深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱浮架變形模擬及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

黃小華，劉海陽(yáng)，胡 昱，陶啟友，王紹敏，袁太平

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，廣東省網(wǎng)箱工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部外海漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510300)

0 引 言

當(dāng)前，中國(guó)臨海重工業(yè)、濱海旅游業(yè)發(fā)展迅速，部分近岸海域污染嚴(yán)重，近海養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展空間進(jìn)一步壓縮，海洋養(yǎng)殖向離岸深水發(fā)展已成業(yè)界普遍共識(shí)。深水網(wǎng)箱通常設(shè)置于較深海域，具有養(yǎng)殖水產(chǎn)品品質(zhì)好、產(chǎn)量高、效益大的顯著優(yōu)勢(shì)，已成為中國(guó)深水養(yǎng)殖拓展海洋養(yǎng)殖空間的重要設(shè)施裝備[1-4]。但由于深水海域海況復(fù)雜，深水網(wǎng)箱系統(tǒng)必須具備足夠的安全可靠性來(lái)抵抗大浪強(qiáng)流的沖擊，以降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)和保障養(yǎng)殖效益。作為網(wǎng)箱系統(tǒng)的重要組成部分，浮架系統(tǒng)在網(wǎng)箱抗風(fēng)浪性能中起到至關(guān)重要的作用[5]。國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者采用計(jì)算機(jī)模擬方法開展了深水網(wǎng)箱水動(dòng)力特性研究，但絕大多數(shù)研究均未考慮網(wǎng)箱浮架的實(shí)際變形情況，往往將浮架假設(shè)為剛體[6-11]。實(shí)踐表明，由高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）材料制作的浮架在波浪流沖擊下具有明顯的變形，且規(guī)格越大的深水網(wǎng)箱，其浮架變形越大[12]。Huang等[12]通過(guò)建立數(shù)值模型模擬分析了純波條件下浮管的彈性變形，確定了浮管變形最大位置，并對(duì)網(wǎng)箱模型的正確性及有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，物理模型試驗(yàn)作為一種有效的方法也被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)箱動(dòng)力學(xué)研究中，主要涉及網(wǎng)箱浮架運(yùn)動(dòng)[13-16]、網(wǎng)衣運(yùn)動(dòng)變形[17-23]、錨泊受力等[24-27]。但由于小比例尺網(wǎng)箱模型試驗(yàn)在滿足幾何相似的條件下無(wú)法滿足網(wǎng)箱浮架的剛度相似，使得開展波浪流網(wǎng)箱試驗(yàn)時(shí)，由于浮架變形太小而不容易觀測(cè)，在試驗(yàn)驗(yàn)中網(wǎng)箱浮架基本上為一個(gè)未變形的剛體，尤其在測(cè)試水流作用下網(wǎng)衣變形時(shí)，通常將浮架完全固定住[17-18]。近年來(lái)，隨著網(wǎng)箱大型化發(fā)展，浮架變形問題不容忽視，過(guò)大變形甚至?xí)?dǎo)致浮架失效破壞，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者采用數(shù)值模擬方法，開展了網(wǎng)箱浮管的動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)[28]、疲勞分析[29]、錨繩張力[30]以及網(wǎng)箱護(hù)欄的力學(xué)性能分析[31]。如Li等[28]采用Abaqus軟件將浮架簡(jiǎn)化為一根單浮管，基于桿單元和梁?jiǎn)卧⒌木W(wǎng)箱模型，分別模擬分析了浮管及網(wǎng)衣的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算獲得了不同流速條件下的網(wǎng)衣容積損失率。

抽穗揚(yáng)花期要求空氣濕度為70%～80%，土壤濕度占田間持水量的70%～80%，并要求有充足的光照。土壤濕度>85%或<60%均有不利影響。

該研究是在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，基于有限元方法建立整體網(wǎng)箱系統(tǒng)數(shù)值模型，并對(duì)波流聯(lián)合作用下網(wǎng)箱系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，以中國(guó)南海區(qū)常用規(guī)格80 m周長(zhǎng)的HDPE圓形網(wǎng)箱為研究對(duì)象，開展波浪流組合工況下浮架變形模擬研究，評(píng)估了網(wǎng)箱系統(tǒng)浮架極限承載力，科學(xué)提出了一種能夠有效增強(qiáng)網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)安全的技術(shù)措施，旨在有效降低網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)沖擊下發(fā)生的失效破壞風(fēng)險(xiǎn)。

