Page 114 - 《应用声学》2020年第2期

272 2020 年 3 月

3.2.1 结构静力仿真 结构才会发生失稳。而根据公式 (7) 可求得该压电
结构静力仿真可以得出结构承受载荷时结构 球壳换能器的周向失稳临界压力为 2970 MPa，与
各处的应力分布，因此已知材料的最大许用应力即 仿真结果基本符合。
可仿真出其能承受的最大许用压力。建立球壳的三
维模型，并在球壳模型上设置安装孔。将球壳采用
六面体法划分网格，在安装孔内圆柱面和下平面设 1.0496 Max
0.93302
置辊支撑，在压电球壳换能器的外表面施加压力并 0.81639
0.69977
0.58314
不断改变压力的大小，对其进行结构静力分析。仿 0.46654
0.34988
0.23326
0.11663
真发现，当外表面施加的压力达到28 MPa时，压电 0 Min
球壳最大应力为 151 MPa，其应力分布如图 5 所示
(为了方便观察内部应力将压电球壳沿中线剖开显 z
示)。需要注意的是最大应力只发生在安装孔上圆  ⊲ ↼m↽ x
⊲
角的边界线处，剩余其他地方的最大应力均小于该
压电材料的安全许用应力91.9 MPa，所以根据仿真 图 6 压电球壳特征值屈曲仿真结果
压电球壳的最大许用压力可以达到 28 MPa。而根 Fig. 6 Eigenvalue buckling simulation result of
据公式 (6) 可求得该压电球壳换能器的最大许用压 the piezoelectric spherical shell
力为36.8 MPa，可见球壳打孔后的耐压强度低于完 有限元仿真结果表明，该压电球壳换能器的
整球壳的理论强度。仿真中安装孔处极少地方出现 其最大许用压力为 28 MPa，而其临界失稳压力为
的应力集中现象，超出了安全许用应力，对压电球壳 3379 MPa，这表明当外部压力持续增大时，该压电
的耐压是否有影响还有待耐压试验验证。 球壳换能器最先发生的是强度失效，也说明其安全
耐压深度为2800 m。

4 球形耐压水听器研制及性能测试
T10 7
15.169 Max
13.176 球形耐压水听器研制
11.183 4.1
9.19
7.3376
5.4853 本文采用径向极化空气背衬压电球壳换能器
3.6329
1.7806
作为声学接收敏感元件，设计并制作了一种球形耐
压水听器。该球形耐压水听器所用的压电球壳外
y
 ⊲ ↼m↽ x z
⊲
图 5 压电球壳结构静力仿真结果
Fig. 5 Static structural simulation result of the
piezoelectric spherical shell

3.2.2 特征值屈曲仿真
特征值屈曲仿真可以得到薄壳结构的各阶屈
曲模态以及其对应的临界失稳压力。在压电球壳换
能器外表面施加 1 MPa 的压力，对其进行特征值屈
曲分析。仿真结果显示，其第一阶屈曲模态如图 6
所示，第一阶波数 n = 4，符合球壳失稳特征。第
一阶屈曲载荷因子为 3379，故其第一阶临界载荷为
3379 MPa。由于第一阶为屈曲载荷的最低值，这意 图 7 球形耐压水听器样品
味着在理论上压力达到 3379 MPa 时，该压电球壳 Fig. 7 The spherical pressure-resistant hydrophone