peut être obtenu, et le rayon extérieur de la coquille sphérique de l'hydrophone à ce moment peut être obtenu, et le rayon extérieur de la coquille sphérique de l'hydrophone à ce moment peut être obtenu, et le rayon extérieur de la coquille sphérique de l'hydrophone à l'heure Le vecteur peut être obtenu la limite supérieure de la fréquence de travail de l'hydrophone. Grâce aux étapes ci-dessus, nous pouvons trouver le matériau le plus approprié et la solution optimale théorique des paramètres de taille tels que le rayon extérieur et l'épaisseur de la coque sphérique résistante à la pression. Et sur la base des données de taille de base de la coque sphérique résistante à la pression, la conception détaillée suivante est effectuée. Une fois la conception terminée, le logiciel de simulation par éléments finis est utilisé pour effectuer une analyse de la distribution des contraintes et une analyse de flambement de la coquille résistante à la pression conçue afin de garantir que la coquille n'a pas de défaillance de résistance et de défaillance de stabilité sous la pression de conception.

4 Exemple de conception de coque sphérique résistante à la pression d'hydrophone vectoriel

À l'heure actuelle, la profondeur de travail des planeurs sous-marins domestiques sous-marins, des bouées de profil et d'autres plates-formes sans pilote sous-marine a atteint le niveau de 2000 m. Afin de fournir une certaine marge de sécurité, la profondeur de résistance à la pression de conception de l'hydrophone est réglée à 3000 m, c'est-à-dire p = 30 MPa.

4.1 Optimisation du matériau de la coque

Tout d'abord, nous devons sélectionner le meilleur matériau métallique pour la coquille sphérique résistante à la pression de l'hydrophone du vecteur de co-vibration. Le tableau 1 énumère les propriétés mécaniques de plusieurs matériaux d'ingénierie en haute mer couramment utilisés tels que 304, 316L en acier inoxydable, 6061T6, 7075T6 ALLIAGE ALLIAM, ALLIAGE TITANIUM TC4 et laiton H90. Il peut y avoir de légères différences dans les valeurs pertinentes des matériaux). La substitution des exigences de pression P et les propriétés de divers matériaux du tableau 1 dans la formule peuvent être utilisées pour obtenir ces matériaux d'ingénierie qui répondent aux exigences de résistance de Xi, les exigences de stabilité de XS, et les deux xmax; Remplacez le Xmax obtenu dans la formule, la densité moyenne minimale qui peut être obtenue par une coquille sphérique faite de chaque matériau qui répond aux exigences de pression peut être obtenue. Si un certain matériel répond aux exigences de résistance XI est inférieure aux exigences de stabilité XS, alors le matériau est transformé en une balle qui répond aux exigences de résistance dans le cas d'une coquille, sa stabilité est excédentaire; De même, si le XI d'un certain matériau est supérieur à Xs, lorsque le matériau est transformé en une coquille sphérique qui répond aux exigences de stabilité, sa résistance est un excédent. Plus les valeurs de Xi et X sont étroites, plus la résistance et la stabilité de la coquille sphérique sont équilibrées. Parmi les plusieurs matériaux présentés dans le tableau 2, XI de l'alliage de titane TC4 est supérieur à XS, indiquant que la résistance de la coquille sphérique faite de ce matériau est excédentaire lorsqu'elle répond aux exigences de stabilité. À l'exception de TC4, le XI des matériaux restants est tous plus petit que XS, indiquant que la stabilité de la coquille sphérique faite de ces matériaux est excédentaire lors de la satisfaction des exigences de résistance. Parmi les matériaux du tableau 2, XI et XS d'alliage d'aluminium 7075T6 et l'alliage de titane TC4 sont relativement proches, ce qui indique que la résistance et la stabilité de la coquille sphérique fabriquée de ces deux matériaux sont relativement équilibrées. On peut voir dans le tableau 2 que sous la prémisse de répondre à la résistance à la pression de 30 MPa, parmi les plusieurs matériaux d'ingénierie couramment utilisés énumérés dans le tableau, la densité moyenne de la coquille sphérique en alliage d'aluminium et l'alliage de titane TC4 peut atteindre un densité proche ou inférieure à celle de l'eau, ce qui est conforme aux exigences de conception de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant. Parmi eux, le matériau en alliage de titane TC4 a le plus grand Xmax, c'est-à-dire la coque sphérique la plus fine résistante à la pression faite de ce matériau. La coquille sphérique résistante à la pression faite de matériau 7075T6 peut atteindre la plus petite densité moyenne, laissant la plus grande marge de masse pour d'autres structures internes. De plus, l'alliage d'aluminium présente des avantages plus importants que l'alliage TC4 en titane en termes de coût matériel et de coût de traitement. Par conséquent, l'alliage d'aluminium est le meilleur matériau pour fabriquer des coquilles sphériques résistantes à l'hydrophone vectorielles.