另外，在賣糧的過(guò)程中，注意水分測(cè)試的騙局。玉米水分達(dá)標(biāo)后才能賣，于是，有的人就做起了水分測(cè)試儀的文章，他們通過(guò)一些手段將儀器改變，不管怎么測(cè)，糧食都是不合格的，這樣就可以壓低糧食收購(gòu)價(jià)。

1 數(shù)值模型

基于專業(yè)水動(dòng)力分析軟件Orcaflex[32-33]，建立深水網(wǎng)箱系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型，采用有限元法將浮架離散成系列線單元及質(zhì)點(diǎn)，利用線單元模擬網(wǎng)箱系統(tǒng)各部件，包括浮架、網(wǎng)衣及錨繩，質(zhì)點(diǎn)位于線單元的兩端。質(zhì)點(diǎn)分為2種：六自由度質(zhì)點(diǎn)和三自由度質(zhì)點(diǎn)。對(duì)于網(wǎng)箱浮架，采用六自由度質(zhì)點(diǎn)來(lái)傳遞彎矩；而對(duì)于柔性網(wǎng)衣及錨繩構(gòu)件，線單元的兩端為三自由度質(zhì)點(diǎn)，設(shè)置為自由旋轉(zhuǎn)不承受彎矩。將每個(gè)線單元受到的力及力矩，包括重力、浮力、波浪力、張力、剪力及彎矩等，集中到線單元兩端的質(zhì)點(diǎn)上，建立每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程見式（1）[32]：

為了進(jìn)一步驗(yàn)證整體網(wǎng)箱系統(tǒng)有限元計(jì)算模型的正確性和有效性，針對(duì)Li等[28]波流組合條件下單浮管網(wǎng)箱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變形情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，具體計(jì)算參數(shù)及網(wǎng)箱布置詳見參考文獻(xiàn)[28]，波流組合條件設(shè)置為：波高5 m、周期8 s、流速為0.6 m/s，波浪為規(guī)則波。圖3為波流作用下浮管最左端點(diǎn)水平方向和豎直方向位移的時(shí)間歷程線。從圖中可以看出，基于本研究建立的有限元模型的計(jì)算結(jié)果與Li等[28]的研究結(jié)果均比較吻合，位移最大相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，表明本研究建立的有限元模型適用于模擬波流組合條件下網(wǎng)箱系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。

1.1 結(jié)構(gòu)荷載

網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)荷載來(lái)自于各部件，對(duì)于 HDPE材料的浮架主浮管，波浪流作用下其結(jié)構(gòu)荷載包括張力、剪力及彎矩；對(duì)于網(wǎng)衣及錨繩部件，因彎曲剛度很小可以設(shè)置為零，其結(jié)構(gòu)荷載主要為結(jié)構(gòu)單元的張力。線單元張力的計(jì)算表達(dá)式為[32]

域間二維路由器建立協(xié)議連接時(shí)，會(huì)向?qū)Χ寺酚善髌浒l(fā)送攜帶二維路由標(biāo)識(shí)的OPEN報(bào)文。如果對(duì)端路由器支持域間二維路由則回復(fù)攜帶有相同標(biāo)識(shí)的OPEN報(bào)文，如果對(duì)端路由器不支持二維路由即無(wú)法識(shí)別標(biāo)識(shí)信息，則返回常規(guī)的OPEN報(bào)文。發(fā)起連接的域間二維路由器會(huì)根據(jù)返回的OPEN報(bào)文是否攜帶特定標(biāo)識(shí)來(lái)識(shí)別和記錄對(duì)端路由器是否支持二維路由，將來(lái)二維路由相關(guān)信息只會(huì)發(fā)給建立連接的二維路由器，而不會(huì)發(fā)給傳統(tǒng)路由器。

式中Tw為管壁張力，kN，可根據(jù)式（3）計(jì)算得到。

式中SZ為線單元軸向單位向量；M1和M2分別為線單元兩端的彎矩，kN·m；L為線單元即時(shí)長(zhǎng)度，m。

納什均衡是博弈到達(dá)均衡時(shí)的一種狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，博弈中任何參與者在其他參與者的策略既定的情況下，都無(wú)法通過(guò)改變當(dāng)前策略來(lái)獲得更好的支付或更高收益。如果?si∈Si,πi(S*)≥

