不同系泊纜失效模式下深海碟形網箱的水動力特性

張大朋，嚴 謹，朱克強

不同系泊纜失效模式下深海碟形網箱的水動力特性

張大朋1，嚴 謹1，朱克強2

（1. 廣東海洋大學海洋工程學院，廣東 湛江 524005；2. 寧波大學海運學院，浙江 寧波 315211）

【】研究碟形網箱在系泊纜斷裂的部位和數量不同時，系泊纜斷裂后碟形網箱的水動力特性。結合某碟形網箱具體參數和其系泊系統布局情況，建立該碟形網箱的水動力分析模型，探究系泊纜在不同位置發生斷裂和不同數量系泊纜斷裂失效模式對碟形網箱水動力特性的影響。【】1）不管何種模式的纜失效，都會導致其余未發生斷裂系泊纜所承受的系泊張力重新分布。2）纜失效位置和數量的不同都會對網箱主體的六自由度運動產生不同的影響：當系泊纜錨固端斷裂時，纜的自重及纜承受的水中阻力會對碟形網箱主體傾覆運動起到某種程度的限制作用。當系泊纜在上端斷裂時，斷裂后整根系泊纜完全脫離碟形網箱主體，如果自頂端斷裂的系泊纜較多，就會導致碟形網箱主體發生大傾角傾覆；如果只剩下一根系泊纜與碟形網箱相連，碟形網箱有可能發生風標效應。

碟形網箱；系泊纜；失效模式；水動力特性

碟形網箱是海洋漁業養殖與開發過程中廣泛應用的一種海洋網箱。與圓形重力式網箱相比，碟形網箱有著適應性強、抗風浪性好、結構穩定性強、不易發生變形等多種優點[1-2]。范浩等[3]對單纜失效下的碟形網箱展開水動力特性分析；徐為兵等[4]探究不同波高及波流聯合作用下碟形網箱水動力特性，發現海流流速對錨繩張力影響最大，其次為波高，而周期對張力的影響并不明顯；李玉成等[5-6]分析碟形網箱和圓形重力式網箱的系泊系統張力變化；湯威等[7]分析不同系泊形式對碟形網箱水動力系統的影響；陳連源等[8]提出一種升降式碟形網箱的設計方案；袁建強[9]在提出一種升降式網箱設計方案的基礎上，基于SESAM軟件對深海網箱平臺整體結構在風暴工況下的總體強度進行校核；蔡曉雄[10]分析Spar平臺在系泊纜失效形式下的水動力響應情況；侯會敏[11]對深海系泊網箱的系泊系統疲勞損傷情況進行可靠性分析；汪薔[12]研究系泊纜的剩余強度；Lian等[13]分析纖維纜繩的損傷程度對混合拉緊纜繩系泊系統性能的影響。目前，關于碟形網箱系泊系統完整狀態下的水動力特性和單一纜失效模式下的水動力研究已經較為成熟，但關于系泊系統中多纜斷裂失效模式下的水動力特性及系泊纜不同部位發生斷裂后碟形網箱的水動力特性的研究則較少見諸報道。有鑒于此，本研究參照某碟形網箱具體參數，建立該網箱總體水動力分析模型，對該系統在泊纜斷裂部位和數量不同的情況下的碟形網箱水動力特性進行分析，以期為指導具體碟形網箱的海上作業提供參考。

1 動力學仿真模型構建

1.1 系統組成與模型布局

系泊纜發生斷裂的位置一般集中在纜上端和海底錨固端，因此，本研究中系泊纜的失效部位也假設發生在纜上端和海底錨固端。

本研究對象為沉降式碟形網箱，該網箱在風平浪靜時可浮于水面，有臺風時可下沉到水面以下。該網箱為一個自張緊結構，主要由一個八邊形浮環和一個中心立柱組成。網箱浮環由八個鋼管分段用法蘭連接，每個分段分別密封并加壓。網箱用質量達3 t的混凝土塊壓載，通過懸掛索懸掛在中心立柱下面，使之保持一定的穩定性。中心立柱內有一個長達3 m的浮艙（其體積可變），配合一定長度的懸掛索使網箱下潛并穩定在特定的深度。碟形網箱系統組成見表1，模型示意見圖1。

a，系統模型；b，俯視圖

表1 碟形網箱系統組成

1.2 建模的假定與等效處理

實體網箱立柱為鍍鋅鋼管，中間是有一定容積的密封腔體。由于OrcaFlex軟件功能的限制（該軟件的原理是凝集質量法），本模擬在處理該部分模型時將立柱等效為實心的外形相同、重量相等的圓柱。原因在于立柱的結構強度和彎曲強度是足夠的，本研究需要關注的是它本身重量和能產生的浮力。該網箱最初數據來源于文獻[14-15]，在不顯著影響網箱水動力特性的前提下，為了便于建模以及提高計算效率，本模型作如下假設和簡化[16]：

