新型復(fù)式抗風(fēng)浪養(yǎng)殖網(wǎng)箱的設(shè)計及其在海洋環(huán)境下的受力計算

石 權(quán)，龔雅萍，孫 峰，王帥軍，張彥鑫，吳 姝，張 迪，陳 輝

1. 浙江海洋大學(xué) a. 海洋工程裝備學(xué)院，b. 船舶與海運學(xué)院，浙江 舟山 316022

2. 浙江舟山海王星藍海開發(fā)有限公司，浙江 舟山 316100

隨著現(xiàn)代海洋牧場建設(shè)的快速推進，發(fā)展海水養(yǎng)殖業(yè)已成為踐行大食物觀的重要舉措[1-2]。中國是世界第一大水產(chǎn)養(yǎng)殖國，2022 年中國海水養(yǎng)殖產(chǎn)量達2 275.7 萬t，其中深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)量約39.3 萬t，相較2011 年，增長率高達600%[3-5]。網(wǎng)箱養(yǎng)殖已逐漸成為我國海水魚類養(yǎng)殖的主要方式[6-7]。自1998 年海南省首次從挪威引進柔性抗風(fēng)浪網(wǎng)箱開始，到2002 年我國第一套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高密度聚乙烯 (High density polyethylene,HDPE) 升降式深水網(wǎng)箱成功下水，以及2018 年“德海1 號”成功抵御17 級超強臺風(fēng)“山竹”，再到集水產(chǎn)養(yǎng)殖、智慧漁業(yè)、休閑漁業(yè)、科技研發(fā)、科普教育等功能于一體的新型海洋牧場“耕海1 號”成功運營，提高網(wǎng)箱裝備化、智能化、生產(chǎn)集約化、管理信息化、環(huán)境可持續(xù)化，推進網(wǎng)箱養(yǎng)殖朝著深遠海方向發(fā)展是未來海洋漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然趨勢[8-12]。

在深水網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)受力計算方面，Yao 等[13]基于納維-斯托克斯方程，提出了一種用于求解流固耦合的混合體積方法，并分析了剛性和柔性網(wǎng)箱在不同流速下承受海流負(fù)載的情況。Li 等[14-16]基于莫里森方程和浪的衍射和輻射理論，耦合浮架單元梁結(jié)構(gòu)并模擬網(wǎng)衣桁架結(jié)構(gòu)，分析了網(wǎng)箱在海流和波浪下的受力情況。Park 等[17]通過3 種不同直徑的HDPE 管材的浸沒程度，推導(dǎo)出網(wǎng)箱浮架的阻力系數(shù)，計算了網(wǎng)箱浮架在流動載荷作用下的變形和應(yīng)力分布。楊新華等[18]基于繞射理論和Morison 方程，計算了波浪力并建立運動方程，對圓柱形浮式網(wǎng)箱進行受力分析并提出相應(yīng)的數(shù)值計算方法。郭帥等[19]基于勢流理論和非線性運動控制方程，建立了一種重力式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱的數(shù)值模型，對比分析了其在不同臺風(fēng)工況下與傳統(tǒng)網(wǎng)格式網(wǎng)箱系泊纜張力、浮架運動和網(wǎng)箱變形的情況。

為緩解近岸養(yǎng)殖壓力、拓寬深海水域養(yǎng)殖，基于中國海域養(yǎng)殖條件，本研究設(shè)計了一種可以應(yīng)對惡劣海況條件的新型復(fù)式抗風(fēng)浪深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱，與傳統(tǒng)HDPE 重力式網(wǎng)箱抗風(fēng)浪結(jié)構(gòu)不同，所設(shè)計的網(wǎng)箱創(chuàng)新采用了超靜定抗風(fēng)浪結(jié)構(gòu)，以雙浮筒結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的浮圈和浮架結(jié)構(gòu)，并對極端海洋條件下網(wǎng)箱可能承受的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷進行計算和分析，為發(fā)展大型抗風(fēng)浪養(yǎng)殖網(wǎng)箱提供了設(shè)計參考。