圖1 浮管結(jié)構(gòu)張力計(jì)算示意圖Fig. 1 Sketch of tension and pressure forces of pipe structure

計(jì)算浮架結(jié)構(gòu)線單元彎矩后，其剪力可根據(jù)下式相應(yīng)得到[32]

式中 EI為線單元浮管的彎曲剛度，kN·m2；k為曲率，m-1；λb為目標(biāo)彎曲阻尼占比，Dc為彎曲臨界阻尼值等于L0(mEIL0)1/2，kN·m2；在線單元的兩端質(zhì)點(diǎn)具有彎矩 M1和 M2，kN·m。

浮架結(jié)構(gòu)線單元承受的彎矩可以表示為[32]

師：嗯，你提出了一個(gè)很有價(jià)值的問題，就是“角“有大小之別，那角的大小用什么來(lái)度量？這節(jié)課，我們一起來(lái)學(xué)習(xí)角的度量。板書課題：角的度量

式中EA為線單元軸向剛度，kN；ε是軸向應(yīng)變，Pi和P0分別為浮管單元內(nèi)、外壓力，MPa；Ai和 A0分別為浮管單元內(nèi)、外橫截面積（見圖 1），m2；C為阻尼系數(shù)，μ為泊松比，dL/dt是線單元長(zhǎng)度增長(zhǎng)率，L0為線單元初始長(zhǎng)度，m。對(duì)于網(wǎng)衣和錨繩部件，P0A0等于PiAi。

根據(jù)地勘報(bào)告，該場(chǎng)區(qū)土層中，第1層耕填土含潛水，第5層粉土中含弱承壓水，其余各層均為微透水、弱透水或不透水層。場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定水位在2.40～2.62 m(黃海高程)之間，隨季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，夏高冬低，歷史最高洪水位達(dá)到3.40 m。在該工程施工期間，由于基坑的周圍設(shè)計(jì)了密排的混凝土攪拌樁作為止水帷幕，因此，地下水的主要來(lái)源是大氣降水，施工結(jié)束后，雨水通過(guò)周圍的回填土滲透到地下。綜合以上分析，假定該工程的抗浮水位設(shè)計(jì)值為3.0 m。

1.2 環(huán)境荷載

網(wǎng)箱各部件包括浮架、網(wǎng)衣、錨繩的結(jié)構(gòu)線單元的水動(dòng)力荷載均采用Morison方程計(jì)算，包括速度力及慣性力兩部分[34]

式中ρ為海水密度，kg/m3；S為浮管單元投影面積，m2；Vr為水質(zhì)點(diǎn)與線單元構(gòu)件的相對(duì)速度，m/s；w?為線單元構(gòu)件排開水的體積，m3；af為水質(zhì)點(diǎn)加速度，ar為相對(duì)加速度，m/s2；Cd和Ca分別為速度力系數(shù)和慣性力系數(shù)。

在作者此前的研究中[12]，已分別采用集中荷載下單圓管變形和規(guī)則波作用下單圓管的運(yùn)動(dòng)變形 2個(gè)算例的研究數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較驗(yàn)證，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)吻合很好，驗(yàn)證了模型的合理性，具體介紹詳見文獻(xiàn)[12]。

當(dāng)網(wǎng)箱浮架在波浪作用影響下，其結(jié)構(gòu)的入水深度會(huì)隨著波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)刻發(fā)生變化，浮架結(jié)構(gòu)的浮力需時(shí)刻根據(jù)每一個(gè)線單元的入水比例重新計(jì)算得到（見圖 2），見式（7）。

式中Pw為入水比例，?B為線單元體積，m3。

圖2 浮架結(jié)構(gòu)線單元浮力計(jì)算示意圖Fig. 2 Proportion wet for surface-piercing segment

2 模型驗(yàn)證

借用國(guó)標(biāo)件——針閥式注油杯[3]，容量為16cm3，通過(guò)螺紋連接安裝在殼體上。使用時(shí)，打開針閥開關(guān)，容器內(nèi)的消毒液即滴入剪葉器殼體內(nèi)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的切刀打成霧狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)殼體內(nèi)所有零件的消毒，防止污染煙苗。

式中M(p, a)是慣性荷載，C(p, v)是阻尼荷載，K(p)是剛性荷載，F(xiàn)(p, v, t)是外力荷載，kN；p是位置，m；, v 是速度，m/s；a是加速度，m/s2。

