模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱設計與仿真

譚永明 樓上游 袁世鵬 楚樹坡 王志勇 諶志新

(1.機械科學研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司， 北京 100044； 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室， 青島 266237；3.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所， 上海 200092)

0 引言

從20世紀80年代起，海水網(wǎng)箱得到迅速發(fā)展。初期多采用結構簡單、基于HDPE材料的圓形浮式網(wǎng)箱[1]。這種小型網(wǎng)箱造價低、制作簡單、維護方便，但受材料性能和網(wǎng)箱結構限制，周長一般小于80 m，只能用于近海作業(yè)。這種普通型網(wǎng)箱不能實現(xiàn)升降、抗風暴能力差，在遭遇臺風時往往受到毀滅性破壞，導致魚類大量死亡或逃走，給養(yǎng)殖戶造成不可彌補的損失。網(wǎng)箱養(yǎng)殖以散戶個體養(yǎng)殖模式為主，由于養(yǎng)殖分散程度高、養(yǎng)殖方式粗放、附加值低和污染高等，導致養(yǎng)殖海域海水質(zhì)量急劇下降，海域的自修復平衡受到破壞，造成近海的一些養(yǎng)殖海域短期內(nèi)不再適合人工養(yǎng)殖。

隨著國家海洋強國、走向深藍戰(zhàn)略的推進，海水養(yǎng)殖不斷向經(jīng)略海洋的大目標邁進，養(yǎng)殖方式也由以前的散戶小規(guī)模走向大規(guī)模集中養(yǎng)殖、由淺海養(yǎng)殖走向深遠海養(yǎng)殖、由簡單化養(yǎng)殖走向科技含量更高的智能自動化養(yǎng)殖，網(wǎng)箱也向大型及超大型深水智能化方向發(fā)展[2-3]。為了適應集中化大型養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)箱自動化技術得到快速發(fā)展。網(wǎng)箱開始采用計算機遠程控制的投料系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動投餌及投餌量校正[4-8]。同時，遠程海況、水溫、水質(zhì)監(jiān)控和預警，以及自動網(wǎng)衣清洗、網(wǎng)箱自動升降起漁等配套新技術都得到研究和應用[9]。在大型深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖方面，挪威一直處于世界領先水平。2018年采用挪威技術的半潛式超大型“深海智能漁場”建造完成，投入南海試用。該智能漁場由挪威和中船重工武船集團海工裝備研究院設計建造，直徑110 m、高75 m、養(yǎng)殖水體2.5×105m3，采用無人遙控養(yǎng)殖和魚飼料存儲與投放、活魚捕撈、死魚收集、網(wǎng)衣清洗、平臺監(jiān)控等多項自動化控制技術，還配備了自動發(fā)電裝置，成為國內(nèi)“深海養(yǎng)殖的航母”,極大地帶動了大型和超大型深海升降網(wǎng)箱的發(fā)展。

近10年來，中國現(xiàn)代養(yǎng)殖中海產(chǎn)品產(chǎn)量占比都低于2%，海水養(yǎng)殖水平顯著落后。全國普通網(wǎng)箱有100余萬只，其中深水網(wǎng)箱僅有6 000余只。由于缺少研發(fā)資金投入和規(guī)?；膶I(yè)研發(fā)團隊等，我國深海網(wǎng)箱研發(fā)仍停留在初級階段。

按照工作水層，網(wǎng)箱可分為3類：浮式網(wǎng)箱、沉式網(wǎng)箱和升降式網(wǎng)箱[10]。目前主要使用HDPE柔性浮式網(wǎng)箱。這種網(wǎng)箱適用于水深15 m左右、流速小于1 m/s、海浪最高在5 m左右的半開放海區(qū)，但由于容量有限、強度差和抗風浪能力低等，阻礙其向大型化及深海方向發(fā)展。

升降式網(wǎng)箱智能化程度高，且成本高，但適應環(huán)境性強，操作靈活，能夠最大程度地避免災害帶來的養(yǎng)殖損失，具有很大的市場發(fā)展?jié)摿Ατ陴B(yǎng)殖企業(yè)來說，網(wǎng)箱運輸方便、安裝靈活、維護簡單快捷、抗風浪能力強、價格適宜、可靠性高、網(wǎng)衣變形小，而且多單元養(yǎng)殖降低了傳染病風險，轉箱和起漁也相對方便，升降可以避免臺風對網(wǎng)箱和魚群的破壞。但由于智能化升降網(wǎng)箱對使用環(huán)境要求更高，技術含量高，需求差別大，且多為非標準設計，目前沒有一套合理的理論為設計提供技術路徑和理論支撐，本文以模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱為例，闡述模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱設計的關鍵技術，為非標準網(wǎng)箱設計提供設計理論和方法。