1）將構件間真實的復雜連接全部簡化為鉸接；

2）將配重塊簡化為忽略外形、帶有相同質量的點，即減少配重塊對網箱系統穩定性的擾動；

3）簡單考慮網衣對波流的阻滯效應。

網箱浮環由8段鋼管組成，段與段之間用一個六自由度浮體來連接，在進行數值模擬時僅僅將六自由度浮體作為一個連接點來考慮。不用三自由度浮體連接的原因在于真實的網箱浮環是有一定剛度的，受到波浪作用時浮環會發生一定的彎曲和扭轉，而這是不可忽略的因素。

徐為兵等[4]證實，研究對象為碟形網箱主體，則忽略網衣對碟形網箱主體的運動特性影響不大，本研究在這一結論的基礎上進行建模。但如果研究對象為網箱上面網衣的變形，如何對網衣進行等效處理則是必須考慮的問題，也是難點和關鍵技術。針對傳統的圓形重力式網箱結構，嘗試通過改變網線的數量和直徑來達到網衣等效的效果。故引入如下假設：將網衣分成很多部分，每一部分擰在一起，成為一根新的網線，保證網線前后體積不變，根據莫里森方程，在保證波流力不變的基礎上，為新的網線取一個新的系數。處理方法如下：

假設真實的網線直徑為0，水動力系數為C；將根相鄰的網線擰成為一根新的網線后，新的網線直徑為，水動力系數為C。網線前后體積保持不變，則有

化簡，得

假設前后水動力系數相等，則有

按照式（1—3）所得，對網箱模型中的網衣作相應處理，按照參考文獻[16]施加波流載荷，并與文獻[17]的計算結果進行比較。當流速為0.1 m/s時，網箱的變形見圖2。由圖2可見，等效簡化的網箱數值模型的變形趨勢與試驗結果的網衣變形趨勢趨于一致，說明這種方法有一定的可行性。

a，網箱等效簡化后數值模型；b，模型試驗實測圖

a, simplified numerical model for cage; b, experimental model

圖2 仿真網衣變形與實驗對比結果

Fig. 2 Deformation comparison of net lines between simulation and experiment

1.3 海洋載荷設置

該海域水深為55 m，波高為6 m，波浪周期為12 s，海流流速為2 m/s，波流同向，波流方向均為整體坐標系下的180°。由文獻[18]的結論可知，斯托克斯五階波計算理論得出的結果更為保守，可提高實際工程上的安全裕度。因此，波浪的類型選擇斯托克斯五階波。該模型中4個三自由度浮標的質量皆為0.136 t，體積為0.438 9 m3，高度為1 m。系泊纜靜態構型與環境載荷方向見圖3。在計算過程中，系泊纜法向拖曳力系數取1.200，軸向拖曳力系數取為0.008。

圖3 碟型網箱模型及環境載荷方向

2 結果與分析

2.1 系泊系統完好時的動力響應

由圖4可知，在系泊系統完好時，碟形網箱主體的水動力學特性較為穩定。三自由度平動與轉動均為有規律的周期波動，尤其是碟形網箱主體的艏搖運動，其波動幅度非常小。此時4根系泊纜兩端的張力分布情況較為簡單，系泊纜1與2上端系泊張力曲線重合，系泊纜3與4上端系泊張力曲線重合；且系泊纜1與2錨固端張力曲線重合，系泊纜3與4錨固端張力曲線重合。這說明在系泊系統完好時，該碟形網箱系統的整體水動力特性比較穩定，且系泊張力分布情況較為規律。

圖4 系泊系統完好時碟形網箱系統的水動力響應

2.2 單一系泊纜失效時的動力響應

在單根系泊纜失效的情況下，失效部位發生在上端（圖5）或錨固端（圖6），都會引起整個系泊系統中系泊張力的重新分布；且在上端發生斷裂的碟形網箱，其平動與轉動幅度都比在錨固端發生斷裂時的幅度大。原因在于，當單根系泊纜在底部錨固端斷裂時，雖然纜底部與海床間的錨固作用消失導致碟形網箱主體在該方向的運動約束大大減弱，但纜上端仍然與碟形網箱相連，此時系泊纜類似于在上端受到碟形網箱主體拖曳作用的拖纜，纜的自重及纜承受的水中阻力會對碟形網箱主體傾覆運動起到某種程度的限制作用，此時碟形網箱的運動以朝著纜斷裂相反方向的平動運動為主；當單根系泊纜在上端斷裂時，最大縱搖角已達到22°，斷裂后整根系泊纜完全脫離碟形網箱主體，從而導致碟形網箱主體發生大傾角傾覆。

