海底地震傳感器搭載平臺的設計與耦合性能研究

李靈程，郝惠敏，黃家海，徐國慶

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

海底地震儀在油氣探測、科學研究、防災減災等方面有廣泛的用途，是海底科學研究中必不可少的儀器［1］，其中，海底地震傳感器搭載平臺是海底地震儀的重要組成部分。目前對于搭載平臺的研究主要集中在調平結構設計和平臺整體耦合性能方面。在搭載平臺調平結設計方面，主要是通過類似于萬向節的結構將地震傳感器組件調平，然后用制動裝置將其固定在水平位置，并實現與海底地震儀的剛性連接［2-3］。

這類方法需要將萬向節制造的很精密，如果配合間隙過大則不能起到很好的固定作用，過小則可能會影響調平效果，其調平角度范圍在±30°以內，且整體的耦合性能有待提高［4］。此外，大多數海底地震儀是以從船上自由落到海底的方式部署的，當儀器到達海底時，與海底的撞擊也可能會損壞萬向節的結構，導致儀器無法正常工作［5］。

另一方面，文獻［6-7］提出將搭載平臺整體設計成與海底沉積層密度相近時可以很好的解決海底地震儀與海底沉積層耦合的問題，并通過實驗驗證該方法的可行性。

因此，將設計一種新的海底地震傳感器搭載平臺，實現調平結構簡單可靠、調平的角度范圍基本上無限制以及整體結構耦合性能良好的功能。

2 搭載平臺的結構設計

設計的搭載平臺用于電纜式海底地震儀，最大工作深度為200m，主要由內封裝和外封裝兩部分組成。

內封裝結構模型，如圖1所示。在內封裝底座內部設計有地震傳感器槽和電路板槽，為地震傳感器和電路板提供安全、密閉的空間。上蓋的上表面設計有配重槽，用于對內封裝結構進行微調平；下表面設計有密封槽，用O型圈對內封裝進行密封；中間設計有用于安裝防水電纜密封接頭的通孔。底座材料選用密度較大的Q235鋼，上蓋和擋桿選用密度較小的鋁合金材料，通過計算內封裝整體結構的重心在豎直方向接近底部三分之一的位置處。在自身的重力作用下，內封裝可以從任何位置恢復到豎直狀態，其調平力F為：

圖1 內封裝結構示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Inner Package Structure

式中：m—內封裝結構的質量；θ—內封裝結構的傾斜角度，即其豎軸線與垂線在重心的夾角。

外封裝的結構示意圖，如圖2所示。外封裝結構主要由上、下殼體、密封墊片和電纜密封函組成，其內部為一個球形空間。上、下殼體采用整體法蘭連接，并用密封墊片進行密封。外封裝球形內腔的半徑與內封裝底座接觸弧面的半徑相等，這樣可以使內封裝與外封裝很好的配合在一起，并能夠使內封裝結構處于常平狀態，搭載平臺整體結構模型，如圖3所示。工作時搭載平臺球形空間內充滿高粘度硅油，可以使內封裝調平之后處于穩定狀態，從而保證了外封裝和內封裝的良好耦合。電纜通過電纜密封函進入外封裝內部，最后與內封裝的電路板連接，為電路板提供能量，同時傳輸采集到的振動信號，平臺實物，如圖4所示。

圖2 外封裝結構示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Outer Package Structure

圖3 搭載平臺整體示意圖Fig.3 Overall Schematic Diagram of Carrying Platform

圖4 搭載平臺實物圖Fig.4 Physical Picture of Carrying Platform

根據搭載平臺的工作環境和使用要求，外封裝殼體的材料需要滿足強度大、密度小、耐腐蝕和可加工性好等條件，所以選用5083鋁合金。螺栓選用耐海水腐蝕和高強度的316L不銹鋼，法蘭密封面類型選為平面密封，密封墊片選用無石棉芳綸橡膠墊片。經計算，搭載平臺的整體密度約在2000kg∕m3左右，與海底沉積層的密度接近，可以與其有良好的耦合。