1 深海網(wǎng)箱結構設計

模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱采用鋼結構和氣浮升降設計，從機械結構上提高網(wǎng)箱承載力。通過使用工程管材進行標準模塊化設計，可最大程度地實現(xiàn)運輸和拼接組裝，降低網(wǎng)箱的材料成本、運輸成本、安裝費用和加工周期，通過拼接實現(xiàn)不同規(guī)模網(wǎng)箱的需求，適合深海規(guī)?；B(yǎng)殖[11]。另外，深海網(wǎng)箱因體積龐大、離岸較遠，自身具備遠程觀測、智能報警及自動供電等智能化功能，并配備相應的自動投喂、自動洗網(wǎng)和起漁分級等輔助設備。

1.1 深海網(wǎng)箱結構組成

為了降低制作成本和方便加工，傳統(tǒng)網(wǎng)箱多采用易于熱熔的HDPE材料，多為環(huán)形和四邊形，以減少結合部位，但限制了網(wǎng)箱的規(guī)模和智能升級。模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱由浮管框架組件、網(wǎng)衣、浮漂、系錨繩索、漁礁錨、拉緊繩索及配重組成，如圖1所示。

圖1 模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱布置圖Fig.1 Layout of modular automatic lifting deep-sea cages1.系錨繩索 2.漁礁錨 3.浮管框架組件 4.拉緊繩索及配重 5.網(wǎng)衣 6.浮漂

網(wǎng)箱的主要組成部件(浮管框架組件)采用統(tǒng)一長度的鋼制封閉管材拼裝而成，縱向立管根據(jù)體積選擇多節(jié)封閉管拼接，橫向浮管根據(jù)不同投影面積要求，拼接成不同等邊多邊形形狀，如圖2所示。標準設計容積公式為

(1)

式中Vv——網(wǎng)箱容積，m3

n1——縱向立管層數(shù)，層

h——立管長度，m

n2——多邊形邊數(shù)，條

a——多邊形邊長，m

圖2 模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱不同拼接方案Fig.2 Modular automatic lifting deep-sea cage splicing scheme

主要部件標準化可降低制作成本，也為運輸和簡化現(xiàn)場安裝提供了方便，并利于后期維護。網(wǎng)衣可采用高密度強化塑料材質(zhì)網(wǎng)衣或銅網(wǎng)衣兩種，測試用塑料網(wǎng)衣網(wǎng)目邊長取75 mm，網(wǎng)線直徑為3 mm，拉緊錨采用混凝土漁礁錨，適用于海底為泥沙的海域。

升降深水網(wǎng)箱所有浮管均設有進、出口，通過充氣、放氣和排水、進水來增減浮力實現(xiàn)網(wǎng)箱升降，升降范圍一般為海平面到海面下10～15 m，深海網(wǎng)箱通常在水深40～60 m海域使用。不同于普通網(wǎng)箱，升降網(wǎng)箱借助浮漂張緊，并限制網(wǎng)箱的活動范圍。網(wǎng)箱常規(guī)狀態(tài)是橫向浮筒半浮于海面，只有海況惡劣時處于下沉狀態(tài)。網(wǎng)箱受力不僅包括風壓及海浪流對線狀管材框架的作用力，還包括海流對面狀網(wǎng)衣的作用力以及漁礁錨對網(wǎng)箱漂動范圍的限制力。網(wǎng)箱在海水中漂浮時，根據(jù)受力平衡原理，主要受錨繩牽引力、波浪力、風壓載荷力(下沉至指定位置時值為0)、自身重力及浮力[12-14]。在海面漂浮狀態(tài)下，網(wǎng)箱整體受力(極限載荷計算需要增加活載荷和地震載荷)為

(2)

式中Ti——系錨繩索牽引力，N

Fw——波浪力，N

Wj——自身重力，N

n——系錨繩數(shù)量，個

m——重力單元數(shù)，個

Ff——浮力，N

WP——風壓載荷，N

其中波浪力是網(wǎng)箱在海面上所承受的主要破壞力。剛性管材受力可分為水流沖擊力和慣性力[15]，網(wǎng)箱需要考慮網(wǎng)衣單獨受力，計算公式為

Fw=Fg+Fω=Fxt+Frd+Fh+Fω

(3)

式中Fg——網(wǎng)箱框架受到的波浪力，N

Fω——網(wǎng)衣受到的波浪力，N

Frd——縱向立管受到的水流沖擊力，N

Fxt——縱向立管受到的慣性力，N

Fh——橫向浮管受到的水流沖擊力，N

其中縱向立管受水流沖擊力為

(4)