1 新型復(fù)式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的新型復(fù)式抗風(fēng)浪養(yǎng)殖網(wǎng)箱，包括浮筒、立體浮框結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)、網(wǎng)衣系統(tǒng) (圖1)。與傳統(tǒng)單中心的養(yǎng)殖區(qū)網(wǎng)箱不同，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域分布在一體式立體浮框兩側(cè)，通過安裝在養(yǎng)殖區(qū)域上方的浮筒提供浮力。浮筒與立體浮框結(jié)構(gòu)之間通過連接結(jié)構(gòu)形成剛性連接，當(dāng)網(wǎng)箱受到風(fēng)浪沖擊時，兩個浮筒隨著海浪波動起伏，剛性立體浮框和浮筒相連保持浮筒在海上只做上下運動，使網(wǎng)箱整體在浮動中平衡穩(wěn)定，減少風(fēng)浪對網(wǎng)箱的影響。對稱式雙網(wǎng)箱的設(shè)計可以有效減少因剛性連接而發(fā)生的中拱和中垂現(xiàn)象，防止網(wǎng)箱框架受損破裂。

圖1 新型復(fù)式網(wǎng)箱設(shè)計圖Fig. 1 Design drawing of new type of composite aquaculture net cage

1.2 浮筒設(shè)計

國內(nèi)常見的船型、組合式網(wǎng)架型網(wǎng)箱均以浮架提供浮力[20-22]，而對依靠浮筒為網(wǎng)箱整體提供浮力的設(shè)計并不多見，特別是雙浮筒一體式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱，在國內(nèi)尚未見類似的報道。圖2 為筒形結(jié)構(gòu)的浮筒，浮筒不僅為網(wǎng)箱提供漂浮海面的浮力，也是網(wǎng)箱各功能艙室設(shè)置的重要地點，從上往下依次為生活層(保證養(yǎng)殖工作人員的飲食起居)、機電設(shè)備區(qū)和輔助艙室(燃油艙、淡水艙)、飼料儲存艙、投喂設(shè)備艙和壓排載艙。浮筒采用雙層殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計：外層設(shè)有金屬防腐涂層，以防海水、海風(fēng)侵蝕，并設(shè)有防撞層，以免遭受船舶撞擊而發(fā)生破損，導(dǎo)致整個網(wǎng)箱出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性毀壞。底部壓載區(qū)用于盛放海水，以達到調(diào)節(jié)網(wǎng)箱重心位置，使其始終在浮心以下，防止其傾覆。浮筒可根據(jù)作業(yè)海域的風(fēng)浪狀況調(diào)節(jié)距離位置，大于一個海域內(nèi)出現(xiàn)概率多的波長，通過調(diào)整間距和壓載重量分布，使得縱搖固有周期增加，避開出現(xiàn)概率最高的波浪周期。

圖2 浮筒功能艙設(shè)計圖Fig. 2 Design of buoy function tank

1.3 立體浮框結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖3 所示，立體浮框結(jié)構(gòu)由底框、立柱和頂框組成，頂框與底框之間通過立柱連接后形成一體。底框結(jié)構(gòu)由縱梁、橫梁及斜撐組成 (圖4)，3 根橫梁和2 根縱梁一起圍合出兩片養(yǎng)殖區(qū)，雙養(yǎng)殖區(qū)設(shè)計既可實現(xiàn)多元化養(yǎng)殖，亦可避免網(wǎng)衣破損后，單一養(yǎng)殖區(qū)魚群全部逃逸的情況。同時，一體式立體浮框結(jié)構(gòu)區(qū)別于需要連接結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)組合網(wǎng)箱，后者的連接點受浪、流載荷較大，極易發(fā)生斷裂和破壞[23]，而一體式立體浮框結(jié)構(gòu)則通過整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使每根柱面受力而非點位受力，將受到的浪、流載荷分散開，從而實現(xiàn)抗風(fēng)浪功能。

圖3 立體浮框結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig. 3 Side view of three-dimensional floating frame structure

圖4 立體浮框結(jié)構(gòu)的仰視圖Fig. 4 Upward view of three-dimensional floating frame structure

底框的材質(zhì)選用HDPE 浮管，HDPE 材料不僅可以提供一定的浮力，有一定的抗拉性，且經(jīng)濟適用性好。頂框在結(jié)構(gòu)設(shè)計上和底框相似，由縱梁I、橫梁I 組成 (圖5)。頂框主要用于連接定位，頂框鋼管應(yīng)選擇高密度、高強度的合金鋼管，特別需要在應(yīng)力集中部位設(shè)置加強結(jié)構(gòu)，整體增加中央鋼管的抗剪、抗彎強度[24]。

圖5 立體浮框結(jié)構(gòu)的俯視圖Fig. 5 Top view of three-dimensional floating frame structure

