主题演讲:借助仿真实现声呐系统的快速原型设计

2020年 12月 15日

借助多物理场仿真技术,诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman Corporation,NGC)快速完成了声呐系统的创新设计和实现。Lauren Lagua 是 NGC 水下系统部门声呐集成团队成员之一,她在 2020 年北美 COMSOL 用户年会的主题演讲中,讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件在声呐系统开发中进行快速原型设计。文中摘录了她的一些演讲内容,并附加了完整的视频演讲,欢迎浏览。

视频演讲:NGC 如何使用 COMSOL Multiphysics® 进行快速原型设计

 

NGC 的快速原型设计流程

在 NGC 公司,工程师遵循着快速原型设计的流程,该流程包括四个部分,其中前三个部分经常重复多次:

  1. 原型设计
  2. 原型制造
  3. 测试与设计验证
  4. 最终设计的制造

Lauren Lagua表示,在该流程的每一个环节都使用了多物理场仿真技术。

原型设计

在为声呐系统设计换能器(Tonpilz 型压电换能器案例模型)时,工程师会通过测试不同的参数设置,来了解如何最好地实现项目的总体目标。他们可能会尝试测试材料(例如新的压电材料)、几何形状和频率等参数。Lauren 团队使用 COMSOL Multiphysics 的 压力声学固体力学静电电路 接口,确定了不同的参数变化如何影响其设计。

在测试新材料时,团队经常缺少供应商提供有关材料属性的所有必要信息。因此,他们使用 COMSOL Multiphysics 评估已有信息测试材料属性,并将评估结果与 COMSOL 模型进行比较来估计材料性质。

COMSOL 用户年会PPT演示的屏幕截图,显示了换能器设计示例。
主题演讲的屏幕截图,显示了换能器设计中使用的材料。

原型制造

NGC 团队在建立好模型并运行之后,会在整个原型制造过程中执行一系列测试,并将其与模拟结果进行比较。有时结果会不匹配,例如模型中可能缺少物理场。有时,Lagua能够在原型中发现制造问题。例如,当将压电材料黏合到背衬基板时,可能会出现气泡或黏合不良等问题。

Lagua 对导致问题的原因进行了假设,并在 COMSOL Multiphysics 中模拟了其假设。通过将模型结果与原始原型的假设进行比较,Lagua 能够快速对制造问题进行故障排除并纠正。

测试和验证

准备好原型后,NGC 团队将对其电气和声学特性进行系统级测试。

电气测试包括阻抗测试和电容测量。

在声学方面,NGC 公司使用了最先进的声学测试设备。该设备是私营企业最大的测试池,直径为 15 米,可容纳约 1500 立方米水,并用红木衬砌,以建造一个理想的宽带声学测试环境(模仿开放水域环境)。声学测试池用于测量声呐换能器中的发射电压响应,远场电压灵敏度和辐射方向图。该设备的测试结果将被反馈回模型中,并进行验证模型,或者在必要时进行调整。

Northrop Grumman Corporation公司的声学测试池的照片
声学测试池。图片由 Northrop Grumman Corporation 提供。

一旦设计通过了快速原型设计流程的前三个阶段,就可以一次又一次地快速迭代它们,直到准备好制造出最终设计版本为止。

微型无人水下飞行器的声呐

在 Lagua 的主题演讲中,她以 NGC 公司的一个项目为例说明了如何借助仿真快速实现声呐系统的原型制造。该项目成功使用 COMSOL Multiphysics 软件实现了快速原型设计。μSAS™ 系统是一种用于微型无人水下飞行器的双侧侧扫声呐。这些小型飞行器的直径约为 0.15 米,并已经预先编制了任务编程。

主题演讲的屏幕截图,展示了使用COMSOL Multiphysics设计的声纳系统。
主题演讲的屏幕截图展示了 μSAS™ 系统。

由于设备的规模小,因此对尺寸、重量和功率有严格的设计限制。Lagua 的目标是在小型设备中开发出尽最佳的声呐,同时还可节约能源。最后,NGC 团队设计了一种在两侧均带有声呐的设备,该设备可实现干涉测量过程。这意味着该微型无人水下飞行器的声呐系统可以插入 3D 图像。

设计、原型制作、测试和验证

借助 COMSOL Multiphysics 软件,NGC 公司团队能够快速进行设计、原型制作、测试和验证,有时甚至仅需要一周时间!正如 Lagua 在演讲中提到的那样:“ COMSOL 推动了 NGC 公司的设计、创新和进步,对我而言也是如此。”

了解有关 Lagua 在 Northrop Grumman 公司使用仿真和快速成型和缩短产品开发周期的更多信息,请观看本文开始部分的主题演讲视频。

μSAS 是 Northrop Grumman Corporation 的商标。


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