海底地震传感器搭载平台的设计与耦合性能研究

时间：2024-07-28

李灵程，郝惠敏，黄家海，徐国庆

（太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原 030024）

1 引言

海底地震仪在油气探测、科学研究、防灾减灾等方面有广泛的用途，是海底科学研究中必不可少的仪器［1］，其中，海底地震传感器搭载平台是海底地震仪的重要组成部分。目前对于搭载平台的研究主要集中在调平结构设计和平台整体耦合性能方面。在搭载平台调平结设计方面，主要是通过类似于万向节的结构将地震传感器组件调平，然后用制动装置将其固定在水平位置，并实现与海底地震仪的刚性连接［2-3］。

这类方法需要将万向节制造的很精密，如果配合间隙过大则不能起到很好的固定作用，过小则可能会影响调平效果，其调平角度范围在±30°以内，且整体的耦合性能有待提高［4］。此外，大多数海底地震仪是以从船上自由落到海底的方式部署的，当仪器到达海底时，与海底的撞击也可能会损坏万向节的结构，导致仪器无法正常工作［5］。

另一方面，文献［6-7］提出将搭载平台整体设计成与海底沉积层密度相近时可以很好的解决海底地震仪与海底沉积层耦合的问题，并通过实验验证该方法的可行性。

因此，将设计一种新的海底地震传感器搭载平台，实现调平结构简单可靠、调平的角度范围基本上无限制以及整体结构耦合性能良好的功能。

2 搭载平台的结构设计

设计的搭载平台用于电缆式海底地震仪，最大工作深度为200m，主要由内封装和外封装两部分组成。

内封装结构模型，如图1所示。在内封装底座内部设计有地震传感器槽和电路板槽，为地震传感器和电路板提供安全、密闭的空间。上盖的上表面设计有配重槽，用于对内封装结构进行微调平；下表面设计有密封槽，用O型圈对内封装进行密封；中间设计有用于安装防水电缆密封接头的通孔。底座材料选用密度较大的Q235钢，上盖和挡杆选用密度较小的铝合金材料，通过计算内封装整体结构的重心在竖直方向接近底部三分之一的位置处。在自身的重力作用下，内封装可以从任何位置恢复到竖直状态，其调平力F为：

图1 内封装结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Inner Package Structure

式中：m—内封装结构的质量；θ—内封装结构的倾斜角度，即其竖轴线与垂线在重心的夹角。

外封装的结构示意图，如图2所示。外封装结构主要由上、下壳体、密封垫片和电缆密封函组成，其内部为一个球形空间。上、下壳体采用整体法兰连接，并用密封垫片进行密封。外封装球形内腔的半径与内封装底座接触弧面的半径相等，这样可以使内封装与外封装很好的配合在一起，并能够使内封装结构处于常平状态，搭载平台整体结构模型，如图3所示。工作时搭载平台球形空间内充满高粘度硅油，可以使内封装调平之后处于稳定状态，从而保证了外封装和内封装的良好耦合。电缆通过电缆密封函进入外封装内部，最后与内封装的电路板连接，为电路板提供能量，同时传输采集到的振动信号，平台实物，如图4所示。

图2 外封装结构示意图Fig.2 Schematic Diagram of Outer Package Structure

图3 搭载平台整体示意图Fig.3 Overall Schematic Diagram of Carrying Platform

图4 搭载平台实物图Fig.4 Physical Picture of Carrying Platform

根据搭载平台的工作环境和使用要求，外封装壳体的材料需要满足强度大、密度小、耐腐蚀和可加工性好等条件，所以选用5083铝合金。螺栓选用耐海水腐蚀和高强度的316L不锈钢，法兰密封面类型选为平面密封，密封垫片选用无石棉芳纶橡胶垫片。经计算，搭载平台的整体密度约在2000kg∕m3左右，与海底沉积层的密度接近，可以与其有良好的耦合。

3 搭载平台耦合性能仿真研究

在搭载平台内、外封装结构配合完成调平之后，需要它们能够很好的耦合在一起，以保证振动信号在搭载平台结构中的传输没有失真。故采用了有限元分析软件Abaqus 中显示动力学分析［8］的耦合欧拉—拉格朗日（CEL：Coupled Eulerian Lagrangian）算法，研究搭载平台填充不同粘度硅油时，在振动载荷作用下平台整体结构的耦合效果。

3.1 Abaqus中流固耦合CEL方法简介

在Abaqus∕Explicit中，欧拉材料可以通过欧拉-拉格朗日接触与拉格朗日元素相互作用；包括这种接触的模拟通常被称为CEL分析。CEL方法吸取欧拉和拉格朗日网格的优点，采用网格固定而材料可在网格中自由流动的方式，解决了大位移问题中单元变形奇异的弊端，可模拟流体流动、液体晃动等问题。