立體浮框結(jié)構(gòu)是網(wǎng)箱的主體結(jié)構(gòu)，也是網(wǎng)箱設(shè)計的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)強度關(guān)系到網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)安全。所設(shè)計的立體浮框結(jié)構(gòu)與浮筒組合共同為網(wǎng)箱提供浮力，基礎(chǔ)框架和配重一起產(chǎn)生向下的拉力，保證網(wǎng)箱在海上垂直方向上的受力平衡。

1.4 網(wǎng)衣設(shè)計

網(wǎng)衣的主要作用是固定養(yǎng)殖空間，限制養(yǎng)殖魚群的活動范圍，防止魚群逃逸，同時也可阻擋鯊魚等捕食。網(wǎng)衣系統(tǒng)由頂網(wǎng)、側(cè)網(wǎng)、底網(wǎng)、基礎(chǔ)框架和配重5 個部分組成 (圖6)。網(wǎng)衣系統(tǒng)根據(jù)立體浮框形狀來設(shè)計，由側(cè)網(wǎng)和底網(wǎng)共同圍合成養(yǎng)殖區(qū)域，側(cè)網(wǎng)和底網(wǎng)利用基礎(chǔ)框架相連接，通過自身和配重的重力在水下張開成固定形狀。

圖6 網(wǎng)衣及配重設(shè)計圖Fig. 6 Design drawing of net and additional weight

網(wǎng)衣材料采用超高分子量聚乙烯纖維 (UHMWPE) 材料，其分子量是普通聚乙烯(PE)的30～50 倍，斷裂強度約為尼龍復(fù)絲的4 倍[25]。網(wǎng)衣網(wǎng)目形狀為菱形，大小為35 mm×35 mm。由于網(wǎng)衣在自身重力和其他外界施壓力的情況下極易變形，造成網(wǎng)衣破損，導(dǎo)致養(yǎng)殖魚群逃逸，并且在流速較大的情況下，如在深遠海，配重系統(tǒng)對網(wǎng)箱網(wǎng)衣變形程度的影響較大[26]，故需要增加配重系統(tǒng)，本網(wǎng)箱設(shè)計配重為2 342 kg。

1.5 網(wǎng)箱抗風(fēng)浪結(jié)構(gòu)設(shè)計

本網(wǎng)箱抗風(fēng)浪功能實現(xiàn)的關(guān)鍵在于垂蕩體和立體浮框結(jié)構(gòu)連接形成的超靜定結(jié)構(gòu)。超靜定結(jié)構(gòu)是指通過浮筒下部錘擋板和空心柱組合形成的垂蕩體(圖7) 和立體浮框結(jié)構(gòu)組成“十字形”穩(wěn)定剛性連接，為網(wǎng)箱垂蕩及縱向搖擺運動提供較大阻尼，實現(xiàn)網(wǎng)箱運動幅度與波浪運動形成相對“靜止”和穩(wěn)定。

圖7 垂蕩體和立體浮框的連接結(jié)構(gòu)Fig. 7 Connection structure of dangling body and three-dimensional floating frame

垂蕩體由浮筒、空心柱和錘擋板組成，上半部分柱狀浮筒和空心柱相連部分設(shè)計了錐形波浪緩沖區(qū)，上半部分空心柱與緩沖、減搖作用的錘擋板直接連接，得益于錘擋板提供的較大垂蕩以及縱向搖擺阻尼，因此在海浪較大的情況下，網(wǎng)箱運動幅度也能有效降低。

本網(wǎng)箱縱梁II 結(jié)構(gòu)過渡區(qū)主要有兩種作用：連接浮筒，給浮筒提供一個斜向支撐力，使其在風(fēng)浪條件下做上下運動；做波浪緩沖帶，能夠使波浪作用在錐面上緩慢爬升釋放波浪能量。與直壁結(jié)構(gòu)不同的是，波浪在直壁結(jié)構(gòu)上爬升得較高 (圖8)，這樣會增加網(wǎng)箱承受的波浪載荷，而斜向處理可以引導(dǎo)波浪沿斜面破碎，從而顯著降低網(wǎng)箱承受的波浪載荷。

圖8 直壁結(jié)構(gòu)波浪爬升情況圖Fig. 8 Wave run-up of straight wall structure

2 抗風(fēng)浪網(wǎng)箱受海洋載荷的受力計算

計算網(wǎng)箱環(huán)境載荷，首先要考慮網(wǎng)箱放置海域的自然條件狀況，如海風(fēng)、海浪、海流等，特別是風(fēng)暴潮、臺風(fēng)等極端天氣，易破壞網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，造成養(yǎng)殖魚群逃逸、網(wǎng)箱框架損壞等嚴(yán)重后果。因此，設(shè)計抗風(fēng)浪網(wǎng)箱時，對網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)所承受的環(huán)境載荷進行計算十分必要。