式中ρw——海水密度，取1.02×103kg/m3

CD——海水阻力系數(shù)

CM——慣性力系數(shù)

ux——管柱軸線處水質(zhì)點的水平方向速度，m/s

D——管柱直徑，m

u′x——垂直于單元中線的合成加速度，m/s2

橫向浮管受水流沖擊力為

(5)

式中S——垂直于橫向浮管軸線上單位長度上的投影面積，m2

U——垂直于浮管軸線方向的水流速度，m/s

V——圓管單位長度的體積，m3

u——海水流速，m/s

將網(wǎng)衣所受波浪力換算為流體運動形成的面阻力，計算公式[16-17]為

(6)

式中Ad——網(wǎng)箱在水流方向的垂直投影面積，m2

其中風壓載荷為在海平面以上的網(wǎng)箱所受空氣負載，計算公式為

(7)

式中ρa——空氣密度，取1.29 kg/m3

v——風速，m/s

Au——受力面積，m2

網(wǎng)箱所受浮力為

Ff=Fk+Fv=ρwgVe

(8)

式中Fk——網(wǎng)箱框架所受浮力，N

Fv——網(wǎng)衣所受浮力，N

g——重力加速度，m/s2

Ve——網(wǎng)箱入水總體積，m3

網(wǎng)箱組成部件重力和系錨繩索牽引力可以通過實測確定。

1.2 網(wǎng)箱升降過程受力計算

升降過程中網(wǎng)箱升降平衡是評價升降效果的一個重要指標，浮起和下降過程需要網(wǎng)箱各邊保持平衡，當平衡失控時，會導致網(wǎng)箱傾斜甚至傾覆，箱內(nèi)養(yǎng)殖魚受到積壓和碰撞會大量死亡。大型HDPE升降網(wǎng)箱因材質(zhì)柔性大，在風浪中消波能力強，可以跟隨波浪起浮[18-19]，但在升降過程中更加難以保持平衡，相對于鋼架網(wǎng)箱，HDPE網(wǎng)箱各浮筒排水不一致時，網(wǎng)箱傾斜現(xiàn)象更加明顯，如圖3所示。模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱使用自身的框架管替代普通網(wǎng)箱的浮筒，升降過程也會遇到此問題，通過進氣閥、排氣閥和智能氣壓控制閥來保持各管進氣量和進氣速度，實時調(diào)整保持網(wǎng)箱平衡升降[20-21]。

圖3 HDPE網(wǎng)箱升降傾覆現(xiàn)場圖Fig.3 Lift overturning scene of HDPE cages

網(wǎng)箱沒入海面后的升降平衡方程為

(9)

(10)

式中T′t——重力方向的系錨繩索牽引力，N

F′f——網(wǎng)箱沒入海面后的浮力，N

ρt——部件密度,kg/m3

V0——已有空氣體積,m3

V′t——充氣(或排氣)速度,m/s

t——充氣(或排氣)所用時間，s

2 深海網(wǎng)箱仿真分析

通過以容積1.5×104m3六邊拼接框架式升降深水網(wǎng)箱為例，測算在12級臺風下不下降和下降至海平面下10 m時網(wǎng)箱的受力情況。

2.1 網(wǎng)箱遭遇風暴時升降狀態(tài)的仿真分析

不升降時，網(wǎng)箱設計承載風速為35 m/s，最大浪高14 m，周期為7.4 s，海面流速1.92 m/s，網(wǎng)箱底部流速1.3 m/s，重力加速度為9.8 m/s2。在ANSYS中點線建模，框架選用pipe59單元，網(wǎng)線和繩索選用link180，采用等分線網(wǎng)格劃分，上部六角點為浮漂繩索固定點，底部網(wǎng)衣為水平放置，對水流阻力影響有限，且僅提供內(nèi)部拉應力，可以對模型進行簡化、受力加載，以及計算節(jié)點變形位移、單元應力、應變、結構彎矩[22]，如圖4～7所示。

圖4 網(wǎng)箱建模及受力加載Fig.4 Cage modeling and force

圖5 網(wǎng)箱節(jié)點位移等值線云圖Fig.5 Contour diagram of displacement of nodes

圖6 單元應變等值線云圖Fig.6 Contour diagram of element displacement

圖7 單元應力等值線云圖Fig.7 Contour diagram of element stress

圖8 下降10 m時網(wǎng)箱節(jié)點位移等值線云圖Fig.8 Contour diagram of displacement of nodes

遭遇風暴時網(wǎng)箱上表面下降到海面以下10 m處躲避風載荷和海浪沖擊，只承載水流阻力。網(wǎng)箱上部海水流速1.62 m/s，網(wǎng)箱底部海水流速0.96 m/s，網(wǎng)箱節(jié)點變形位移和單元應力如圖8、9所示。

