浪流聯合作用下碟形網箱單纜失效動力學分析

范 浩，李家旺，朱克強，張大朋

（寧波大學海運學院，寧波315211）

浪流聯合作用下碟形網箱單纜失效動力學分析

范 浩，李家旺，朱克強，張大朋

（寧波大學海運學院，寧波315211）

深海網箱長期放置于水文條件較為復雜的深海水域，研究網箱在復雜水域的水動力特性，對于網箱能否正常工作意義重大。通過采用國際先進的海洋工程軟件OrcaFlex，以碟形網箱為例建立仿真模型進行動力學分析，通過對比網箱在浪流聯合作用下，以及單纜失效條件下的動力學分析。得出了網箱在單纜失效狀態下的系泊性能，為網箱系泊系統的設計制造提出優化意見。

碟形網箱；單纜失效；OrcaFlex；水動力分析

隨著人口的不斷增長，對于水產品的需求也隨之增加。加之近海海洋環境污染嚴重使得沿海水產養殖已不能滿足市場需求。因此水產養殖走向深海，已成為一種必然選擇。然而網箱系統長期置于復雜海況條件下受到波浪載荷，風載，以及海流的作用，這對網箱的安全性，穩定性，可靠性提出了更高的要求。

國內外對深海網箱已進行了大量研究，李玉成［1］對比了重力式與碟形網箱的錨繩受力特性；楊新華［3］給出了深海網箱的運動方程，并給出了數值計算；楊然哲［4］給出了沉降式網箱群簡化模型，并分析三種不同工況下錨泊系統的張力變化；鄭國富［6］研究了圓柱形網箱在純流，純波，以及波流聯合作用下的運動狀態和張力特征；詹杰民［7］建立了浮式網箱的有限元模型對不同來流方向，以及網面阻力受水流遮蔽效應進行研究，并對主要結構部件與實驗結果進行驗證。朱克強［8］提出了海洋纜體系統的統一凝集參數時域分析法。

然而已有的研究大多針對單個或網箱群進行了水動力特性的分析研究，而對于網箱錨固系統發生故障時，網箱系統動力學分析研究較少。本文基于OrcaFlex軟件建立單個碟型網箱模型，模擬網箱在浪流聯合作用下錨固系統其中一條纜索失效情況，計算網箱的整體動力響應。對比網箱在失效前后主要錨固纜索張力變化和網箱位移變化，為碟形網箱的優化設計提供參考意見。

1 建立模型

深海碟形網箱結構示意圖如圖1所示。網箱的構造主要由兩個部分組成，網箱本體，網箱錨固系統。網箱本體由中柱體，浮環柱體，上輻條繩，下輻條繩構成。其中中柱體由上下兩個部分構成通過調節柱體內部空氣體積來調節網箱的升降。浮環柱體通過上下輻條與中柱體的兩端連接，構成網箱的框架結構支撐起整個網箱。網箱錨固系統由水泥錨，錨繩，張緊浮球，若干繩索組成。張緊浮球與繩索組成的約束分為兩個部分，為了保證網箱的穩定性在網箱相對稱的四個角上通過繩索將張緊浮球與浮環柱體相連接，通過浮球提供的浮力使繩索處于張緊狀態從而滿足穩定性的要求。為了減少錨繩自重對網箱的影響，在錨繩的相應位置連接浮球以減少錨繩自重對網箱的影響。

圖1 深海碟形網箱結構示意圖Fig.1 Sketch of deep water sea station cage

2 深海網箱算例分析

2.1 模擬參數

OrcaFlex軟件分析過程分為四個階段，第一階段2秒為準備階段，第二階段60 s為I模擬階段（主要模擬單纜未失效情況下，網箱在浪流聯合作用下的運動）第三階段60 s為II模擬階段（主要模擬單纜突然失效情況下，網箱在相同條件下的運動）。第四階段60 s為 III模擬階段（主要模擬網箱在單纜完全失效情況下的運動）。

表1 碟形網箱仿真環境參數Tab.1 Simulation environment parameters of sea station cage

此外，深海網箱所處環境較為復雜，所受外界干擾較多，通過模擬浪流的聯合作用來研究深海網箱的動力特性。深海網箱環境參數見表1。

同時假定，錨，浮標的副法向，切向，法向阻力系數附加質量系數為1，以及外界載荷所采用系數均為1文章主要研究錨固系統中錨繩環境載荷作用下張力的變化情況，并以中柱體的位移值為參考來分析網箱在實行情況下的位移情況。錨繩的分布示意圖見圖2，如圖2所示錨固系統沿對角線布置并按逆時針依次編號。為了保證錨繩的穩定，錨繩與錨繩之間通過尺寸較小的系帶連接也按逆時針編號。

圖2 錨繩分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of anchor rope

2.2 水動力分析結果

網箱環境載荷作用示意圖見圖3，如圖3所示浪流方向為X軸負方向，最先受力的錨繩被張緊，而與之對稱布置的錨繩受浮力作用有向上的位移。網箱單纜失效示意圖見圖4，如圖可得，網箱在單欄失效的情況下整體出現較大位移。圖5-a，描述了網箱錨固系統在1號錨繩突然失效情況下的張力變化。第一階段為準備階段圖中顯示的數值可以忽略，從第二階段開始網箱錨固系統的張力值開始增加，且纜索的張力值隨環境載荷周期性變化而變化。錨繩1，錨繩2張力值變化相似最大值為60 KN，相對于YZ面對稱。同時為錨繩3，4最大張力最大值的4倍。

