海底多场多参量原位测量平台结构设计与液压贯入研究
摘要
海底沉积物的声学参数、热流值、磁异常、力学性质等物理场特性对水下装备性能
发挥、海底工程环境评估以及海洋科学研究具有重要的价值。目前国内外海底原位测量
设备大多仅可以进行单参量测量从而导致测量效率低下。此外，多数原位测量设备依靠
重力方式进行贯入或存在重心不稳的缺陷，无法保证设备垂直贯入或无法贯入至指定深
度导致最终测量失败。因此，为了解决上述问题，本文设计一种实现海底多种参量同步
原位测量的装置并针对其机械结构以及液压贯入技术展开研究，主要研究内容如下：
第一、总结国内外海底原位测量设备的应用和研究概况提出存在不足和问题，并针
对上述问题提出本文海底多参量原位测量平台总体方案设计与具体组成部分，即采用液
压驱动的方式将探杆贯入海底沉积物，从而保证平台垂直贯入和稳定工作；通过详细介
绍平台整体的工作原理提出该设备的优点。
第二、根据设备总体方案与其组成部分通过Solidworks软件建立海底多参量原位测
量平台总体模型，并对关键结构和零部件进行详细设计计算和强度校核，包括总体框架、
起吊层提环、电子舱以及探杆等；接着，对探杆贯入阻力分析进行数值仿真为后续涉及
提供理论依据；最后对设备设备进行布局并计算出整体重心位置验证满足设计要求。
第三、根据总体方案中对贯入结构的要求从而对海底多参量原位测量平台的液压模
块进行研究：首先根据贯入阻力确定液压系统所需的工作参数，并根据参数对夹紧与贯
入结构进行机械设计，接着根据液压工作方案完成模块中液压回路原理图的设计。
第四、为了分析平台在水中不同工作状态受到的影响，利用FLUENT软件对海底多
参量原位测量平台进行流体仿真，通过仿真计算得出平台在不同水流冲击下的水阻力、
流场速度分布等结果，通过结果分析为平台释放速度提供参考并为平台结构以及设备布
局进行优化改进。
第五、研究了在不同的坐底速度下，海底原位测量平台在表层沉积物中下沉深度的
相关问题。运用ExplicitDynamics模块对平台在海底沉积物上坐底过程进行仿真。分析
平台以不同速度与沉积物坐底碰撞时的动力响应，根据仿真数据，给出了平台的坐底速
度与沉降关系的方程。
本文设计的海底多参量原位测量平台能够实现海底沉积物的声学、热流、磁性和力
学等多种物理场参数的同步测量并提高了海底原位测量的效率和稳定性。其中对平台的
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
总体方案、关键结构、液压模块和流体仿真等方面进行了详细的研究和设计，为海底多
参量原位测量设备的发展和应用提供一定的参考价值。
关键词：海底原位测量；结构设计；液压系统；流体仿真；有限元分析
海底多场多参量原位测量平台结构设计与液压贯入研究
ABSTRACT
Acousticparameters,heatflowvalues,magneticanomalies,mechanicalpropertiesandother
physicalfieldpropertiesofseafloorsedimentsareofgreatvaluetotheperformanceof
underwaterequipment,theassessmentofseafloorengineeringenvironmentandmarine
scientificresearch.Atpresent,mostofthein-situmeasurementequipmentathomeandabroad
canonlyperformsingle-parametermeasurements,whichleadstolowmeasurementefficiency.
Inaddition,mostofthein-situmeasurementdevicesrelyongravityforpenetrationorhavethe
defectofunstablecenterofgravity,which