框架型人工魚礁布放過程的動(dòng)力學(xué)分析

隋吉盛， 鄭中強(qiáng)， 常宗瑜,2， 于振江

(1 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島，266100；2 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島，266100)

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框架型人工魚礁布放過程的動(dòng)力學(xué)分析

隋吉盛1， 鄭中強(qiáng)1， 常宗瑜1,2， 于振江1

(1 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島，266100；2 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島，266100)

摘要：為解決不當(dāng)?shù)娜斯~礁布放操作導(dǎo)致的魚礁碰撞破壞、布置點(diǎn)偏離目標(biāo)地點(diǎn)過大等問題，對靜水環(huán)境下框架型人工魚礁布放的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究?；谌斯~礁下落過程的水動(dòng)力學(xué)模型、魚礁與海底接觸碰撞模型，對現(xiàn)有碰撞力公式進(jìn)行合理修正，建立了人工魚礁布放過程的整體動(dòng)力學(xué)方程；采用數(shù)值方法對動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解，得到魚礁下落速度以及不同海底底質(zhì)條件下的著底沖擊力。分析表明，海底底質(zhì)越硬，著底沖擊力越大。采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對魚礁在不同初始姿態(tài)下的布放過程進(jìn)行模擬，采用有限元軟件ANSYS Workbench對魚礁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，魚礁初始姿態(tài)傾斜角度越大，下落達(dá)到的穩(wěn)定速度越小；棱著底的最大沖擊力比面著底的要小，但產(chǎn)生的應(yīng)力更大；最大應(yīng)力發(fā)生在著底棱的中部。本研究可為合理規(guī)劃人工魚礁的布放和人工魚礁的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：人工魚礁；布放；動(dòng)力學(xué)；模擬

人工魚礁是海洋牧場建設(shè)的重要組成部分，魚礁沉設(shè)在海底，產(chǎn)生餌料效應(yīng)、流場效應(yīng)等，能夠誘集魚類，保護(hù)和增殖漁業(yè)資源[1-2]。當(dāng)前人工魚礁的研究方向主要集中在生物技術(shù)、礁體設(shè)計(jì)以及流場效應(yīng)等方面[3-6]，對人工魚礁布放過程的研究甚少。不當(dāng)?shù)娜斯~礁布放操作會(huì)產(chǎn)生魚礁碰撞受到破壞、布置點(diǎn)偏離目標(biāo)地點(diǎn)過大等問題。一般應(yīng)用較多的投放方法是從船臺(tái)投下或把魚礁吊起送到水面后脫鉤投放[7]。投放地點(diǎn)最好為硬質(zhì)海底，水深一般在10～60 m，流速以不超過0.77 m/s為宜[8-9]。

在人工魚礁布放理論研究方面，中村充[10]提出人工魚礁下落速度和著底沖擊力的計(jì)算公式，但未考慮海底基底的阻尼效應(yīng)；松見吉晴等[11-12]分析了人工魚礁的投放姿態(tài)對下落姿態(tài)和著底沖擊力的影響；王磊等[13]對船形魚礁的沉降過程進(jìn)行了分析計(jì)算，得出船形魚礁的下落速度、時(shí)間。在人工魚礁布放實(shí)驗(yàn)方面，鈴木達(dá)雄[14]對人工魚礁投放后的分散情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水深越深，分散程度越大；劉同渝等[15]發(fā)現(xiàn)沖擊力與礁體的相對密度有關(guān)，即相對密度越小，沖擊力越??；Huang[16]認(rèn)為海底底質(zhì)為巖石時(shí)的沖擊力是魚礁自重的9.7倍，而沙質(zhì)海底時(shí)的沖擊力為魚礁自重的3.7倍；秀島好昭等[17]通過角型魚礁的碰撞實(shí)驗(yàn)提出了魚礁沖擊時(shí)應(yīng)力的計(jì)算方法。在人工魚礁布放數(shù)值模擬研究方面，Sol Han等[18]用ANSYS CFX軟件計(jì)算魚礁下落的速度、位移和動(dòng)能。

本文對靜水環(huán)境下人工魚礁布放過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究，在相關(guān)研究[10]的基礎(chǔ)上，對人工魚礁布放過程的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了修正，采用數(shù)值積分方法進(jìn)行求解；采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 模擬魚礁布放的整個(gè)過程，并采用有限元軟件ANSYS Workbench對魚礁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，為人工魚礁的布放和設(shè)計(jì)提供參考。