圖5（續）

Fig. 5（Continued）

A1—A4, 系泊纜1錨固端失效時；B1—B4, 系泊纜2錨固端失效時；C1—C4, 系泊纜3錨固端失效時；D1—D4, 系泊纜4錨固端失效時

圖6（續）

Fig. 6（Continued）

2.3 兩根系泊纜失效時的動力響應

在兩根系泊纜發生斷裂時，分兩種情況，即一種是兩根相鄰系泊纜發生斷裂，另一種是兩根相對系泊纜發生斷裂。

當兩根相鄰系泊纜斷裂時（圖7）：1）如果兩根系泊纜斷裂位置發生均發生在上端，則在纜斷裂后，碟形網箱主體發生大角度傾覆。2）如果兩根系泊纜斷裂位置均發生在錨固端，則兩根系泊纜失效后它們的自重會對抵抗碟形網箱主體發生傾覆起到更大作用，因此在這種情況下，與單根纜錨固端斷裂相比，此時碟形網箱主體的平動更加明顯，但大傾角傾覆受到更明顯地抑制。3）如果兩根系泊纜斷裂位置一根發生在上端而另一根發生在錨固端，這種情況與單根纜底部錨固端斷裂相比，碟形網箱主體的平動更加明顯，但與兩根系泊纜斷裂位置均發生在錨固端時相比，此時大傾角傾覆受到的抑制有所減弱，在斷裂發生的瞬間會發生小幅度艏搖。

A1—A4, 系泊纜1與2上端失效時；B1—B4, 系泊纜1與2錨固端失效時；C1—C4, 系泊纜1上端與系泊纜2錨固端失效時

當兩根相對系泊纜斷裂時（圖8）：1）如果兩根系泊纜斷裂位置發生均發生在上端，由于斷裂纜的對稱性，在纜斷裂瞬間，碟形網箱主體會發生小幅度傾斜，然后反復擺動，如果外界載荷較為微弱，則此時系統容易達成動平衡；如果外界載荷較為急劇惡劣，則這種不穩定的動平衡將被打破，最終整個網箱主體徹底傾覆。2）如果兩根系泊纜的斷裂位置均發生在錨固端，碟形網箱主體的運動主要集中在平動方向，兩端的纜自重可起到平衡傾覆力矩的作用。3）如果兩根系泊纜的斷裂位置一根發生在上端而另一根發生在錨固端，由于一根纜的自重仍然可加載到碟形網箱主體上，此時發生在錨固端斷裂的纜在其自重作用下會導致碟形網箱主體繞剩余兩根系泊纜上端連線的轉動；在轉動角度過大時，有可能發生傾覆。

A1—A4, 系泊纜1與3上端失效時；B1—B4, 系泊纜1與3錨固端失效時；C1—C4, 系泊纜1上端與系泊纜3錨固端失效時

2.4 三根系泊纜失效時的動力響應

由于該系統共四根系泊纜，故三根系泊纜失效均為相連三根系泊纜，假設系泊纜1、2、3失效。

當三根系泊纜發生斷裂時：1）如果是三根系泊纜均為上端斷裂（圖9），此時碟形網箱主體的系泊形式類似于單點系泊，所有系泊力由剩余的那根系泊纜承受，且碟形網箱主體容易發生風標效應且極易發生大傾角傾覆。2）如果是三根系泊纜均為錨固端斷裂（圖10），此時碟形網箱主體的系泊形式仍類似于單點系泊，不同的是碟形網箱主體仍與其余三根系泊纜相連，因此這三根系泊纜的自重可以起到抑制大傾角傾覆的作用。3）如果三根系泊纜中一根發生錨固端斷裂，而相鄰布局的另兩根發生上端斷裂（圖11），此時碟形網箱主體不僅容易發生風標效應也易發生大幅度艏搖。4）如果三根系泊纜中一根發生錨固端斷裂，而對角布局的另兩根發生上端斷裂（圖12），這種情況與三根系泊纜均為上端斷裂時不同的是，此時碟形網箱主體仍易發生風標效應但發生大傾角傾覆的可能性降低。5）如果三根系泊纜中一根發生上端斷裂，而相鄰布局的另兩根發生錨固端斷裂（圖13），此時碟形網箱主體不僅容易發生風標效應也易發生大幅度橫搖；如果外界海洋載荷過于劇烈，這種橫搖容易發展成大傾角傾覆。6）如果三根系泊纜中一根發生上端斷裂，而對角布局的另兩根發生錨固端斷裂（圖14），此時碟形網箱主體在發生風標效應時大角度橫傾會受到抑制。

