陳揚威 彭康宜 梅小龍

（聲納技術重點實驗室，杭州，310023）

1 引言

IV型彎張換能器是水聲領域典型的低頻大功率換能器，其殼體通常為一橢圓管，內部長軸方向插入驅動振子，驅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]。本文的驅動振子是兩組單晶堆，為了能使單晶堆達到最佳工作狀態(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構有兩種，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資源的占用，只對殼體的1/4模型進行分析，邊緣處加對稱約束[3]。劃分網格單元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、壓縮變形仿真數據

2.2 殼體拉伸仿真

根據殼體在受壓狀態(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力圖、長軸方向的拉伸位移圖，超過10.3 kN的拉力殼體將產生塑性變形；圖10、圖12分別是2#殼體在16.2 kN拉力下的拉伸極限應力圖、長軸方向的拉伸位移圖，超過16.2 kN的拉力殼體將產生塑性變形；具體的拉力、拉伸變形狀態(tài)見表1。

圖9 1#拉伸極限應力

圖10 2#拉伸極限應力

圖11 1#拉伸位移

圖12 2#拉伸位移

2.3 仿真結果對比

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 仿真結果驗證

為了驗證上述仿真結果的數據是否跟實際一致，我們采用 INSTRON 3369材料試驗機分別對1#、2#殼體進行殼體壓縮、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。具體的試驗數據見表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，說明仿真結果是可作為依據的。

表2 壓縮試驗數據

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上，拉伸速率為0.4 mm/min。由于材料試驗機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。具體的試驗數據見表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，說明仿真結果是可作為依據的。

表3 拉伸試驗數據

4 殼體安裝及測試

從仿真結果得出 2#殼體優(yōu)于 1#殼體，我們選了圖2的結構進行實際殼體安裝。晶堆加兩個過渡塊的長度是110.3 mm，殼體長軸內徑是109.9 mm，過盈了0.4 mm，長軸外徑是137.9 mm。根據表1我們需要施加8 kN的壓力，但是最終施加了11 kN，晶堆才剛好安裝進去，這里我們還需要加上安裝間隙，超出的3 kN 對應的位移是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)進行了測量。圖 13為空氣中換能器殼體振動模態(tài)測量結果，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 結論

本文利用 Solidworks對兩種殼體進行仿真比較，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。通過材料試驗機驗證了上述仿真結果的正確性。

[1] 藍宇, 王智元, 王文芝. 彎張換能器的有限元設計[J].聲學技術, 2005, 24(4):268-271.

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

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