3 搭載平臺耦合性能仿真研究

在搭載平臺內、外封裝結構配合完成調平之后，需要它們能夠很好的耦合在一起，以保證振動信號在搭載平臺結構中的傳輸沒有失真。故采用了有限元分析軟件Abaqus 中顯示動力學分析［8］的耦合歐拉—拉格朗日（CEL：Coupled Eulerian Lagrangian）算法，研究搭載平臺填充不同粘度硅油時，在振動載荷作用下平臺整體結構的耦合效果。

3.1 Abaqus中流固耦合CEL方法簡介

在Abaqus∕Explicit中，歐拉材料可以通過歐拉-拉格朗日接觸與拉格朗日元素相互作用；包括這種接觸的模擬通常被稱為CEL分析。CEL方法吸取歐拉和拉格朗日網格的優點，采用網格固定而材料可在網格中自由流動的方式，解決了大位移問題中單元變形奇異的弊端，可模擬流體流動、液體晃動等問題。

3.2 硅油材料的水動力行為模型

Abaqus∕Explicit材料庫中的狀態模型方程，用于描述材料的水動力行為。它是一個本構方程，將壓力定義為密度和內能的函數。硅油可視為近似不可壓縮的、粘滯性流體介質。采用線性Us-UpHugoniot形式的Mie-Gru¨neisen狀態方程描述硅油介質的體積響應。其常用形式為：

式中：pH—Hugoniot壓力；EH—Hugoniot比能，均僅為密度的函數；Gru¨neisen比率Γ定義為Γ=Γ0ρ0∕ρ，Γ0—材料常數；ρ0—參考密度。而EH = pHη∕2ρ0，其中，標稱體積壓縮應變η= 1 -ρ0∕ρ。從上述方程中消除EH和Γ得到：

對Hugoniot數據的一個常見擬合是：

其中，c0和s定義沖擊速度Us和粒子速度Up之間的線性關系，即：Us=c0+sUp。

由上述公式可得：

式中：ρ0c20—小的標稱應變下的彈性體積模量。

通過以上狀態方程，即可定義硅油介質的靜水力行為，并控制材料的體積響應。硅油的流動阻抗通過偏量應力與應變率之間的關系來描述，即：

式中：S—偏量應力˙—應變率的偏量部分；η—粘性；˙=˙—工程切應變率。

通過式（4）和式（5）即可定義硅油的粘性剪切行為，其線性Us-UpHugoniot形式的Mie-Gru¨neisen狀態方程基本參數為：s=1.703，c0= 1.572km∕s，Γ0= 0.2［10］，密度：ρ= 963kg∕m3。

3.3 搭載平臺仿真模型

搭載平臺內封裝結構置于外封裝內，并處于水平狀態，如圖5所示。平臺放置在地板上，并被歐拉區域完全包裹。將歐拉區域六個面的速度設置為0，禁止材料流入或流出該區域；平臺內、外封裝之間的區域充滿硅油。將搭載平臺結構設置為剛體，硅油與搭載平臺各部件之間采用通用接觸；重力載荷為9.8N∕kg，給地板施加一段歷時4s 的水平地震載荷。硅油的粘度分別設置為0.1kcs、0.5kcs、1kcs、5kcs、10kcs，并以無硅油組作為對照組，研究不同粘度硅油對搭載平臺耦合度的影響。

圖5 搭載平臺CEL仿真模型Fig.5 CEL Simulation Model of Carrying Platform

3.4 仿真結果與分析

輸出搭載平臺外封裝參考點和內封裝地震傳感器相應位置的參考點的水平振動信號，并導入到Matlab中計算兩組信號的相干性，相干性通過相干函數Cxy（f）來計算，相干函數是一個在頻域中描述兩個振動信號x和y相關特性的函數，定義為：