圖3 浮架運(yùn)動(dòng)位移比較Fig. 3 Comparison of displacement for floating collar

3 網(wǎng)箱系統(tǒng)布置及結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對(duì)中國(guó)南海區(qū)常用規(guī)格周長(zhǎng)80m的HDPE圓形網(wǎng)箱，開展波浪流組合工況下浮架的受力變形分析，評(píng)估網(wǎng)箱系統(tǒng)中浮架的極限承載力。如圖 4所示，網(wǎng)箱浮架簡(jiǎn)化為2根平行的內(nèi)外浮管，內(nèi)外浮管之間設(shè)有40個(gè)連接件，相鄰2個(gè)連接件間隔2 m。浮架采用8點(diǎn)系泊方式。網(wǎng)衣為圓臺(tái)形狀，在網(wǎng)衣底端裝配沉子作為配重。波浪傳播方向沿 X軸正方向。網(wǎng)箱系統(tǒng)各部件尺寸及相關(guān)參數(shù)值見表1。

表1 網(wǎng)箱各部件參數(shù)Table 1 Parameters of each componet of net cage for calculations

圖4 整體網(wǎng)箱系統(tǒng)布置圖Fig.4 Configuration of floating net cage

4 網(wǎng)箱浮架變形分析

在外海大浪強(qiáng)流的沖擊下，網(wǎng)箱系統(tǒng)的受力變形加大，對(duì)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)安全性能構(gòu)成威脅。采用von Mises應(yīng)變及應(yīng)力來(lái)反映浮架不同位置處的變形情況，其計(jì)算表達(dá)式分別見式（8）、式（9）[32]。

式中 εzz為軸向應(yīng)變，εcc是環(huán)向應(yīng)變，%；σ1, σ2, σ3分別是3個(gè)方向的主應(yīng)力，MPa。

計(jì)算過(guò)程中波浪為規(guī)則波：波高5、6、7m，周期9、11、13 s；流速設(shè)為0.6、1.0、1.5 m/s。根據(jù)本文作者此前研究結(jié)果顯示，當(dāng)錨繩布置方向與波浪流方向相同時(shí)的浮架系泊點(diǎn)位置處變形最大[12]，為此選取圖 4中的 A點(diǎn)位置作為分析浮架變形的依據(jù)。

圖 5為大浪強(qiáng)流沖擊下網(wǎng)箱系統(tǒng)的浮架變形響應(yīng)。考慮到篇幅有限，未給出所有27種波流工況下的計(jì)算結(jié)果，這里僅列出兩種波況和不同流速組合條件下的浮架變形模擬結(jié)果。比較得知，浮架的變形隨著波高及流速的增大而增大，但隨著波浪周期的增加變化很小，表明波浪周期對(duì)浮架變形的影響很小。在27種波浪流組合工況下，其中波高5m、周期13s、流速0.6 m/s條件下的浮架變形最小，最大應(yīng)變值為1.14%（見圖5a）；而波高7m、周期9s、流速1.5m/s條件下浮架變形最大，最大應(yīng)變值為2.47%（見圖5b）。參照彈性范圍內(nèi)von Mises應(yīng)力和應(yīng)變的線性關(guān)系曲線，波高7 m、周期9 s、流速1.5 m/s條件下的最大應(yīng)力值為23.47MPa。根據(jù)浮管HDPE材料的屈服強(qiáng)度為24MPa[35]（見表1），則表明網(wǎng)箱在波高7m、周期9s、流速1.5m/s條件下，浮架變形接近彈性變形的臨界值，浮架面臨屈服破壞的風(fēng)險(xiǎn)很大。為此，需要考慮相應(yīng)技術(shù)措施來(lái)減小浮架的變形，以避免浮架塑性破壞的發(fā)生。

圖5 整體網(wǎng)箱系統(tǒng)在規(guī)則波和水流組合工況下浮架A點(diǎn)位置處應(yīng)變歷時(shí)曲線Fig.5 Time-series of von Mises strain at point A under conditions of regular waves and current of floating net cage