圖9 下降10 m時單元應力等值線云圖Fig.9 Contour diagram of element stress

對比網(wǎng)箱遭遇12級臺風時不升降和降至海面以下10 m處受力及變形，可看出風浪對網(wǎng)箱影響很大，這也是多數(shù)浮式網(wǎng)箱不適用于深海養(yǎng)殖的主要原因。不升降的網(wǎng)箱應力極值為2.58×108N/m2，大于Q235的2.35×108N/m2的屈服強度，所以會出現(xiàn)管件應力超出極限，發(fā)生斷裂造成養(yǎng)殖損失。下降后網(wǎng)箱應力極值為3.39×107N/m2、變形0.036 m，應力為不升降的13%，安全系數(shù)核定值為6.9。由于離海面越深的地方海流越趨于平穩(wěn)，網(wǎng)箱下降后僅存的海流沖擊力對網(wǎng)箱影響非常有限。升降式大型網(wǎng)箱比較適合于環(huán)境惡劣、臺風經(jīng)常出現(xiàn)的深海海域，如海南馬裊灣。框架式深海網(wǎng)箱采用網(wǎng)衣與網(wǎng)箱框架多邊固定，網(wǎng)衣在受多重載荷作用下隨框架變形，其變形遠小于柔性網(wǎng)箱，可為養(yǎng)殖魚類提供更好的生活空間。

2.2 系錨繩索仿真分析

網(wǎng)箱通過浮漂、系錨繩索和漁礁錨固定，假設系錨端錨繩與水平方向相切，如圖10所示，圖中ΔSL為錨繩上任一點的漁礁錨與浮漂的水平距離微元尺寸，ΔH為錨繩上任一點的水深微元尺寸。其中單根錨繩的受力[23-24]為

(11)

式中Wf——浮漂重力,N

FL——浮漂浮力,N

Tti——系錨繩索的牽引力,N

WL——錨繩索重力,N

Tm——漁礁錨受力,N

β——錨繩扯拽在水平方向的初始角，(°)

θ——錨繩上任一點的切線與水平方向的夾角,(°)

L——錨繩長度，m

H——海域水深，m

圖10 系錨繩索受力分析Fig.10 Stress analysis of anchor rope

錨繩為PP材質(zhì)，其彈性模量為8.96×108N/m2，泊松比為0.41，安全系數(shù)取1.4，抗拉極限強度為1.86×109N/m2，直徑為40 mm，浮漂用于保持網(wǎng)箱平衡張緊限位，是連接錨繩和網(wǎng)箱的關鍵部件，確定后的浮力和重力為定值，錨繩在預應力及設計海況作用下仿真變形分析如圖11所示，能夠預估最大承載小于安全設計，并且在設計水深網(wǎng)箱綜合受力條件下水平單向運動范圍在5.4 m左右。

圖11 系錨繩索變形分析Fig.11 Anchor rope deformation analysis

2.3 漁礁錨設計與仿真

漁礁錨是在普通石錨基礎上增加了漁礁功能，是自動升降深海網(wǎng)箱的重要部件，石錨自身質(zhì)量為25 t，一方面可固定網(wǎng)箱，另一方面可作漁礁，為野生海洋生物提供10 m3的棲息地。其所受外力為水流靜壓力、錨繩索牽引力、泥沙阻力和漁礁錨在水中的自身重力[25-26]，泥沙阻力根據(jù)實際海底沉積情況測定，經(jīng)測定養(yǎng)殖區(qū)的海底層水流流速均值為0.52 m/s，局部水流靜壓力及流經(jīng)漁礁的水流速度如圖12、13所示。水流在漁礁錨內(nèi)部和經(jīng)過漁礁錨后的周邊區(qū)域的水流靜壓力和流速(常值為0.257 m/s)減少一半左右，漁礁錨起到很好的阻流作用，有利于野生魚的生存和繁衍。

