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球冠钹型换能器建模、仿真及优化设计研究

吴石林  
【摘要】:水声换能器是实现水中目标探测、跟踪、识别与定位等仪器中最基础、最重要的组成部分。为了提高对浅水域目标的探测能力,则必须降低换能器的谐振频率、拓展其工作带宽、提高其发射声功率和接收灵敏度并要减小其体积与重量。钹型换能器由于具有体积小、质量轻、制作简单、成本低且具有较高的灵敏度等优点,因而被广泛应用于水声探测领域。本文提出了一种新型结构的钹型换能器,并对其理论建模、仿真分析及优化设计技术进行了研究。 本文的主要研究工作包括以下几个部分: (1)设计了一种新型结构的压电复合换能器——球冠钹型换能器,该换能器由两个球冠形金属端帽及粘结在两端帽间的压电陶瓷薄圆片(厚度方向极化)组成。两金属端帽起机械放大作用,它们将压电陶瓷薄圆片的微小径向振动位移转换并放大为垂直其表面的较大的轴向振动位移,从而可提高换能器的发射声功率。 (2)建立了球冠钹型换能器的有关数学模型。1)基于薄壳静力学理论建立了换能器的轴向振动位移模型,并在端帽与压电陶瓷片理想结合、工作中端帽只作简单的几何变形、换能器在受力变形过程中无任何机械损耗等假设下,对位移模型进行了简化。2)基于Tresca屈服准则分析了换能器端帽的屈服条件,根据塑性流动法则,求解了端帽上的内力功与外力功,并依据机动法建立了端帽的极限载荷模型。3)从弹性薄壳振动的基本假设出发,采用扁壳振动的基本微分方程式对换能器端帽的振动进行了求解,建立了换能器轴对称振动的基波谐振频率模型。 (3)提出了一种基于正交试验理论及有限元虚拟试验相结合的球冠钹型换能器优化设计方法,并采用该方法对球冠钹型换能器的设计因素进行了优选。通过对单指标试验结果的直观分析,找出了各设计因素对换能器性能影响的主次顺序,得到了约束条件下各设计因素的最佳水平。通过对单指标试验结果的方差分析,进一步找出了各设计因素对换能器性能影响的显著程度。最后通过综合评分法对多指标试验结果进行了分析,得到了各设计因素的优水平组合。 (4)针对规则域及非规则域内球冠钹型换能器随机阵列布局问题,分别提出了基于圆Packing法和Delaunay三角化法的优化布局方法。采用最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器对球冠钹型换能器随机阵列进行了波束优化,并采用MATLAB进行了指向性仿真。结果表明,采用以上方法布局的随机阵列比同区域内的均匀线性阵和均匀平面阵具有更好的指向性。 (5)为更经济地制造出质量更高的球冠形端帽,探讨在其成形中用自由液压胀形工艺取代传统的冲压工艺,并对其胀形中的回弹问题进行了研究。采用ANSYS/LS-DYNA软件对端帽的自由胀形回弹量进行了预测,并通过非线性曲线拟合得到了可用于描述端帽自由液压胀形成形过程的数学模型。在阵列制作中,采用硅橡胶作为柔性基底材料,使其与封装用的硅橡胶属性一致,实现了较好的耦合。此外,采用柔性基底材料,使换能器封装阵列具有一定的柔性,更便于在UUV或AUV外表的曲面上贴装。 (6)采用有限元法对球冠钹型换能器的轴向振动位移、基波谐振频率及耐静压极限载荷进行了仿真,仿真结果验证了数学模型的正确性。仿真结果同时表明,在参考设计参数下,球冠钹型换能器的轴向振动位移比传统钹型换能器分别提高约4.55%(空气中)和7.78%(水中),谐振频率分别降低约4.41%(空气中)和7.86%(水中),耐压极限提高约9.42%。设计并制作了球冠钹型换能器阵元和10元等边三角阵,并对其性能进行了测试,试验结果进一步验证了数学模型的正确性,相关试验同时验证了基于圆Packing法和Delaunay三角化法实现随机阵列优化布局的有效性。 以上研究对丰富钹型换能器产品系列、拓展其应用领域和应用范围、改进其设计与制作工艺技术,加速推进钹型换能器声纳基阵的应用具有一定的参考价值和现实意义。


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