2.1 海流環(huán)境載荷

重力式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并不會因海流作用而產(chǎn)生慣性力，而其網(wǎng)衣受水下海流阻力的影響，因此分析海流載荷時，主要是對網(wǎng)衣形變進行計算。鑒于網(wǎng)衣表面結(jié)構(gòu)不規(guī)律，故不考慮水通過網(wǎng)目時的繞流作用，而對網(wǎng)線進行分割計算，進而對水阻力進行評估分析。首先明確養(yǎng)殖海域的水流條件：海水密度ρ取1.025×103kg·m—3，水流速度v取1 m·s—1，網(wǎng)衣的受流面積A為287 m2。

根據(jù)莫里森公式、流體動力的一般公式，網(wǎng)衣在水流中的阻力為：

式中：FD為阻力 (N)；CD為水阻力系數(shù)。

網(wǎng)衣受阻計算的關(guān)鍵在于網(wǎng)衣水阻力系數(shù)的選取，本文參考李玉成和桂福坤[27]針對網(wǎng)衣垂直狀態(tài)下水阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系的實驗結(jié)果，在網(wǎng)衣形變程度一定的情況下，總體水動力估算采用正常狀態(tài)下水阻力系數(shù)，網(wǎng)衣水阻系數(shù)與雷諾系數(shù)的關(guān)系可簡化成：

式中：黏性系數(shù)μ=1.01×10?3，網(wǎng)線直徑d1=0.001 8 m，則Re=1 826.73，可得水阻力系數(shù)CD=0.908 8。網(wǎng)箱受到的水阻力：FD=131 108 (N)=131.108 (kN)。

2.2 波浪環(huán)境載荷

網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)受波浪載荷分為網(wǎng)衣和浮架結(jié)構(gòu)兩部分，本文主要針對網(wǎng)箱主體浮架結(jié)構(gòu)，利用莫里森公式分別計算網(wǎng)箱橫、縱向框架柱的受力。選取蒲福氏風(fēng)級表中8 級大風(fēng)下的波浪參數(shù)：波高H=8 m，水深D=50 m，周期T=8 s，波長L=99.5 m。故波數(shù)k=2π·L—1，波頻ω=2π·T—1，阻力系數(shù)CD=1.2，慣性力系數(shù)Cm=2，水流速度v=1 m·s—1。

2.2.1 縱向框架柱的受力計算

考慮到單個縱向框架柱所受波浪載荷包括速度力和慣性力，先進行計算單位長度下的速度力極值：

積分得：

根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計尺寸：附加質(zhì)量系數(shù)γ=1.2，管直徑d2=0.6 m，則單個垂直框架圓柱上受到的速度力極值為：

單位長度下的慣性力極值：

積分得：

則單個垂直框架圓柱上受到慣性力極值為：

則單個垂直框架圓柱所受的波浪力：

所有垂直框架圓柱所受波浪力：

2.2.2 橫向框架柱的受力計算

采用修改后的莫里森公式計算水平圓管上的波浪力，即作用在單位長度上的水平圓管上的力：

引用線性波浪理論，時間t處位置 (x,z) 的波浪方程：

速度勢：

水平速度：

所有水平框架圓柱所受波浪力：

則浮架總受力為：

2.3 海風(fēng)環(huán)境載荷

因所設(shè)計的抗風(fēng)浪網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)均在水下，僅浮筒和穿梭走廊受到的海上風(fēng)載荷，考慮到我國頻發(fā)臺風(fēng)海域的臺風(fēng)風(fēng)級以及目前材料、制造水平，極限風(fēng)速取12 級臺風(fēng)最大值37 m·s—1。

對作用在網(wǎng)箱表面的風(fēng)載荷采用伯努利方程，計算海風(fēng)作用在浮筒上的動壓：

式中：Wp為風(fēng)壓 (k N·m—2)；ru為空氣密度(kg·m—3)。

將空氣密度 (ru) 替換成重度 (r)，其表達公式為：r=ru·g，代入式 (14)，得：

設(shè)在海面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa、溫度15 ℃的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣重度，重力加速度g取9.8 m·s—2，代入式 (15) 得：