3.2 硅油材料的水动力行为模型

Abaqus∕Explicit材料库中的状态模型方程，用于描述材料的水动力行为。它是一个本构方程，将压力定义为密度和内能的函数。硅油可视为近似不可压缩的、粘滞性流体介质。采用线性Us-UpHugoniot形式的Mie-Gru¨neisen状态方程描述硅油介质的体积响应。其常用形式为：

式中：pH—Hugoniot压力；EH—Hugoniot比能，均仅为密度的函数；Gru¨neisen比率Γ定义为Γ=Γ0ρ0∕ρ，Γ0—材料常数；ρ0—参考密度。而EH = pHη∕2ρ0，其中，标称体积压缩应变η= 1 -ρ0∕ρ。从上述方程中消除EH和Γ得到：

对Hugoniot数据的一个常见拟合是：

其中，c0和s定义冲击速度Us和粒子速度Up之间的线性关系，即：Us=c0+sUp。

由上述公式可得：

式中：ρ0c20—小的标称应变下的弹性体积模量。

通过以上状态方程，即可定义硅油介质的静水力行为，并控制材料的体积响应。硅油的流动阻抗通过偏量应力与应变率之间的关系来描述，即：

式中：S—偏量应力˙—应变率的偏量部分；η—粘性；˙=˙—工程切应变率。

通过式（4）和式（5）即可定义硅油的粘性剪切行为，其线性Us-UpHugoniot形式的Mie-Gru¨neisen状态方程基本参数为：s=1.703，c0= 1.572km∕s，Γ0= 0.2［10］，密度：ρ= 963kg∕m3。

3.3 搭载平台仿真模型

搭载平台内封装结构置于外封装内，并处于水平状态，如图5所示。平台放置在地板上，并被欧拉区域完全包裹。将欧拉区域六个面的速度设置为0，禁止材料流入或流出该区域；平台内、外封装之间的区域充满硅油。将搭载平台结构设置为刚体，硅油与搭载平台各部件之间采用通用接触；重力载荷为9.8N∕kg，给地板施加一段历时4s 的水平地震载荷。硅油的粘度分别设置为0.1kcs、0.5kcs、1kcs、5kcs、10kcs，并以无硅油组作为对照组，研究不同粘度硅油对搭载平台耦合度的影响。

图5 搭载平台CEL仿真模型Fig.5 CEL Simulation Model of Carrying Platform

3.4 仿真结果与分析

输出搭载平台外封装参考点和内封装地震传感器相应位置的参考点的水平振动信号，并导入到Matlab中计算两组信号的相干性，相干性通过相干函数Cxy（f）来计算，相干函数是一个在频域中描述两个振动信号x和y相关特性的函数，定义为：

式中：Pxx（f）和Pyy（f）—信号x和y的功率谱密度；Pxy（f）—信号x和y之间的互谱密度；Cxy（f）—信号x和y在频率f处的相干性系数。当0 ≤Cxy(f) ≤1，且Cxy(f)= 0 时，x和y不相干；Cxy(f)= 1 时，x和y完全相干。在实际应用中，当Cxy(f) ≥0.9时，可认为两组信号的相干性很好。

仿真结果，每个结果中上、中、下图表分别为内、外封装振动信号的功率谱密度、两个振动信号的相干度，如图6所示。仿真结果表明，搭载平台结构的固有频率在10Hz左右；硅油可以有效消除结构共振的影响；随着硅油粘度的增加，搭载平台内外振动信号的相干度越来越好，即其耦合性越来好。但是在硅油粘度增加到1kcs之后，继续增加硅油粘度，相干度的改善效果不再明显。同时高粘度硅油的存在也会影响平台的调平速度和效果，所以综合考虑，选择1kcs粘度的硅油。

图6 无硅油和不同粘度硅油填充时的仿真结果Fig.6 Simulation Results Without Silicone Oil and Silicone Oil of Different Viscosities

4 实验与结果分析

4.1 搭载平台调平性能的测试与结果分析

调平功能是搭载平台最重要的功能之一，是保证地震传感器正常工作的前提条件。实验采用BWT901CL型的姿态角度传感器测量平台的调平角度误差范围和调平时间，其动态角度精度为0.1°，数据采用无线蓝牙进行传输。实验中将角度传感器固定在内封装挡杆上端，装有水平地震传感器的内封装结构放置在外封装下壳体中，其中装有适量硅油，外封装下壳体放置在地板上，如图7所示。

图7 平台调平性能测试实验实物图Fig.7 Physical Picture of Platform Leveling Performance Test Experiment

