張川 周建平 阮愛國 翁利春 段磊 曾錦鋒 陳寧特

摘要：海底地震儀是一種重要的海洋地震觀測(cè)設(shè)備。針對(duì)中國近岸淺海洋流噪聲大和人類活動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，提出鏈?zhǔn)降卣鹩^測(cè)方式并對(duì)鏈?zhǔn)胶５椎卣饍x節(jié)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先根據(jù)內(nèi)部構(gòu)件尺寸與布局對(duì)地震儀節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì);然后通過理論計(jì)算與有限元仿真方式確定地震儀節(jié)點(diǎn)倉體的殼體厚度、端蓋厚度和密封尺寸;最后通過壓力試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的地震儀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的耐壓和水密性能符合要求，通過地震觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證其接收天然地震的能力。此鏈?zhǔn)胶５椎卣饍x未來將應(yīng)用于浙江近海的實(shí)際地震觀測(cè)，提供實(shí)時(shí)連續(xù)的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：鏈?zhǔn)降卣饍x; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 仿真計(jì)算; 壓力試驗(yàn); 地震試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： P755.2????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）03-0672-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230330001

Structural design and experiments of cabled ocean-bottom seismometer nodes

ZHANG Chuan1，2， ZHOU Jianping2，3，4， RUAN Aiguo1，2， WENG Lichun5，DUAN Lei6， ZENG Jinfeng5， CHEN Ningte2

（1.School of Oceanography， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200030， China;2. Second Institute of Oceanography， Ministry of Natural Resources， Hangzhou 310012， Zhejiang， China;3. Marine Intelligent Observation Technology Innovation Center， Ministry of Natural Resource， Hangzhou 310012， Zhejiang， China;4. Jiangsu Far Reaching Marine Information Technology and Equipment Innovation Center， Changzhou 213001， Jiangsu， China;5. Hangzhou Hanlu Ocean Technology Co.， Ltd， Hangzhou 311200， Zhejiang， China;6. School of Naval Architecture， Ocean & Civil Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：?Ocean-bottom seismometers represent crucial marine seismic observation instruments. Considering the loud ocean currents and frequent human activities in China's offshore shallow waters， we proposed a chain seismic observation method and designed the mechanical structure of a cabled ocean-bottom seismometer node. First， the overall structure of the seismometer node was designed based on the dimensions and layouts of its internal components. Subsequently， the hull thickness， end cover thickness， and sealing dimension were determined based on theoretical calculations and finite element simulations. Finally， a pressure test verified the pressure resistance and water tightness of the designed seismometer node structure， while a comparative seismic observation test validated the structure's ability to detect natural earthquakes. Considering these accomplishments， the designed cabled ocean-bottom seismometer is planned to be deployed for actual seismic observations in the offshore area of the Zhejiang Province to gather real-time and continuous seismic observation data.

Keywords：cabled seismometer; structural design; simulation calculation; pressure test; seismic test

0 引言

全球天然地震有85%發(fā)生在海洋區(qū)域，對(duì)海洋地震進(jìn)行觀測(cè)與研究具有重大意義。我國海域面積遼闊，沿海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。以東海為例，東海是我國的東部近海，我國很多經(jīng)濟(jì)大省都與其相鄰，東海大陸架寬廣，淺水范圍比較大，其中浙江近海島礁區(qū)地貌復(fù)雜，海底水動(dòng)力作用比較活躍［1］。海底地震儀是一種直接把地震檢波器放置在海底的地震觀測(cè)儀器。在東海大陸架布放海底地震儀，可以對(duì)海洋地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警，保障我國東海大型海洋工程以及沿岸城市的安全［2］，也可以對(duì)地球深部構(gòu)造研究提供數(shù)據(jù)支持［3-4］。目前最常見的海底地震儀為自浮式地震儀，其通過將地震計(jì)封裝在外殼內(nèi)并投放到海底來接收地震信號(hào)。國際上美、德、英、法等國都有相對(duì)成熟的自浮式地震儀，國內(nèi)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研制的I-4C、I-7C型地震儀［5-6］以及南方科大研制的分體式地震儀磐鯤［7］都已經(jīng)成功應(yīng)用。但是陸架淺海區(qū)域的海底洋流噪聲以及水面船只和人類活動(dòng)噪聲較大，會(huì)影響到暴露在海底表面的儀器安全，因此，自浮式地震儀觀測(cè)方式不能適應(yīng)淺水區(qū)的長(zhǎng)期觀測(cè)要求。