圖12 漁礁錨水流靜壓力Fig.12 Hydrostatic pressure of anchor

圖13 漁礁錨附近水流速度Fig.13 Water velocity near anchor

2.4 網(wǎng)箱平衡升降系統(tǒng)設計

網(wǎng)箱升降采用從動放氣進水(自然進水)方式，反應速度慢，也不利于升降平衡的控制，所以標準化升降網(wǎng)箱采用主動進水將空氣頂出的方式。通過橫向浮管和縱向立管組成的浮管框架氣水交換來完成網(wǎng)箱的升降?？刂圃O備如果放在海水中，很容易受到海水長期腐蝕，也經(jīng)常伴隨海生物的附著破壞，導致網(wǎng)箱需要經(jīng)常在水下檢查及維修,操作困難。 升降網(wǎng)箱時將升降需要的通氣裝置、通水裝置及平衡升降系統(tǒng)盡量多地設置在橫向浮管上部，離開水面便于密封及維護。每層縱向立管底部設有水管，上端安裝氣管，水管和氣管管道與水面附近的閥門連接，按照縱向立管層數(shù)和所處分網(wǎng)箱角度部位集中放置，并同分級控制裝置組成管路系統(tǒng)，如圖14所示。

圖14 網(wǎng)箱分層控制布置圖Fig.14 Cage hierarchical control layout1.管路接口 2.傾角感應器 3.橫向浮管 4.第3層縱向立管 5.第2層縱向立管 6.第1層縱向立管 7.第1層水管 8.第1層氣管

網(wǎng)箱的平衡升降系統(tǒng)由氣泵、水泵、傾角傳感器、PLC控制器、執(zhí)行控制裝置和管路系統(tǒng)組成。升降網(wǎng)箱采用多層多節(jié)控制，下降時依次從第1層開始注水放氣，完成后再進行更高層注水放氣，浮力減少，重心逐漸下移，更能保證網(wǎng)箱的平穩(wěn)下降；網(wǎng)箱上升時次序相反，第1層最后進行排水充氣。網(wǎng)箱的平衡升降系統(tǒng)通過不同方向的多個傾角傳感器對網(wǎng)箱的平衡狀態(tài)實時監(jiān)控，將采集數(shù)據(jù)提供給PLC控制器，控制器將數(shù)據(jù)和預設值進行比對，對網(wǎng)箱升降調(diào)整提供信息，再由執(zhí)行控制裝置對氣泵、水泵和各區(qū)域及不同管層的控制閥門發(fā)出指令，實現(xiàn)水氣的有序交換。平衡升降控制流程如圖15所示。

圖15 平衡升降控制流程Fig.15 Control process for balanced lifting

圖16 模塊化自動升降式深海網(wǎng)箱運輸和安裝現(xiàn)場圖Fig.16 Modular automatic lifting deep-sea cage transportation and installation scene

根據(jù)設計方案與仿真結果，制作自動升降式深海網(wǎng)箱樣機，樣機安裝現(xiàn)場如圖16所示。

3 結論

(1)深海網(wǎng)箱趨向于大型化，其運輸、安裝及維護是決定網(wǎng)箱市場化程度的關鍵因素。本文設計了一種智能化、模塊化、自動升降式深海網(wǎng)箱，通過對網(wǎng)箱浮管框架組件的標準化設計和采用多邊形組合式實現(xiàn)了網(wǎng)箱的標準化和模塊化，使網(wǎng)箱的設計、加工、組裝及后期維護更加簡單實用。

(2)復雜海況和超強風暴是深海網(wǎng)箱使用所面臨的最大難題。由于條件限制無法通過儀器進行實際測試驗證，本文通過理論計算和仿真分析，得出升降式網(wǎng)箱對深海惡劣環(huán)境的適應性遠高于普通固定式網(wǎng)箱。在12級臺風下，不升降的網(wǎng)箱受力超出材料屈服極限，而下降到海平面10 m以下的網(wǎng)箱受到的最大應力為3.39×107N/m2，安全系數(shù)控制在6.9，遠大于工程設計要求的安全系數(shù)1.4，最大變形僅為0.036 m，網(wǎng)箱移動范圍可控制在5.4 m。升降網(wǎng)箱可以大幅度提高抵抗風暴的能力，解決了大型浮式柔性網(wǎng)箱承載能力差、受力變形導致容積變小、容易被臺風刮走等問題。漁礁錨作為固定網(wǎng)箱的部件具有很好的阻流作用，同時可為生物提供宜居場所。

(3)設計的主動水氣交換的多層多節(jié)智能控制平衡升降系統(tǒng)為網(wǎng)箱穩(wěn)定、可靠、快速、平衡升降提供了支撐，以多個傾角傳感器檢測實現(xiàn)網(wǎng)箱升降過程中的平衡控制，采用逐層改變網(wǎng)箱重心的方式確保網(wǎng)箱重心維持在低點，實現(xiàn)網(wǎng)箱平穩(wěn)升降。