IV型彎張換能器殼體靜力學(xué)分析

陳揚威 彭康宜 梅小龍

（聲納技術(shù)重點實驗室，杭州，310023）

1 引言

IV型彎張換能器是水聲領(lǐng)域典型的低頻大功率換能器，其殼體通常為一橢圓管，內(nèi)部長軸方向插入驅(qū)動振子，驅(qū)動振子在電信號激勵下作長軸方向的伸縮運動時推動殼體產(chǎn)生彎曲振動，并且由于橢圓殼體的杠桿作用，使其長軸方向的伸縮振動在短軸方向被放大[1]。本文的驅(qū)動振子是兩組單晶堆，為了能使單晶堆達(dá)到最佳工作狀態(tài)，需要對其施加一定的力。這就引出了一個問題：換能器裝配時，要對殼體施加多大的力，單晶堆才能剛好裝入殼體，同時對應(yīng)的單晶堆受到的力有多大，殼體又不會發(fā)生塑性變形[2]。一般單晶堆跟殼體接觸的基本結(jié)構(gòu)有兩種，圓頭和平頭，見圖 1、圖 2。本文利用Solidworks中的Simulation模塊對這兩種換能器殼體進(jìn)行壓縮、拉伸靜態(tài)仿真計算比較，在短軸上施加力得出短軸、長軸位移變化，根據(jù)長軸位移變化得出長軸方向施加多大的拉力。選擇圖2的殼體可以使單晶堆受到的力更大，殼體更不易發(fā)生塑性變形。

圖1 圓頭殼體（1#）

圖2 平頭殼體（2#）

2 殼體的有限元仿真

分別將圖1、圖2的殼體標(biāo)記為1#、2#殼體，殼體的材料選用硬鋁2A12-T4，尺寸見圖1、圖2。在Solidworks軟件中建立殼體模型，由于殼體具有空間對稱性，為了節(jié)約分析時間和減少計算機(jī)資源的占用，只對殼體的1/4模型進(jìn)行分析，邊緣處加對稱約束[3]。劃分網(wǎng)格單元2 mm，1#殼體模型共有47727個節(jié)點、30660個單元；2#殼體模型共有47700個節(jié)點、30745個單元。

2.1 殼體壓縮仿真

分別對1#、2#殼體Y方向上施加1/2F1的壓力，可以得出殼體在受壓狀態(tài)下長軸、短軸的位移變化。圖3、圖5、圖7分別是1#殼體在4.5 kN壓力下的壓縮極限應(yīng)力圖、長軸方向的拉伸位移圖、短軸方向的壓縮位移圖，超過4.5 kN的壓力殼體將產(chǎn)生塑性變形；圖4、圖6、圖8分別是2#殼體在6.5 kN壓力下的壓縮極限應(yīng)力圖、長軸方向的拉伸位移圖、短軸方向的壓縮位移圖，超過6.5 kN的壓力殼體將產(chǎn)生塑性變形。具體的壓力、位移值、壓縮變形狀態(tài)見表1。

圖4 2#壓縮極限應(yīng)力

圖5 1#拉伸位移ΔX1

圖6 2#拉伸位移ΔX2

圖7 1#壓縮位移ΔY1

圖8 2#壓縮位移ΔY2

表1 壓力、位移、壓縮變形仿真數(shù)據(jù)

2.2 殼體拉伸仿真

根據(jù)殼體在受壓狀態(tài)下的長軸位移值，分別對1#、2#殼體X方向上施加相應(yīng)的1/2F2、1/2F3拉力。圖9、圖11分別是1#殼體在10.3 kN拉力下的拉伸極限應(yīng)力圖、長軸方向的拉伸位移圖，超過10.3 kN的拉力殼體將產(chǎn)生塑性變形；圖10、圖12分別是2#殼體在16.2 kN拉力下的拉伸極限應(yīng)力圖、長軸方向的拉伸位移圖，超過16.2 kN的拉力殼體將產(chǎn)生塑性變形；具體的拉力、拉伸變形狀態(tài)見表1。

圖9 1#拉伸極限應(yīng)力

圖10 2#拉伸極限應(yīng)力

圖11 1#拉伸位移

圖12 2#拉伸位移

2.3 仿真結(jié)果對比

從表1中，可以看出在施加相同壓力下2#殼體比1#殼體位移變化小，長軸方向受到的拉力更大，殼體更不易產(chǎn)生塑性變形，都呈線性變化，因此2#殼體優(yōu)于1#殼體。長軸尺寸/短軸尺寸=138/60=2.3，1#殼體：長軸拉力/短軸壓力=2.4/1=2.4；2#殼體：長軸拉力/短軸壓力=2.7/1=2.7，所以殼體長軸尺寸、短軸尺寸的比值基本上等于長軸拉力、短軸壓力的比值。