為了在淺海大陸架區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期地震觀測(cè)，需要選擇合理的地震觀測(cè)方式。國際上，加拿大Neptune［8］海底觀測(cè)網(wǎng)和美國OOI［9］海底觀測(cè)網(wǎng)通過在光電纜上連接自浮式地震儀來進(jìn)行海洋地震觀測(cè)。近年來我國在自浮式地震儀的基礎(chǔ)上也開展了一些改進(jìn)研究。2015年周建平等國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題：“基于觀測(cè)網(wǎng)的海底地球物理環(huán)境長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)和集成（2012AA09A404 ）”技術(shù)報(bào)告，2016.通過國家863計(jì)劃“海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)”重大項(xiàng)目支持研究，在我國首次實(shí)現(xiàn)了深水遠(yuǎn)距離的基于陸基的光纜實(shí)時(shí)在線地震和地磁觀測(cè)。從觀測(cè)結(jié)果來看，即使在南海深海盆地，置放在海底表面的地震儀記錄的水平噪聲仍明顯大于垂直噪聲。2018年郝天珧等［10］在福建浯嶼島海底建立了地震觀測(cè)臺(tái)，利用光電纜把地震觀測(cè)臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨渡系臄?shù)據(jù)中心，但是此站點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體積相對(duì)較大，難以埋在沉積物之下，儀器的降噪和生存安全難以保證。

鏈?zhǔn)胶５椎卣鹩^測(cè)是一種較為新型的地震觀測(cè)方式，其通過海底光電纜將一個(gè)個(gè)地震儀節(jié)點(diǎn)連接起來，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部都有地震計(jì)，地震儀節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)可以通過光電纜實(shí)時(shí)傳回陸地基站，而陸地基站也可以通過光電纜給地震儀供電，這種在線式有纜地震觀測(cè)方式可以對(duì)海洋地震開展實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)。通過對(duì)鏈?zhǔn)降卣饍x進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與布放，可有效限制淺海噪聲大的問題。在鏈?zhǔn)降卣饍x領(lǐng)域，日本走在前列，已經(jīng)發(fā)展了一些比較成熟的鏈?zhǔn)降卣鹩^測(cè)系統(tǒng)，比如DONET［11］、S-net［12］等。其中DONET觀測(cè)系統(tǒng)布置有20個(gè)海底觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間相距10～30 km不等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)搭載有地震儀、水聽器、壓力計(jì)等傳感器，其中地震儀被埋設(shè)到海底1 m以下來減少環(huán)境噪聲干擾。S-net觀測(cè)系統(tǒng)在全長(zhǎng)5 500 km的海底光電纜上連接有150個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，有些節(jié)點(diǎn)的布設(shè)水深超過了7 000 m。

國外的相關(guān)技術(shù)并不對(duì)我國開放，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)我國陸架淺海區(qū)域的地震觀測(cè)，擬設(shè)計(jì)出一套能應(yīng)用于浙江近海的鏈?zhǔn)降卣鹩^測(cè)系統(tǒng)。其需要滿足可實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)、噪聲小、安裝布設(shè)方便等特點(diǎn)，并且觀測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)不小于3。考慮到近淺海海底的復(fù)雜環(huán)境以及頻繁的漁業(yè)活動(dòng)，擬將地震儀埋設(shè)布放，這種布放方式也能使地震儀與海底有更好的耦合從而接收到質(zhì)量更好的地震信號(hào)。鏈?zhǔn)降卣饍x節(jié)點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整體設(shè)計(jì)的第一步也是比較關(guān)鍵的一步，其結(jié)構(gòu)需要滿足水密耐壓、地震計(jì)良好耦合、低機(jī)械噪聲和小型化輕型化等要求。本文對(duì)地震儀節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)和耐壓殼體、端蓋、水密等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真分析，得到了符合要求的地震儀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)地震儀結(jié)構(gòu)的有效性。