1人工魚礁布放過程的動(dòng)力學(xué)分析

小型混凝土框架型人工魚礁因其結(jié)構(gòu)簡單、工作性能優(yōu)良、制造成本低而被廣泛使用[19]。以某混凝土框架型人工魚礁為例，對其布放過程進(jìn)行了研究。框架型人工魚礁三維模型如圖1所示，其參數(shù)與數(shù)值分別為：魚礁外形尺寸為2 m×2 m×2 m，每個(gè)面挖空尺寸為1.6 m×1.6 m，密度σ為2 500 kg/m3，體積V為0.832 m3，魚礁迎水面的面積A為1.44 m2。

圖1　框架型人工魚礁三維模型Fig.1　Three-dimensional model of a frame-type artificial reef

1.1人工魚礁下落過程中的受力分析

魚礁投放后在海水中下落過程受到的力包括重力、浮力、水動(dòng)力和魚礁與海底產(chǎn)生的碰撞力。魚礁所受到的水動(dòng)力可以根據(jù)Morison方程計(jì)算[19]：

(1)

式中：u—魚礁下落速度，m/s；ρ—海水密度，kg/m3；V—魚礁體積，m3；CD—魚礁阻力系數(shù)，此處取2.0；A—魚礁迎水面的面積，m2；CMA—魚礁附加質(zhì)量系數(shù)，此處取1.0。

參照Gobat[20]將海底基底簡化為具有線彈性系數(shù)及阻尼的物理模型，對人工魚礁觸底時(shí)的碰撞力公式[10]進(jìn)行修正：

(2)

式中：KR—海底基底反力彈性系數(shù)，kg/m2；ε—海底基底的變形，m；c—阻尼系數(shù)，Ns/m。根據(jù)魚礁的落下實(shí)驗(yàn)，落向地盤時(shí)，n=2。關(guān)于KR值，沙礫底質(zhì)時(shí)，KR=1.6～5.0×106kg/m2；堅(jiān)硬密實(shí)的黏土底質(zhì)時(shí)，KR=2.1～6.3×106kg/m2。

因此可以得到人工魚礁布放過程的整體動(dòng)力學(xué)方程：

(3)

人工魚礁在接觸海底之前不受碰撞力，此時(shí)δ1=1，δ2=0；當(dāng)人工魚礁接觸海底時(shí)，可以認(rèn)為迎水面不受水動(dòng)力作用，只有碰撞力R作用在礁體上，所以δ1=0，δ2=1。

1.2人工魚礁在觸底前的運(yùn)動(dòng)分析

魚礁投放后在海水中下落的運(yùn)動(dòng)方程可由式(3)整理得：

(4)

利用數(shù)值積分方法對方程式(4)進(jìn)行求解，得到魚礁觸底前下落過程的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(圖2)。

圖2　人工魚礁觸底前的下落運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.2　Motion responses of the falling artificial reef before touching the seabed

圖2a、2b分別是魚礁下落過程的速度和位移曲線。從圖中可以看出，魚礁在下落1.8 s之前，重力起主要作用，魚礁下落速度增加較快；隨著速度的增加，水阻力增大，魚礁的加速度變小，直到水阻力與魚礁在水中的重量相等時(shí)，下落速度變?yōu)榉€(wěn)定速度uc；當(dāng)下落2.5 s時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定速度2.854 5 m/s，此時(shí)魚礁下落位移約為6 m。人工魚礁的設(shè)置水深一般都在10 m以上，對本框架型人工魚礁而言觸底前會(huì)達(dá)到穩(wěn)定速度。

(5)

從而求得穩(wěn)定速度為：

(6)

其結(jié)果與數(shù)值積分計(jì)算結(jié)果一致。

1.3人工魚礁觸底時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析

如果魚礁底面著底，接觸面之間被認(rèn)為沒有水存在，可以忽略水動(dòng)力阻力項(xiàng)和慣性力項(xiàng)，即δ1=0，δ2=1。

(7)