3 仿真結(jié)果驗證

為了驗證上述仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)是否跟實際一致，我們采用 INSTRON 3369材料試驗機(jī)分別對1#、2#殼體進(jìn)行殼體壓縮、拉伸試驗。

3.1 殼體壓縮試驗

試驗前，分別對1#、2#殼體測量各個尺寸，做好記錄。將殼體安裝固定在材料試驗機(jī)上，壓縮速率都是0.4 mm/min，參照表1的壓力值對1#、2#殼體試驗，每做完一個壓力值都要測量各個尺寸與原尺寸比較，是否發(fā)生塑性變形，如有變形就終止試驗。具體的試驗數(shù)據(jù)見表2，跟表1比較可看出1#、2#殼體的壓縮位移、拉伸位移值基本上是一致，說明仿真結(jié)果是可作為依據(jù)的。

表2 壓縮試驗數(shù)據(jù)

3.2 殼體拉伸試驗

試驗前，也分別對1#、2#殼體測量各個尺寸，做好記錄。將殼體通過工裝夾具安裝固定在材料試驗機(jī)上，拉伸速率為0.4 mm/min。由于材料試驗機(jī)是施加力才能上下移動，所以只能參照表1的拉力值F2、F3比較ΔX值，具體試驗步驟跟壓縮試驗一樣。具體的試驗數(shù)據(jù)見表3，跟表1比較可看出1#、2#殼體的拉伸位移值基本上是一致，說明仿真結(jié)果是可作為依據(jù)的。

表3 拉伸試驗數(shù)據(jù)

4 殼體安裝及測試

從仿真結(jié)果得出 2#殼體優(yōu)于 1#殼體，我們選了圖2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實際殼體安裝。晶堆加兩個過渡塊的長度是110.3 mm，殼體長軸內(nèi)徑是109.9 mm，過盈了0.4 mm，長軸外徑是137.9 mm。根據(jù)表1我們需要施加8 kN的壓力，但是最終施加了11 kN，晶堆才剛好安裝進(jìn)去，這里我們還需要加上安裝間隙，超出的3 kN 對應(yīng)的位移是0.15 mm。因此為了能把晶堆剛好安裝到殼體中，實際施加殼體上的壓力是理論需要的力加上0.15 mm安裝間隙對應(yīng)的力。晶堆安裝到位后，卸去殼體上的壓力，重新測量殼體長軸外徑為138.2 mm，比未裝晶堆時伸長了0.3 mm，根據(jù)表1可得晶堆所受壓力約為16 kN，晶堆橫截面尺寸為20 mm×20 mm，因此單個晶堆受到的壓應(yīng)力約為16000/0.02/0.02/2=20 MPa。

為了驗證換能器裝配的好壞，利用激光測振儀對換能器殼體的振動模態(tài)進(jìn)行了測量。圖 13為空氣中換能器殼體振動模態(tài)測量結(jié)果，從圖中可以看出IV型彎張換能器的振形還是比較規(guī)則的。

圖13 空氣中換能器諧振模態(tài)測試

5 結(jié)論

本文利用 Solidworks對兩種殼體進(jìn)行仿真比較，2#殼體優(yōu)于 1#殼體，在施加相同壓力下 2#殼體比 1#殼體位移變化小，長軸方向受到的拉力更大，殼體更不易產(chǎn)生塑性變形，都呈線性變化。同時殼體長軸尺寸、短軸尺寸的比值基本上等于長軸拉力、短軸壓力的比值。通過材料試驗機(jī)驗證了上述仿真結(jié)果的正確性。

[1] 藍(lán)宇, 王智元, 王文芝. 彎張換能器的有限元設(shè)計[J].聲學(xué)技術(shù), 2005, 24(4):268-271.

[2] 賀西平, 李斌. 彎張換能器裝配預(yù)應(yīng)力及入水后的變化[J]. 物理學(xué)報, 2004, 53(2):488-501.

[3] DS SolidWorks公司. SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程[M].杭州新迪數(shù)字工程系統(tǒng)有限公司,譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.