4.2 Conception de taille de coque sphérique résistante à la pression

Le matériau en alliage en aluminium est sélectionné pour fabriquer une coque sphérique hydrophone avec une résistance à la pression de 30 MPa, et la densité moyenne minimale de la coquille sphérique qui répond aux besoins de pression est de 0,64 × 103 kg / m3 et x = 0,9177 à ce moment. Si la sensibilité à la vitesse de vibration de l'hydrophone vecteur | V / V0 | est autorisé à 0,8, la conception réelle de la coque sphérique hydrophone doit être conçue en deux moitiés pour faciliter l'installation de composants internes. On suppose que les deux coquilles hémisphériques de l'hydrophone sont assemblées la masse supplémentaire de l'hydrophone mesuré, l'accéléromètre, le support de montage, le circuit de conditionnement du signal et la chambre pénétrante étanche utilisée dans l'hydrophone réel ont une somme de masse de 99,5 g , donc la somme de la masse supplémentaire me = 149,5 g. Le rayon extérieur RO = 36,48 mm de la coquille sphérique de l'hydrophone est obtenu. X = ri / ro = 0,9177, le rayon intérieur de la coquille sphérique Ri = 33,48 mm, l'épaisseur de la coquille sphérique = 3,00 mm, pour la commodité du calcul, du dessin et du traitement, le rayon intérieur de la coquille sphérique Ri est arrondi Jusqu'à 33 mm, le rayon extérieur RO est de 36 mm.

4.3 Vérification des performances de tension de traitage

Après avoir obtenu les données de taille de la coquille sphérique résistante à la pression, afin de s'assurer qu'elle peut répondre aux exigences résistantes à la pression, les performances résistantes à la pression sont vérifiées et les deux cas de défaillance de résistance et de défaillance de stabilité sont principalement pris en compte.

4.3.1 Échec de la force

On peut voir à partir du tableau 1 que la contrainte admissible de l'alliage d'aluminium utilisé pour la coque sphérique est de 190 MPa, qui est combinée avec les paramètres de taille de coque sphérique pour obtenir la pression admissible de défaillance de la résistance de la coque sphérique est de 30,4 MPa, ce qui est plus élevé de 30 MPa, qui répond aux exigences de pression.

4.3.2 Échec de la stabilité

Le rapport de Poisson de l'alliage d'aluminium μ = 0,33, le module du jeune E = 7,2 × 1010 PA et le système de stabilité M = 14,52. En substituant les données du matériau et la taille de la coque sphérique en équations (8) et (9), la pression d'instabilité circonférentielle critique PCR = 611,6 MPa est calculée, et la pression d'instabilité circonférentielle autorisée est de 42,1 MPa, ce qui est supérieur à 30 MPa, qui répond les exigences de pression. On peut voir que la coquille sphérique résistante à la pression de l'hydrophone vectoriel peut résister à la pression hydrostatique externe de 30 MPa. Et la pression admissible pour l'instabilité circonférentielle est supérieure à la pression admissible pour la défaillance de la résistance. Si la pression continue d'augmenter en dehors de la coquille sphérique, l'effet de résistance se produira en premier.

4.4 Conception d'ingénierie de la coque de pression d'hydrophone vectoriel

Après avoir déterminé les données de base telles que le matériau, le rayon extérieur et l'épaisseur de la coquille sphérique résistante à la pression de l'hydrophone vectoriel, la conception détaillée de la coquille d'hydrophone vectorielle peut être effectuée. Cet article utilise le logiciel de modélisation 3D pour effectuer la conception auxiliaire de l'hydrophone de vecteur de co-vibration sphérique à grande profondeur. La vue en coupe transversale de la structure hydrophone vectorielle est illustrée à la figure 1.