利用數(shù)值積分方法對方程式(7)進(jìn)行求解，得到不同海底底質(zhì)下的海底基底變形和著底沖擊力曲線(圖3、圖4)。

圖3　不同海底底質(zhì)下的海底基底變形曲線Fig.3　Seabed deformation with different

圖4　不同海底底質(zhì)下的著底沖擊力曲線Fig.4　Landing impact force with different

從圖3、圖4可以看出，海底基底反力彈性系數(shù)KR值越大，即海底底質(zhì)越硬，則碰撞作用時(shí)間越短，碰撞時(shí)海底基底變形量越小，最大著底沖擊力越大。由于實(shí)際測量魚礁投放海域海底基底反力彈性系數(shù)的成本較大，以及出于安全性因素考慮，理論分析階段宜采用KR值較大情況進(jìn)行計(jì)算。因此，本文將對KR取6.3×106kg/m2進(jìn)行研究。

KR取6.3×106kg/m2時(shí)，魚礁與海底基底的碰撞作用時(shí)間約為0.074 s。由于著底沖擊力的計(jì)算結(jié)果并不是一個(gè)收斂的曲線，因此只在碰撞時(shí)間段內(nèi)求解，而忽略彈起后的時(shí)間段。隨著魚礁碰撞海底基底，魚礁的下落速度不斷減小，在0.036 4 s時(shí)，魚礁的下落速度達(dá)到臨界值0，此時(shí)海底基底變形達(dá)到最大值0.075 m，著底沖擊力也達(dá)到最大值3.561×105N。

2人工魚礁布放過程的動(dòng)力學(xué)模擬

將人工魚礁的三維模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中，根據(jù)式(1)、式(2)施加載荷及邊界條件，進(jìn)行布放過程的動(dòng)力學(xué)模擬(圖5)。

圖5　不同初始姿態(tài)的人工魚礁在ADAMS軟件中分析環(huán)境示意圖Fig.5　Analysis situation of the artificial reef in differentinitial postures based on ADAMS software

在實(shí)際布放過程中，人工魚礁下落過程除受重力、水動(dòng)力外，還受浪、流以及人為因素的影響較大，其下落的姿態(tài)會(huì)出現(xiàn)傾斜，著底部位也由面著底變?yōu)槔庵?，甚至是點(diǎn)著底，下落速度與著底沖擊力也會(huì)有所不同。本文對人工魚礁不同初始姿態(tài)的布放過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬，其初始姿態(tài)分別為底面與水平面成0°、15°、30°、45°傾角，得到人工魚礁下落速度和著底沖擊力曲線(圖6、圖7)。

圖6　不同初始姿態(tài)速度曲線Fig.6　Velocity in different initial postures

圖7　不同初始姿態(tài)布放著底沖擊力曲線Fig.7　Impact force in different initial postures

從速度曲線可以看出，面著底(即0°)時(shí)魚礁下落的穩(wěn)定速度為2.854 5 m/s。魚礁在與海底基底接觸時(shí)速度會(huì)瞬間減小，隨后逐漸趨于0，達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。魚礁與海底基底的初次碰撞沖擊力比魚礁彈起后再下落的沖擊力大得多，因此對初次碰撞沖擊力曲線進(jìn)行分析。從圖7可以得出，最大沖擊力為3.071×105N。碰撞作用時(shí)間為0.076 s，對應(yīng)魚礁的位移曲線可以得到海底基底的最大變形為 0.071 m。對比動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果和動(dòng)力學(xué)方程的理論解，下落速度一致，海底基底變形偏小0.004 m，偏小5.33%；最大沖擊力偏小0.49×105N，偏小13.76%，結(jié)果與動(dòng)力學(xué)方程的理論解比較吻合。

初始姿態(tài)傾斜下落，魚礁著底時(shí)的姿態(tài)由面著底變?yōu)槔庵?，著底姿態(tài)不穩(wěn)定，需要較長的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著魚礁傾斜角度的增加，魚礁迎水的投影面積增加，所受水動(dòng)力阻力增大，魚礁下落的穩(wěn)定速度變小，沖擊力相比面著底大幅減小。沖擊力大小不僅與穩(wěn)定速度有關(guān)，還與碰撞角度有關(guān)，變化規(guī)律較為復(fù)雜。雖然棱著底時(shí)沖擊力變小，但碰撞接觸由面接觸變?yōu)榫€接觸，接觸面積大幅減小，魚礁所受應(yīng)力更大，對魚礁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。