第三階段開始時，設定錨繩1突然失效從底部系帶連接處斷開。此時錨繩1張力值消失，其他繩索在錨繩斷裂時出現小幅震動后主要受力錨繩開始重新分配，錨繩2，錨繩4的張力在短時間開始急速增加從60 s開始到150 s時趨于穩定，錨繩2張力值從最初的57.8 KN增加到83.2 KN后趨于穩定，錨繩3張力值逐漸下降，失去工作意義，說明在錨固系統中與環境載荷首先接觸的錨繩最先被張緊，主要為網箱提供與環境載荷方向相反的作用力抵抗環境載荷的作用，而后受到環境載荷作用的錨繩起到錨固作用不是十分明顯。因此在錨繩1斷裂之后呈對角關系的錨繩2和錨繩4主要承擔網箱的系固作用。

圖3 網箱環境載荷作用示意圖Fig.3 Sketch of net cage environmental load

圖4 網箱單纜失效示意圖Fig.4 Sketch of net cage single cable failure

圖5 錨繩張力變化Fig.5 Tension changes of anchor rope

本文通過研究網箱中柱體的速度和位移變化來描述整個網箱的運動情況，網箱的運動曲線在錨繩未出現失效之前中主體的速度和位移由于環境載荷的周期性變化也圍繞某一值周期性變化，在Y軸方向上由于錨繩約束力的作用網箱始終沒有位移，當單纜突然失效時由于慣性力的作用，中柱體速度在短時間內從1 m/s增加到2.5 m/s并沒有出現短暫的震蕩，在沒有錨繩1約束的情況下，網箱在X，Y軸方向出現較大位移合成后沿著錨繩1的反方向運動。Z軸方向在單纜未失效之前表示網箱已經處于水下，并且呈周期性的變化，整體是呈現下降趨勢。當單纜失效時網箱沒有錨繩1作用在其上，傾向下的拉力開始上浮一段距離，隨后隨著沿對角線布置的錨繩2，4張力逐漸增加，網箱又開始下降，下降幅度隨著張力的增加而增加。最后在150 s附近趨于穩定。通過圖3，圖4可以了解到網箱在環境載荷作用的條件下出現傾斜的現象并且在整個模擬過程都處于水面以下。

網箱傾斜受力分析示意圖如圖7所示，重力浮力是一對作用力與反作用力并不能產生力矩，Fb的大小由平衡塊的質量決定為恒定值，Fs，Fa是錨固系統提供的約束力，其中Fs為錨繩1，2所提供的約束力，Fa是與之相對稱的錨繩3，4所提供的約束力。如錨繩張力變化圖5可得Fs張力值遠大于Fa。從而合力Fj作用在A點的傾斜力矩要大于Fa，Fb作用在A點的回復力矩，使得網箱出現傾斜，同時網箱在Fj的作用下逐漸下降，并隨著Fs的增大下降的深度也隨之增加。

注：Ff，G代表網箱所受浮力與重力，Fc代表環境載荷作用在網箱上的力，Fs代表錨固系統作用在網箱上的拉力，Fb代表平衡塊提供的作用力，Fa錨固系統提供的約束力，Fj代表Fc與Fs的合力，A點為網箱的形心。

圖6 網箱的運動曲線Fig.6 Movement curve of net cage

圖7 網箱傾斜受力分析示意圖Fig.7 Sketch of force analysis of tilted net cage

4 結論

在浪流聯合作用下，錨固系統張力值呈現對稱性。表現為沿著來流方向，首先受載荷作用的錨繩張緊張力值增大，與之對稱的錨繩受載荷的作用產生向上分力。使得錨固系統一半約束網箱。一半由于環境載荷作用不能夠完全提供約束。使得網箱的穩定性打折扣，建議在保留原有錨固系統的前提下，在網箱邊緣加裝垂直于海床的錨固設備。

網箱在環境載荷與錨固系統的聯合作用下，會產生傾斜并伴有緩慢下降。錨固系統雖然是網箱的穩定系統但只是確保網箱在環境載荷作用下不會發生大的位移。不能保證網箱能否正浮于水面。平衡塊作為網箱的平衡裝置在較大環境載荷作用下不能起到明顯的作用，建議增加平衡塊質量，加裝偏心裝置以增加網箱在傾斜情況下的恢復力矩。

網箱的浮力主要靠網箱自身的中柱體、浮環柱體提供，但在仿真過程中發現在復雜海況條件下環境載荷與錨固系統的合力產生向下的作用力。使得網箱長時間置于水下，不利于網箱的正常工作，在單纜失效的情況下網箱下降深度會進一步增加。為了增強網箱抵抗復雜環境的能力，以及減少由于錨固系統失效造成的損失，建議在網箱外圍加設浮環柱體作為網箱的浮力儲備，增強網箱在復雜環境下的生存能力。

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Dynamic analysis of sea station cage′s single cable failure by combined impacts of waves and currents

FAN Hao,LI Jia-wang,ZHU Ke-qiang,ZHANG Da-peng
（Faculty of Maritime and Transportation,Ningbo University,Ningbo315211,China）

Deep sea cages are normally placed in deep water with complex hydrological conditions on a longterm basis,thus studies on the hydrodynamic characteristics of cages in the complex waters are significant for the normal performance of the cages.In this paper,the international advanced marine engineering software called OrcaFlex was adopted.Taking the sea station cage as an example,a simulation model for dynamic analysis was set up. By comparing the dynamic analyses of the cage under the combined action of wave and current with that of the cage under single cable failure condition,the mooring performance of cage under single cable failure condition was obtained，thus the optimization design for manufacturing cage mooring system was put forward.

sea station cage;single cable failure;OrcaFlex;hydrodynamic analysis

TU 473；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0080-04

2016-08-24；

2016-09-30

國家自然科學基金（11272160）；自然科學基金青年項目（51309133）

范浩（1991-），男，甘肅隴西人，碩士研究生，主要從事船舶與海洋工程結構物強度研究。

Biography：FAN Hao（1991-），male，master student.