1 鏈?zhǔn)降卣饍x節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)

研制的海底鏈?zhǔn)降卣饍x設(shè)備包括三個(gè)地震儀節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過水密接插件和光電纜串聯(lián)并連接到陸地基站。除了地震儀殼體本身外，一個(gè)地震儀節(jié)點(diǎn)還包含三維地震計(jì)、姿態(tài)傳感器、控制電路和水聽器等構(gòu)件。除水聽器外，耐壓殼體可以為其他非水密構(gòu)件提供水密性的安裝空間。

海洋裝備的耐壓殼體外形一般選擇球殼型或者圓柱殼型等規(guī)則的曲面薄殼結(jié)構(gòu)［13］，這種結(jié)構(gòu)的承壓能力相對(duì)較高，且加工也相對(duì)容易?？紤]到鏈?zhǔn)胶５椎卣饍x節(jié)點(diǎn)之間需要通過水密光電纜進(jìn)行串連，圓柱形結(jié)構(gòu)兩端圓面是安裝水密接插件的最佳選擇，并且圓柱形結(jié)構(gòu)也易于在海底進(jìn)行埋設(shè)，所以本文所設(shè)計(jì)的耐壓殼體選擇圓柱殼型結(jié)構(gòu)。

鏈?zhǔn)降卣饍x節(jié)點(diǎn)耐壓殼體的尺寸取決于內(nèi)部構(gòu)件的尺寸及安裝要求。在其他參數(shù)變化不大的前提下，選擇體積較小的構(gòu)件以滿足小型化要求。地震計(jì)作為地震儀內(nèi)部最重要的構(gòu)件，其需要與殼體剛性連接，這樣地面振動(dòng)信號(hào)才能在不失真的前提下通過殼體傳遞到地震計(jì)。姿態(tài)傳感器的作用是接收實(shí)時(shí)方位信息，其需要與地震計(jì)平行放置，即姿態(tài)傳感器的x軸、y軸、z軸要分別平行于地震計(jì)的x軸、y軸、z軸，這樣姿態(tài)傳感器接收的姿態(tài)信息就是地震計(jì)的實(shí)時(shí)姿態(tài)。其他系統(tǒng)構(gòu)件需要與地震計(jì)分開，以減弱機(jī)械噪聲干擾，從而使地震計(jì)接收到質(zhì)量較好的地震信號(hào)。綜合考慮到地震儀節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)構(gòu)件的尺寸和安裝要求，新研制的地震儀節(jié)點(diǎn)的耐壓殼體圓筒內(nèi)空長(zhǎng)度L=400 mm，耐壓殼內(nèi)徑Di=143 mm，同時(shí)從光電纜到耐壓殼體之間設(shè)計(jì)有過渡性結(jié)構(gòu)。耐壓殼體可以對(duì)內(nèi)部元器件起到保護(hù)作用，殼體兩端的塑料錐套對(duì)耐壓殼體外的相關(guān)構(gòu)件起保護(hù)作用，同時(shí)對(duì)海底洋流起到緩沖作用，有利于地震計(jì)接收到良好的地震信號(hào)。

最后設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)降卣饍x節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的剖視圖如圖1所示。

2 地震儀節(jié)點(diǎn)耐壓性能設(shè)計(jì)

中國近海陸架的最大水深約200 m，對(duì)應(yīng)的海水壓強(qiáng)約2 MPa。需要選擇合適的殼體材料和殼體厚度來滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

2.1 耐壓殼體材料選擇

水下儀器的工作環(huán)境相對(duì)來說比較惡劣，耐壓殼體材料的選擇需要從抗壓性能、耐腐蝕性、重量和體積等方面綜合考慮。通常來說，增加殼體厚度或者選擇高強(qiáng)度的材料都會(huì)使承壓性能增加，但往往又會(huì)增加成本或者使地震儀重量增加。所以需要在滿足承壓要求的前提下選擇最合適的材料、殼體厚度以及端蓋厚度。可供選擇的幾種常見耐壓殼體材料及其參數(shù)如表1所列。