系泊纜1、2、3上端失效時

系泊纜1、2、3錨固端失效時

系泊纜1錨固端與系泊纜2、3上端失效時

系泊纜2錨固端與系泊纜1、3上端失效時

系泊纜1上端與系泊纜2、3錨固端失效時

系泊纜2上端與系泊纜1、3錨固端失效時

3 討論

在頂端失效模式下，系泊張力重新分布后會導致未失效纜的兩端系泊張力分別增大，而迎流迎浪方向的系泊纜張力增幅尤其大；針對這種情況，要對迎流迎浪方向的系泊纜進行適當加強，以防這種情況的發生；對于有可能發生的風標效應，可以通過適當調整系泊纜與碟形網箱的連接位置來調節。計算結果表明，當系泊纜索錨固端失效時，由于系泊纜索的自身重力以及系泊纜索與海床之間的摩擦力聯合作用下，仍能起到一定對網箱主體的限制作用，但如果海況較為惡劣，就需要在相應的斷纜系泊處事先布放一定的儲備浮筒，當錨鏈自底端斷裂后，可以通過往浮筒內灌入壓載水的形式來對網箱主體的姿態進行調節[19-21]。其余斷纜模式下的網箱主體姿態的控制，可通過以上兩種方式的組合來實現。

在實際工程實踐中，不同系泊纜上端和錨固端的斷裂時刻并不是同步的，但在本研究仿真過程中，多根系泊纜不同位置的斷裂是同時發生的，雖然這對最初時刻的計算結果有影響的，但當仿真結果穩定后，對最終的計算結果趨同，故在研究中對于纜的斷裂模式采取此種方式。

此外，關于網箱網衣的計算方法，當前最新的研究方法是天津大學劉春宏等[22]提出基于多孔介質模型的養殖網箱的等效模擬方法，其研究發現單獨只考慮魚或網都不能準確地描述魚類養殖網箱周圍的流場特性，須將二者結合考慮。而本研究中采用徐為兵等[4]、李玉成等[5-6]對于網箱等效處理的方法。后續研究中將結合理論與實驗對照，進一步完善碟形網箱網衣的等效計算方法。

4 結論

本研究對該系統在泊纜斷裂部位和數量不同的情況下的碟形網箱水動力特性進行分析，得到如下結論：

1）不管何種模式的纜失效，都會導致其余未發生斷裂系泊纜所承受的系泊張力重新分布；

2）纜失效位置和數量的不同都會對網箱主體的六自由度運動產生不同的影響：當系泊纜錨固端斷裂時，纜的自重及纜承受的水中阻力仍會對碟形網箱主體傾覆運動起到某種程度的限制作用。當系泊纜在上端斷裂時，斷裂后整根系泊纜完全脫離碟形網箱主體，如果自頂端斷裂的系泊纜較多，就會導致碟形網箱主體發生大傾角傾覆；如果只剩下一根系泊纜與碟形網箱相連，碟形網箱有可能發生風標效應。

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Hydrodynamic Characteristics of Deep Sea Station Cage under Different Failure Modes of Mooring Cables

ZHANG Da-peng1, YAN Jin1, ZHU Ke-qiang2

（1.,,524005,; 2.,,315211,）

【】The study is to obtain the hydrodynamic characteristics of sea station cage after mooring cable breakage at different locations and numbers. 【】Combining the specific parameters of a certain sea station cage and the layout of its mooring system, establishing the hydrodynamic analysis model of the sea station cage, and exploring the influence of the breakage of mooring cables at different locations and the breakage failure modes of different numbers of mooring cables on the hydrodynamic characteristics of the sea station cage.【】1) Failure of any mode of cable will result in redistribution of the mooring tension of the remaining mooring cables that have not been broken. 2) The location and quantity of failure of cable have different effects on the 6-DOF motion of the main body of the sea station cage: When the anchor end of the mooring cable breaks, its weight and the water resistance of the cable will limit the overturning movement of the main body of the spar sea station. When the mooring cable is broken at the upper end, the whole root mooring cable is completely separated from the main body of the sea station cage after fracture. If there are more mooring cables broken from the top, it will lead to large overturning of the main body of the sea station cage. If only one mooring cable remains attached to the sea station cage, it may have weathercock effect.

sea station cage; mooring cable; failure modes; hydrodynamic characteristics

張大朋，嚴謹，朱克強. 不同系泊纜失效模式下深海碟形網箱的水動力特性[J]. 廣東海洋大學學報，2022，42（3）：107-116.

TV131.2；U663

A

1673-9159（2022）03-0107-10

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.03.014

2021-10-24

廣東海洋大學科研啟動經費資助項目（060302072101）；廣東省促進經濟高質量發展專項“深海油田高可靠智能開采技術研發及產業化項目”；2020國家一流專業船舶與海洋工程（100102-010305072101）；國家“十三五”海洋經濟創新發展示范城市項目（湛海創2017C6B1）

張大朋（1987―），男，博士，講師，研究方向為船舶與海洋工程結構動態響應。E-mail: 1214265737@qq.com