式中：Pxx（f）和Pyy（f）—信號x和y的功率譜密度；Pxy（f）—信號x和y之間的互譜密度；Cxy（f）—信號x和y在頻率f處的相干性系數。當0 ≤Cxy(f) ≤1，且Cxy(f)= 0 時，x和y不相干；Cxy(f)= 1 時，x和y完全相干。在實際應用中，當Cxy(f) ≥0.9時，可認為兩組信號的相干性很好。

仿真結果，每個結果中上、中、下圖表分別為內、外封裝振動信號的功率譜密度、兩個振動信號的相干度，如圖6所示。仿真結果表明，搭載平臺結構的固有頻率在10Hz左右；硅油可以有效消除結構共振的影響；隨著硅油粘度的增加，搭載平臺內外振動信號的相干度越來越好，即其耦合性越來好。但是在硅油粘度增加到1kcs之后，繼續增加硅油粘度，相干度的改善效果不再明顯。同時高粘度硅油的存在也會影響平臺的調平速度和效果，所以綜合考慮，選擇1kcs粘度的硅油。

圖6 無硅油和不同粘度硅油填充時的仿真結果Fig.6 Simulation Results Without Silicone Oil and Silicone Oil of Different Viscosities

4 實驗與結果分析

4.1 搭載平臺調平性能的測試與結果分析

調平功能是搭載平臺最重要的功能之一，是保證地震傳感器正常工作的前提條件。實驗采用BWT901CL型的姿態角度傳感器測量平臺的調平角度誤差范圍和調平時間，其動態角度精度為0.1°，數據采用無線藍牙進行傳輸。實驗中將角度傳感器固定在內封裝擋桿上端，裝有水平地震傳感器的內封裝結構放置在外封裝下殼體中，其中裝有適量硅油，外封裝下殼體放置在地板上，如圖7所示。

圖7 平臺調平性能測試實驗實物圖Fig.7 Physical Picture of Platform Leveling Performance Test Experiment

在不同方向對內封裝施加力，使其傾斜一定角度后釋放，然后通過姿態角度傳感器記錄并輸出內封裝結構的角度變化信息，導入到中Excel進行處理分析。

經過多次實驗，搭載平臺結構的調平性能可靠，可在30s內將內封裝結構調平到水平±1°以內。并且在實驗中發現，平臺結構調平之后靜置72h，其內封裝底座和外封裝下殼體的配合面會很好的粘接在一起，此時內外封裝幾乎成為剛體。這是由于1kcs粘度硅油的表面張力為21.2mN∕m，鋼鐵和鋁的表面張力分別在（42～46）mN∕m 和（32～36）mN∕m 之間，根據吸附理論，可將硅油看作膠粘劑，內封裝底座和外封裝下殼體看作被粘物，膠粘劑進會入被粘物表面的凹坑與孔隙形成良好潤濕，從而使兩材料間的分子充分接觸，產生很強得界面力。此外，當金屬與非金屬材料（如高分子膠黏劑）密切接觸時，由于金屬對電子的親和力低，容易失去電子；而非金屬對電子親和力高，容易得到電子，故電子可以從金屬移向非金屬，并形成雙電層，產生界面靜電引力［11］。所以，搭載平臺內、外封裝結構在硅油的作用下，靜置一段時間后會很好的固結在一起，有利于搭載平臺整體結構的耦合。

4.2 搭載平臺耦合性能的測試與結果分析

實驗主要測試在水平方向上平臺結構的耦合性能。實驗用的地震傳感器型號為SN4-4.5Hz水平數字地震傳感器，其量程為（2～800）Hz，自然頻率為4.5Hz；信號采集卡的型號為NI-USB-6343；振動信號的顯示與存儲用LabVIEW軟件操作完成；采集到的信號用Matlab軟件處理。實驗系統框圖，如圖8所示。實驗所用器材的實物圖，如圖9所示。