3人工魚礁強(qiáng)度分析

根據(jù)動(dòng)力學(xué)模擬得到的最大沖擊力，在有限元軟件ANSYS Workbench中對魚礁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。設(shè)置魚礁頂面(邊)約束，分別對底面和著底棱施加最大沖擊力，得到魚礁在各傾斜角度下的應(yīng)力(圖8)。

從應(yīng)力圖上可以看出，在魚礁棱的交點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以在設(shè)計(jì)魚礁時(shí)盡量在棱交點(diǎn)處使用倒角。除去上述應(yīng)力奇異值后，面著底時(shí)魚礁所受最大應(yīng)力發(fā)生在底面棱的中部，最大值約為10 MPa；棱著底時(shí)魚礁所受最大應(yīng)力發(fā)生在著底棱的中部，隨著傾斜角度的增加，魚礁所受最大應(yīng)力增大，傾斜45°時(shí)的最大應(yīng)力約為25 MPa。根據(jù)危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力及魚礁材料的許用應(yīng)力即可進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)。棱著底相比面著底，產(chǎn)生的應(yīng)力更大，更容易發(fā)生破壞，在魚礁設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮對著底棱進(jìn)行加固處理。

圖8　人工魚礁在不同傾角時(shí)的應(yīng)力Fig.8　Von-Mises stress of the artificial reef at different angles

4結(jié)論

對框架型人工魚礁布放過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。對不同海底底質(zhì)下魚礁的著底沖擊力分析表明，海底底質(zhì)越硬，著底沖擊力越大；對不同初始姿態(tài)的魚礁投放分析表明，初始姿態(tài)傾斜角度越大，下落達(dá)到的穩(wěn)定速度越?。焕庵椎淖畲鬀_擊力比面著底的要小，但達(dá)到穩(wěn)定姿態(tài)所需的時(shí)間要延長。對魚礁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析表明，最大應(yīng)力發(fā)生在著底棱的中部；雖然棱著底的最大沖擊力比面著底的要小，但產(chǎn)生的應(yīng)力更大，對魚礁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更高，在魚礁設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮對著底棱進(jìn)行加固處理。

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Dynamics analysis on the deployment of a frame-type artificial reef

SUI Jisheng1， ZHENG Zhongqiang1， CHANG Zongyu1,2， YU Zhenjiang1

(1EngineeringCollege,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China；2ShandongProvinceKeyLaboratoryofOceanEngineering,Qingdao266100,China)

Abstract：Improper operation during the deployment of artificial reefs (ARs) can result in some problems, such as collision damage, drop site faraway from target spot, etc.. In this paper, the deployment process of a frame-type ARs in still water environment is studied. Based on the hydrodynamic model during subsidence and the colliding model between the ARs and seabed, the existing impact force formula is amended, and the overall motion equations are developed. The numerical method is used to solve the ordinary differential equations to obtain the velocity and the impact force with different seabed stiffness. The results show that the impact force increases with the increase of stiffness. The multi-body dynamics software ADAMS is used to simulate the deployment process of the ARs in different initial postures, and the strength analysis is carried out based on the finite element software ANSYS Workbench. The results show that the larger the initial angle is, the smaller the steady falling velocity is achieved; when an edge collides with the seabed the maximum impact force reduces compared to a surface, but it produces greater stress; and the maximum stress occurs in the middle of the colliding edges. This work can be a reference for the scientific design and deployment planning of artificial reefs.

Key words：artificial reefs(ARs); deployment; dynamics; simulation

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.03.014

收稿日期：2016-02-27修回日期：2016-05-19

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2010EM052)；青島市博士后人員應(yīng)用研究項(xiàng)目(861605040097)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(841513053)

作者簡介：隋吉盛(1991—)，男，碩士研究生，研究方向：海洋裝備動(dòng)力學(xué)。E-mail：suijisheng66@163.com 通信作者：常宗瑜(1973—)，男，教授，博導(dǎo)，研究方向：海洋裝備動(dòng)力學(xué)與控制。E-mail：zongyuchang@ouc.edu.cn

中圖分類號(hào)：S953.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-9580(2016)03-074-06