從力學(xué)性能來看，三種材料屈服強(qiáng)度都比較高，選擇合適厚度都能夠滿足200 m水深的壓力條件。鋁合金密度較小，易于加工制造，材料成本也比較低，經(jīng)陽極氧化處理后耐腐蝕能力好;不銹鋼雖然耐海水腐蝕，但是其密度較大，不符合輕型化設(shè)計(jì);鈦合金重量較輕并且耐海水腐蝕，非常適合于水下設(shè)備的制造，但是其材料和加工成本相對(duì)較高。

綜合以上分析，我們研制的地震儀節(jié)點(diǎn)選擇鋁合金6061-T6作為耐壓殼體材料，并進(jìn)行表面陽極氧化處理來提高其抗腐蝕能力。

2.2 耐壓殼體的設(shè)計(jì)與仿真

本研究按照解析公式法對(duì)耐壓殼體進(jìn)行計(jì)算與校核，各種符號(hào)和國標(biāo)規(guī)范［14］保持一致。

外壓圓筒的失效形式有兩種：一種是筒體剛度不足發(fā)生失穩(wěn)破壞;另一種是筒體強(qiáng)度不夠而發(fā)生屈服失效［15］。當(dāng)圓筒外徑與圓筒厚度比值大于20時(shí)，圓筒被視作薄壁圓筒，一般來說，對(duì)于薄壁圓筒周向失穩(wěn)總是先于強(qiáng)度失效發(fā)生，所以在計(jì)算薄壁圓筒外壓承載能力時(shí)只需關(guān)注穩(wěn)定性問題。導(dǎo)致外壓筒體發(fā)生失穩(wěn)破壞的最小外部壓力稱為臨界壓力，以Pcr表示。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于200 m水深工作環(huán)境，通常都設(shè)計(jì)為薄壁圓筒，在計(jì)算時(shí)需要重點(diǎn)考慮其穩(wěn)定性。薄壁圓筒也有長(zhǎng)圓筒和短圓筒之分，當(dāng)圓筒長(zhǎng)度L大于臨界長(zhǎng)度Lcr時(shí)就屬于長(zhǎng)圓筒，反之則屬于短圓筒。

臨界長(zhǎng)度Lcr的計(jì)算公式為：

Lcr=1.17D0D0δe （1）

式中：D0為圓筒的外徑;δe為圓筒的有效厚度。

根據(jù)式（1），無論厚度取值為多少，Lcr計(jì)算結(jié)果都大于400 mm。由于本文所設(shè)計(jì)的耐壓殼體的圓筒長(zhǎng)度小于臨界長(zhǎng)度，所以屬于短圓筒。短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式為：

Pcr=2.59EδeD02.5LD0 （2）

式中：Pcr為臨界壓力;D0為筒體的外直徑;δe為筒體的有效厚度;E為材料的彈性模量。

實(shí)際情況下不允許外部壓力接近或者等于臨界壓力，必須留有一定的安全裕度。實(shí)際允許的最大外壓稱為許用壓力，用［P］表示。［P］的計(jì)算公式為：

［P］=Pcrm （3）

式中：m為安全系數(shù)，主要是考慮到計(jì)算公式的可靠性、加工制造上的誤差、材料性能存在的差異及操作工況的變化等因素，此處m取3。

對(duì)于耐壓殼體厚度的確定采用試算法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇3 mm、4 mm、5 mm及7 mm的厚度來進(jìn)行穩(wěn)定性校核。計(jì)算結(jié)果如表2所列。

根據(jù)此鏈?zhǔn)降卣饍x的使用需求，其最大工作水深200 m，工作壓力為2 MPa。從表2可知，當(dāng)耐壓殼體厚度大于4 mm時(shí)都滿足許用壓力大于工作壓力的使用要求，但是從殼體重量和設(shè)計(jì)成本考慮，最后確定的耐壓殼體厚度為4 mm。