圖8 實驗系統框圖Fig.8 Block Diagram of the Experimental System

圖9 實驗系統實物圖Fig.9 Physical Diagram of Experimental System

第一組實驗測試搭載平臺中無液體填充時的耦合性，將一個安裝有水平地震傳感器的搭載平臺放置在試驗臺的中心位置；將另一個同型號的水平地震傳感器固定在搭載平臺上殼體的中間位置。兩個地震傳感器相互平行，都處于水平狀態。測試過程中分別對實驗臺施加水平和與水平面向下成45°角的隨機振動載荷，施加的方位分別為搭載平臺的正前、正后、左前、右前、左后、右后六個方向。采樣頻率設置為400Hz，采樣時間為4s，信號采集完成之后，用Matlab計算兩組信號的相干性。第二組實驗測試內、外封裝之間充滿1kcs粘度硅油時搭載平臺的耦合性；第三組實驗研究在內、外封裝之間充滿1kcs 粘度硅油后靜置72h 后平臺的耦合性；操作步驟均同第一組。實驗完成之后，對采集到的數據進行處理，由于在不同方向載荷的作用下，實驗結果所呈現的規律基本相同，所以僅選正前方載荷作用下的結果進行分析。

第一組結果，如圖10 所示。兩個地震傳感器的相干性在10Hz及其倍頻附近比較差，這是由于搭載平臺的固有頻率約為10Hz，從而產生共振造成的結果。水平方向載荷作用下，在（5～15）Hz，（35～55）Hz和（65～135）Hz的頻段內相干性比較好；在向下45°方向載荷的作用下，實驗結果規律與水平方向的基本一致，但是相干性較差，在90Hz 以后更差一些。因為此時實驗臺會有垂直方向的振動，影響了水平地震傳感器的測試結果。

圖10 第一組實驗數據處理結果Fig.10 Processing Results of the First Group of Experimental Data

第二組實驗結果，如圖11 所示。水平載荷作用下，在（5～120）Hz的頻率范圍內除20Hz附近外，相干度基本上都達到了0.9以上；向下45°方向載荷的作用下，在（5～25）Hz頻率范圍內相干性較差，在（30～110）Hz頻率范圍內相干性好。對比第一組結果可以發現，硅油在很大程度上能夠消除共振的影響。

圖11 第一組實驗數據處理結果Fig.11 Processing Results of the First Group of Experimental Data

第三組實驗結果，如圖12 所示。水平載荷作用下，在（5～150）Hz 的頻率范圍內除20Hz 附近外，相干度基本上都達到0.9以上；向下45°方向載荷的作用下，在（5～150）Hz的頻率范圍內除10和20Hz附近外，其余部分與水平方向載荷作用下的結果基本一樣。對比第二組結果可以發現，第三組實驗中兩個地震傳感器的相干性更好，而且頻帶范圍更寬，這說明了在設計中硅油不僅起到了潤滑和阻尼的作用，同時也有類似于粘接劑的作用。在內封裝結構完成調平之后，內封裝結構的重力作用，以及搭載平臺靜置時間的增加，都會使內外封裝之間粘接的更牢固，也即使搭載平臺的耦合性更好。

圖12 第一組實驗數據處理結果Fig.12 Processing Results of the First Group of Experimental Data

5 結論

采用Abaqus中CEL方法建立搭載平臺內、外封裝結構與硅油的流固耦合有限元模型，研究在隨機振動載荷作用下不同粘度硅油對搭載平臺結構耦合的影響。結果表明搭載平臺中填充硅油可以有效消除共振的影響；硅油粘度增大會改善搭載平臺耦合性能；以及設計中使用的最佳硅油粘度應為1kcs。

通過實驗表明設計的搭載平臺可以在30s內將內裝結構調平到1°以內，具有良好的調平性能；且搭載平臺結構在（5～150）Hz的頻段內除20Hz附近外都有良好的耦合性。