在不同方向对内封装施加力，使其倾斜一定角度后释放，然后通过姿态角度传感器记录并输出内封装结构的角度变化信息，导入到中Excel进行处理分析。

经过多次实验，搭载平台结构的调平性能可靠，可在30s内将内封装结构调平到水平±1°以内。并且在实验中发现，平台结构调平之后静置72h，其内封装底座和外封装下壳体的配合面会很好的粘接在一起，此时内外封装几乎成为刚体。这是由于1kcs粘度硅油的表面张力为21.2mN∕m，钢铁和铝的表面张力分别在（42～46）mN∕m 和（32～36）mN∕m 之间，根据吸附理论，可将硅油看作胶粘剂，内封装底座和外封装下壳体看作被粘物，胶粘剂进会入被粘物表面的凹坑与孔隙形成良好润湿，从而使两材料间的分子充分接触，产生很强得界面力。此外，当金属与非金属材料（如高分子胶黏剂）密切接触时，由于金属对电子的亲和力低，容易失去电子；而非金属对电子亲和力高，容易得到电子，故电子可以从金属移向非金属，并形成双电层，产生界面静电引力［11］。所以，搭载平台内、外封装结构在硅油的作用下，静置一段时间后会很好的固结在一起，有利于搭载平台整体结构的耦合。

4.2 搭载平台耦合性能的测试与结果分析

实验主要测试在水平方向上平台结构的耦合性能。实验用的地震传感器型号为SN4-4.5Hz水平数字地震传感器，其量程为（2～800）Hz，自然频率为4.5Hz；信号采集卡的型号为NI-USB-6343；振动信号的显示与存储用LabVIEW软件操作完成；采集到的信号用Matlab软件处理。实验系统框图，如图8所示。实验所用器材的实物图，如图9所示。

图8 实验系统框图Fig.8 Block Diagram of the Experimental System

图9 实验系统实物图Fig.9 Physical Diagram of Experimental System

第一组实验测试搭载平台中无液体填充时的耦合性，将一个安装有水平地震传感器的搭载平台放置在试验台的中心位置；将另一个同型号的水平地震传感器固定在搭载平台上壳体的中间位置。两个地震传感器相互平行，都处于水平状态。测试过程中分别对实验台施加水平和与水平面向下成45°角的随机振动载荷，施加的方位分别为搭载平台的正前、正后、左前、右前、左后、右后六个方向。采样频率设置为400Hz，采样时间为4s，信号采集完成之后，用Matlab计算两组信号的相干性。第二组实验测试内、外封装之间充满1kcs粘度硅油时搭载平台的耦合性；第三组实验研究在内、外封装之间充满1kcs 粘度硅油后静置72h 后平台的耦合性；操作步骤均同第一组。实验完成之后，对采集到的数据进行处理，由于在不同方向载荷的作用下，实验结果所呈现的规律基本相同，所以仅选正前方载荷作用下的结果进行分析。

第一组结果，如图10 所示。两个地震传感器的相干性在10Hz及其倍频附近比较差，这是由于搭载平台的固有频率约为10Hz，从而产生共振造成的结果。水平方向载荷作用下，在（5～15）Hz，（35～55）Hz和（65～135）Hz的频段内相干性比较好；在向下45°方向载荷的作用下，实验结果规律与水平方向的基本一致，但是相干性较差，在90Hz 以后更差一些。因为此时实验台会有垂直方向的振动，影响了水平地震传感器的测试结果。

图10 第一组实验数据处理结果Fig.10 Processing Results of the First Group of Experimental Data

第二组实验结果，如图11 所示。水平载荷作用下，在（5～120）Hz的频率范围内除20Hz附近外，相干度基本上都达到了0.9以上；向下45°方向载荷的作用下，在（5～25）Hz频率范围内相干性较差，在（30～110）Hz频率范围内相干性好。对比第一组结果可以发现，硅油在很大程度上能够消除共振的影响。

图11 第一组实验数据处理结果Fig.11 Processing Results of the First Group of Experimental Data

第三组实验结果，如图12 所示。水平载荷作用下，在（5～150）Hz 的频率范围内除20Hz 附近外，相干度基本上都达到0.9以上；向下45°方向载荷的作用下，在（5～150）Hz的频率范围内除10和20Hz附近外，其余部分与水平方向载荷作用下的结果基本一样。对比第二组结果可以发现，第三组实验中两个地震传感器的相干性更好，而且频带范围更宽，这说明了在设计中硅油不仅起到了润滑和阻尼的作用，同时也有类似于粘接剂的作用。在内封装结构完成调平之后，内封装结构的重力作用，以及搭载平台静置时间的增加，都会使内外封装之间粘接的更牢固，也即使搭载平台的耦合性更好。

图12 第一组实验数据处理结果Fig.12 Processing Results of the First Group of Experimental Data