使用ABAQUS有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)的耐壓殼體模型進(jìn)行真實(shí)應(yīng)力場(chǎng)仿真分析。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在ABAQUS中直接建立圓柱殼模型，圓柱殼外均布2 MPa海水壓力，然后畫網(wǎng)格求解計(jì)算，得到此海水壓力下耐壓殼體的應(yīng)力云圖（圖2）。

從圖2可以看出，耐壓殼體在中間大部分區(qū)域的有效應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力值在30 MPa左右;靠近兩端的有效應(yīng)力呈現(xiàn)出漸變特征，整個(gè)殼體上的應(yīng)力最大值為44.19 MPa，小于鋁合金6061-T6的屈服強(qiáng)度240 MPa，表明地震儀的耐壓殼體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需要。

2.3 端蓋的設(shè)計(jì)與仿真

端蓋的材料同樣使用鋁合金6061-T6。端蓋與耐壓殼體之間通過螺栓連接。端蓋總體上屬于實(shí)心圓板，圓板端面承受均布載荷。

根據(jù)規(guī)范［14］，端蓋的計(jì)算厚度δp按照式（4）進(jìn)行計(jì)算。

δp=DcKpc［σ］tφ （4）

式中：Dc為圓板計(jì)算直徑;K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù);pc為計(jì)算壓力;［σ］t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力;φ為焊接接頭系數(shù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，此處Dc取151 mm，K取0.25，pc取6 MPa（取安全系數(shù)3），［σ］t取240 MPa，φ取1。代入式（4），得到端蓋計(jì)算厚度為11.94 mm，最終實(shí)際取的殼體兩端端蓋厚度δ為15 mm。

同樣，在ABAQUS中對(duì)端蓋進(jìn)行建模并求解計(jì)算，得到端蓋的應(yīng)力云圖（圖3）。

由圖3可知，端蓋受壓面上的應(yīng)力都在10 MPa以上，整個(gè)端蓋上的最大應(yīng)力位于端蓋和耐壓殼體相交處，最大應(yīng)力為59.47 MPa，小于鋁合金的屈服強(qiáng)度240 MPa，端蓋的強(qiáng)度滿足使用要求。

3 密封設(shè)計(jì)與仿真

可靠的密封設(shè)計(jì)是保證地震儀在海底正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在耐壓殼體和上下端蓋之間采用O形圈進(jìn)行密封。O形圈在受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，填充在耐壓殼體和上下端蓋之間的縫隙，從而起到密封作用。除了密封性能好以外，O形圈還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安裝和拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)密封圈設(shè)計(jì)的國標(biāo)規(guī)范［16］對(duì)密封溝槽進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，其中各種符號(hào)的表示和規(guī)范保持一致。

該地震儀在海底承受的壓力基本屬于靜壓力，采用徑向密封的活塞密封溝槽形式。此密封形式如圖4所示。

選擇O形圈活塞靜密封的各項(xiàng)參數(shù)如表3所列。

密封圈選用硬度為70的丁腈橡膠材料。橡膠具有超彈性特性，在對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)需要選取合適的本構(gòu)模型。對(duì)于橡膠類材料，本構(gòu)模型的選擇有很多，如Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型、Polynomial模型、Ogden模型和Yeoh模型等［17-18］。相比于其他模型，Mooney-Rivlin模型可以更準(zhǔn)確地描述橡膠材料在發(fā)生大變形時(shí)的力學(xué)行為，所以本文選擇Mooney-Rivlin模型。Mooney-Rivlin模型的本構(gòu)關(guān)系為［19］：

W（I1，I2）=∑ni，j=0Cij（I1-3）i（I2-3）j （5）

式中：W表示應(yīng)變能密度;Cij為Rivlin系數(shù);I1、I2分別為第一和第二Green應(yīng)變不變量。

本文采用兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型，式（5）變?yōu)椋?/p>

W=C10（I1-3）+C01（I2-3） （6）

式中：C10和C01均為Mooney-Rivlin系數(shù)，對(duì)于特定材料而言，其值為正定常數(shù)。本文所使用的密封圈材料為丁腈橡膠，邵氏硬度為70，C10和C01常數(shù)分別為1.074和0.054。