5 浮架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于浮架較大受力變形發(fā)生在錨繩系泊處，臺(tái)風(fēng)浪條件下錨泊系統(tǒng)受力過(guò)大導(dǎo)致浮架系泊處因彎曲變形嚴(yán)重，致使浮架坍塌破壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[5]，因此對(duì)錨繩與浮架連接處進(jìn)行加固顯得尤為重要。根據(jù)上述研究結(jié)果，由于在波高7m、周期9s、流速1.5 m/s條件下浮架發(fā)生屈服破壞的風(fēng)險(xiǎn)極大，為此考慮在浮架每個(gè)錨繩系泊處增加一個(gè)套管（見圖 6），套管長(zhǎng)度 500 mm，截面直徑355 mm，壁厚15mm。浮架上共有8個(gè)錨繩系泊點(diǎn)，因此需要加設(shè)8個(gè)套管，套管之間長(zhǎng)度為10m。設(shè)定的大浪強(qiáng)流條件與第4部分相同，因在設(shè)定的3種波浪周期條件中，波浪周期9s時(shí)的浮架變形稍大，故波浪周期統(tǒng)一設(shè)定為9s。

表 2為各種波浪流組合工況下有、無(wú)套管分別對(duì)浮架變形的影響比較，浮架變形仍選用A點(diǎn)的最大應(yīng)變值來(lái)反映。由結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，在錨繩系泊處增設(shè)套管可以較大地減小浮架變形，如設(shè)有套管時(shí)在波高 7m、流速1.5m/s的波流組合工況下，最大應(yīng)變值為1.34%，大大小于浮架無(wú)套管的情況，降低幅度達(dá)45.7%。說(shuō)明在浮管系泊點(diǎn)處增加套管可以大大增強(qiáng)惡劣海況下網(wǎng)箱系統(tǒng)抵御自然風(fēng)險(xiǎn)的能力。圖7為浮架A點(diǎn)所受錨繩張力與應(yīng)變的關(guān)系曲線圖，圖中實(shí)線代表無(wú)套管的計(jì)算結(jié)果，虛線代表增設(shè)套管的計(jì)算結(jié)果。圖中顯示，無(wú)套管時(shí)的應(yīng)變值范圍為 1.27%～1.77%、錨繩張力變化范圍為 31kN～45.6kN；增設(shè)套管后的應(yīng)變值范圍變?yōu)?.61%～0.94%、錨繩張力范圍為32kN～46.8kN。說(shuō)明增加套管對(duì)減少浮架應(yīng)變值明顯，而對(duì)錨繩張力幾乎沒有影響。在波高6m、周期9s、流速1.0m/s的相同波流工況下，兩者的錨繩力峰值同約為46kN，說(shuō)明浮架增設(shè)套管不會(huì)對(duì)錨繩張力有影響。

圖6 浮架套管模型示意圖Fig. 6 Sketch of casing pipe model

表2 有、無(wú)套管時(shí)浮架A點(diǎn)位置處最大應(yīng)變值比較Table 2 Comparison of maximum von Mises strain at point A for cage with and without casing pipes

圖7 錨繩張力與浮架變形的關(guān)系曲線（H=6m, T=9s, V=1.0m/s）Fig.7 Relationship between mooring line tension and strain under waves and current where wave height H = 6 m, wave period T = 9 s, and current velocity V = 1.0 m/s

6 結(jié)論

本文對(duì)大浪強(qiáng)流條件下深水網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)的動(dòng)力變形進(jìn)行了模擬分析，并對(duì)浮架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)研究，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

在每次迭代時(shí),都采用歸一化算法w←w/‖w‖,利用施密特正交化過(guò)程,使第p個(gè)特征向量與其他特征向量不相關(guān)，即

1）基于有限元法建立了波流作用下的網(wǎng)箱系統(tǒng)動(dòng)力變形數(shù)值模型，并通過(guò)算例對(duì)模型的有效性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，浮架的最大位移相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

2）通過(guò)對(duì)80m周長(zhǎng)的HDPE圓形網(wǎng)箱在不同波流組合工況下的浮架變形模擬結(jié)果的比較分析，發(fā)現(xiàn)浮架變形隨著波高或流速的增加而增大，而受波浪周期的影響很小。在波高7m、周期9s、流速1.5m/s的波流組合條件下，浮架最大應(yīng)變值為2.47%，浮架發(fā)生局部屈服破壞的風(fēng)險(xiǎn)極大。

3）為降低高海況下浮架局部屈服破壞風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)浮架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，模擬結(jié)果表明，在浮架錨繩系泊處增設(shè)套管可以有效減小浮架變形，相比無(wú)套管情況，浮架最大應(yīng)變值減小幅度達(dá) 43%，大大增強(qiáng)了惡劣海況下網(wǎng)箱系統(tǒng)抵御自然風(fēng)險(xiǎn)的能力。