由此可得網(wǎng)箱所受風(fēng)載荷為：

式中：A表示垂直風(fēng)速方向作用下網(wǎng)箱的受風(fēng)面積(m2)，而網(wǎng)箱阻力風(fēng)向主要來源于水平風(fēng)向，故得出網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積A=309.3 (m2)。

將深水網(wǎng)箱作業(yè)環(huán)境極值風(fēng)速與網(wǎng)箱受風(fēng)面積代入式 (17)，得到風(fēng)荷載F=264.645 (kN)。

2.4 環(huán)境載荷計算對比分析

根據(jù)計算結(jié)果并對比傳統(tǒng)HDPE 重力式網(wǎng)箱，以黃小華等[28]針對沿海地區(qū)常用的40～80 m周長的深水網(wǎng)箱計算結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在波高5 m、周期8 s、流速0.75 m·s?1條件下，周長80 m網(wǎng)箱所受的波浪力最大為85 kN，遠小于新型復(fù)式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱設(shè)計承受的波浪載荷。海流載荷計算選取聶雪軍等[29]和黃小華等[30]對重力式網(wǎng)箱在水流作用下受力計算的結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，二者在計算時均只考慮水流對網(wǎng)衣的作用，在流速1 m·s?1、網(wǎng)衣受流向面積210 m2的條件下，網(wǎng)箱受流阻力均值為109.4 kN，與新型復(fù)式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱設(shè)計承受載荷相近。風(fēng)載荷的計算則以吳常文等[31]在舟山海區(qū)進行的HDPE 深水網(wǎng)箱抗風(fēng)浪試驗結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)風(fēng)速大于35 m·s?1時，周長48 m 網(wǎng)箱所受風(fēng)載荷最大為21.923 kN，遠小于新型復(fù)式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱設(shè)計承受的風(fēng)載荷?；谝陨蠈Ρ?，可見本研究所設(shè)計的網(wǎng)箱相較于傳統(tǒng)HDPE 網(wǎng)箱能承受更大的風(fēng)浪載荷。

3 小結(jié)

針對傳統(tǒng)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)簡單，無法承受海洋中風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷造成的壓力沖擊情況[32-33]， 本研究基于海上實際作業(yè)工況，設(shè)計了一款面向深海養(yǎng)殖的復(fù)式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱，分別采用莫里森公式和伯努利方程對網(wǎng)箱承受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷進行受力計算并與傳統(tǒng)HDPE 網(wǎng)箱進行對比，總結(jié)如下：

1) 新型復(fù)式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱創(chuàng)新采用雙浮筒的設(shè)計，能為網(wǎng)箱提供更大的浮力，并與立體浮框結(jié)構(gòu)連接組成超靜定抗風(fēng)浪結(jié)構(gòu)。該設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)HDPE 網(wǎng)箱抗風(fēng)浪結(jié)構(gòu)，網(wǎng)箱上部承受波浪載荷的變化不明顯，當(dāng)網(wǎng)箱上部載荷變化時，整體不會出現(xiàn)較大傾斜而影響功能性的使用，故網(wǎng)箱上部位置可以儲備大量物資，增大了甲板使用面積。

2) 新型復(fù)式抗風(fēng)浪網(wǎng)箱可通過調(diào)節(jié)兩浮筒的間距來改變浮筒下方垂蕩體的距離，使其大于工作海域極限波長，通過垂蕩體的垂蕩和減搖作用，給網(wǎng)箱提供較大的阻尼，從而實現(xiàn)控制網(wǎng)箱運動幅度，保證網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)安全。

3) 立體浮框結(jié)構(gòu)是承受波浪載荷的主要載體，其特征尺度簡化為橫桿和縱桿，受到速度力和慣性力的疊加，在海上8 級大風(fēng)條件下所承受的極值負(fù)載約為344.82 kN。網(wǎng)箱因采用雙浮筒結(jié)構(gòu)，受風(fēng)面積大，且選取12 級大風(fēng)極值風(fēng)速，其極值負(fù)載約為264.65 kN。網(wǎng)箱承受海流載荷的計算是通過網(wǎng)衣水下受流阻力計算而得，其極值負(fù)載約為131.11 kN。在近似計算條件下，所設(shè)計的網(wǎng)箱承受海洋環(huán)境載荷均高于傳統(tǒng)HDPE 網(wǎng)箱，為后續(xù)研究開發(fā)與生產(chǎn)提供了參考。