使用ABAQUS有限元軟件建立的密封O形圈二維軸對(duì)稱模型如圖5所示。

與圖4相對(duì)應(yīng)，圖5的模型分為三部分：上邊為耐壓殼體，中間圓形為O形圈，下邊為端蓋部分。在ABAQUS軟件分析時(shí)定義兩個(gè)載荷步：第一步，控制端蓋和殼體之間間隙為1 mm，使O形圈處于預(yù)壓縮狀態(tài);第二步，在O形圈右端施加均布載荷，模擬O形圈受到海水壓力作用時(shí)的狀態(tài)。

圖6和7分別是2 MPa的海水壓力作用下O形圈的應(yīng)力云圖和接觸應(yīng)力分布圖。

從圖6可以看出，O形圈中間的應(yīng)力較大，四周應(yīng)力較小，O形圈上的最大應(yīng)力為3.30 MPa，小于橡膠圈的破壞應(yīng)力，所以橡膠圈不會(huì)被破壞。而從圖7（即密封壓力圖）可以看出，密封面的最大壓力達(dá)到4.99 MPa，大于密封壓力2 MPa。同時(shí)O形圈與溝槽左右端面接觸緊密，沒有被擠出溝槽，沒有發(fā)生剪切破壞，證明密封是可靠的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 水密壓力試驗(yàn)

設(shè)計(jì)好的地震儀殼體加工完成并組裝好以后，在正式投入使用以前需要進(jìn)行水密壓力試驗(yàn)來檢驗(yàn)其耐壓能力和水密性能。其中，封裝好的單個(gè)地震儀節(jié)點(diǎn)如圖8所示。

將上述封裝好的地震儀殼體置于液壓試驗(yàn)裝置中，從0開始逐級(jí)加壓到5 MPa（大于實(shí)際工作壓力）并保壓2 h，再逐漸泄壓。整個(gè)試驗(yàn)過程的加壓曲線如圖9所示。

壓力測(cè)試完成以后，地震儀殼體外部和內(nèi)部均不見任何變形和破損，同時(shí)艙體內(nèi)部也沒有滲水現(xiàn)象，證明地震儀殼體設(shè)計(jì)滿足耐壓和水密要求。

4.2 地震臺(tái)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

海底地震儀作為接收海底地面振動(dòng)信號(hào)的儀器，其設(shè)計(jì)完成以后需要進(jìn)行天然地震接收試驗(yàn)來得出其實(shí)際使用性能。

將封裝好的鏈?zhǔn)降卣饍x三個(gè)節(jié)點(diǎn)投放到浙江湖州地震臺(tái)山洞內(nèi)的蓄水池中，進(jìn)行地震觀測(cè)試驗(yàn)并做好地震數(shù)據(jù)記錄。選取試驗(yàn)期間（2022-09-09—29日）發(fā)生的大于6.0級(jí)的典型地震13個(gè)，分別對(duì)原始波形進(jìn)行去均值、去趨勢(shì)，重新采樣（采樣間隔為0.01 s）和低通濾波（<2 Hz）。對(duì)比地震儀三個(gè)節(jié)點(diǎn)和湖州臺(tái)站（標(biāo)準(zhǔn)地震臺(tái)站）記錄的三分量地震波形，結(jié)果如圖10所示，其中單個(gè)地震波形長(zhǎng)度為600 s。

從圖10中可以看出，對(duì)于大多數(shù)典型地震，三個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠有效記錄其波形，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)降卣饍x記錄地震信號(hào)的能力。而部分地震波形的記錄效果不好，這是由于鏈?zhǔn)降卣饍x所使用地震計(jì)的響應(yīng)范圍（1～300 Hz）的限制，對(duì)大地震低頻成分（通常低于1 Hz）的記錄還原度不高。

5 結(jié)語

本文開展了對(duì)鏈?zhǔn)降卣饍x節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，主要工作內(nèi)容與結(jié)論如下：

（1） 根據(jù)鏈?zhǔn)降卣饍x節(jié)點(diǎn)所包含的各種零部件，設(shè)計(jì)了符合條件的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的耐壓殼體內(nèi)徑為143 mm，長(zhǎng)度為400 mm;

（2） 選擇了鋁合金作為耐壓殼體材料，并且通過理論計(jì)算和仿真分析得出合適的殼體厚度和端蓋厚度，分別為4 mm和15 mm，并按照規(guī)范進(jìn)行了密封性能設(shè)計(jì);

（3） 靜水壓力試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐壓性能滿足使用要求;

（4） 通過實(shí)際地震觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了鏈?zhǔn)降卣饍x的地震觀測(cè)效果。

未來，本文所設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)降卣饍x將進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)并開展湖底試驗(yàn)，最后應(yīng)用于浙江近海的地震觀測(cè)。這有助于建立海底的天然地震監(jiān)測(cè)組網(wǎng)，為海洋地震預(yù)警、大型海洋工程安全評(píng)估、海底構(gòu)造研究和海洋資源開發(fā)提供幫助。

參考文獻(xiàn)（References）

［1］ 張洪沙，陳慶，孫家淞.東海海底地貌特征研究［J］.上海國土資源，2013，34（1）：46-52，80.

ZHANG Hongsha，CHEN Qing，SUN Jiasong.Seafloor landforms in the East China Sea［J］.Shanghai Land & Resources，2013，34（1）：46-52，80.

［2］ 王其，林鴻杰，李文惠，等.福建海洋地震觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)必要性研究［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（2）：39-40.

WANG Qi，LIN Hongjie，LI Wenhui，et al.Study on the necessity of Fujian marine seismic observation network construction［J］.Scientific and Technological Innovation，2019（2）：39-40.

［3］? LI J B，JIAN H C，CHEN Y J，et al.Seismic observation of an extremely magmatic accretion at the ultraslow spreading Southwest Indian Ridge［J］.Geophysical Research Letters，2015，42（8）：2656-2663.

［4］ 胡昊，阮愛國，游慶瑜，等.海底地震儀遠(yuǎn)震記錄接收函數(shù)反演：以南海西南次海盆為例［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2016，59（4）：1426-1434.

HU Hao，RUAN Aiguo，YOU Qingyu，et al.Using OBS teleseismic receiver functions to invert lithospheric structure：a case study of the southwestern subbasin in the South China Sea［J］.Chinese Journal of Geophysics，2016，59（4）：1426-1434.

［5］ 阮愛國，李家彪，陳永順，等.國產(chǎn)I-4C型OBS在西南印度洋中脊的試驗(yàn)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53（4）：1015-1018.

RUAN Aiguo，LI Jiabiao，CHEN Yongshun，et al.The experiment of broad band I-4C type OBS in the Southwest India ridge［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53（4）：1015-1018.

［6］ 郝天珧，游慶瑜.國產(chǎn)海底地震儀研制現(xiàn)狀及其在海底結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2011，54（12）：3352-3361.

HAO Tianyao，YOU Qingyu.Progress of homemade OBS and its application on ocean bottom structure survey［J］.Chinese Journal of Geophysics，2011，54（12）：3352-3361.

［7］ 劉丹，楊挺，黎伯孟，等.分體式寬頻帶海底地震儀的研制、測(cè)試和數(shù)據(jù)質(zhì)量分析［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2022，65（7）：2560-2572.

LIU Dan，YANG Ting，LI Bomeng，et al.Seismometer-detached broadband ocean bottom seismograph （OBS）：development，test，and data quality analysis［J］.Chinese Journal of Geophysics，2022，65（7）：2560-2572.

［8］ 李建如，許惠平.加拿大 “海王星” 海底觀測(cè)網(wǎng)［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26（6）：656-661.

LI Jianru，XU Huiping.NEPTUNE-Canada［J］.Advances in Earth Science，2011，26（6）：656-661.

［9］? ISERN A R.The ocean observatories initiative：wiring the ocean for interactive scientific discovery［C］//Proceedings of OCEANS 2006.Boston，USA：IEEE，2006：1924-1930.

［10］ 郝天珧，郭永剛，張藝峰，等.線纜式海底地震觀測(cè)技術(shù)：以浯嶼島海底地震觀測(cè)臺(tái)為例［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2019，62（11）：4323-4338.

HAO Tianyao，GUO Yonggang，ZHANG Yifeng，et al.Cabled seafloor observation technology： a case study of the submarine seismic station in Wuyu Island［J］.Chinese Journal of Geophysics，2019，62（11）：4323-4338.

［11］ NAKANO M，NAKAMURA T，KAMIYA S，et al.Intensive seismic activity around the Nankai trough revealed by DONET ocean-floor seismic observations［J］.Earth，Planets and Space，2013，65（1）：5-15.

［12］ MOCHIZUKI M，KANAZAWA T，UEHIRA K，et al.S-net project：construction of large scale seafloor observatory network for tsunamis and earthquakes in Japan［J/OL］.Geology，Environmental Science，Engineering，2016： 217154487[2023-03-30].https：//www.semanticscholar.org/paper/S-net-project%3A-Construction-of-large-scale-seafloor-Mochizuki-Kanazawa/6f194fb9cc91571b7d1eda455c31b4fc42dfa866.

［13］ LIANG C C，SHIAH S W，JEN C Y，et al.Optimum design of multiple intersecting spheres deep-submerged pressure hull［J］.Ocean Engineering，2004，31（2）：177-199.

［14］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).壓力容器 第1部分：通用要求：GB/T 150.1—2011［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，Standardization Administration of the People's Republic of China.Pressure vessels—part 1：general requirements：GB/T 150.1—2011［S］.Beijing：Standards Press of China，2012.

［15］ 李金科，張賢福，劉韞硯.外壓圓筒的計(jì)算及數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性分析［J］.壓力容器，2011，28（7）：35-39，54.

LI Jinke，ZHANG Xianfu，LIU Yunyan.Calculation of cylindrical shells under external pressure and numerical computation of stability analysis［J］.Pressure Vessel Technology，2011，28（7）：35-39，54.

［16］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸：GB/T 3452.3—2005［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，Standardization Administration of the People's Republic of China.Housing dimensions for O-ring elastomer seals in hydraulic and pneumatic applications：GB/T 3452.3—2005［S］.Beijing：Standards Press of China，2006.

［17］ TSCHOEGL N W.Constitutive equations for elastomers［J］.Journal of Polymer Science Part A-1：Polymer Chemistry，1971，9（7）：1959-1970.

［18］ YAMABE J，NISHIMURA S.Influence of fillers on hydrogen penetration properties and blister fracture of rubber composites for O-ring exposed to high-pressure hydrogen gas［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（4）：1977-1989.

［19］ 劉萌，王青春，王國權(quán).橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定［J］.橡膠工業(yè)，2011，58（4）：241-245.

LIU Meng，WANG Qingchun，WANG Guoquan.Determination of material constants for Mooney-Rivlin rubber model［J］.China Rubber Industry，2011，58（4）：241-245.

（本文編輯：張向紅）

基金項(xiàng)目：上海交通大學(xué)“深藍(lán)計(jì)劃”基金（SL2020ZD205）；自然資源部第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（SL2020ZD205）；國家自然科學(xué)基金（42127807，42076047）；浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021C03016）

第一作者簡(jiǎn)介：張 川（1996-），男，碩士，主要從事海洋地震儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：xzzc10@sjtu.edu.cn。

張川，周建平，阮愛國，等.鏈?zhǔn)胶５椎卣饍x節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2024，46（3）：672-679.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230330001

ZHANG Chuan，ZHOU Jianping，RUAN Aiguo，et al.Structural design and experiments of cabled ocean-bottom seismometer nodes［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：672-679.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230330001