浪流联合作用下碟形网箱单缆失效动力学分析

范 浩，李家旺，朱克强，张大朋

（宁波大学海运学院，宁波315211）

浪流联合作用下碟形网箱单缆失效动力学分析

范 浩，李家旺，朱克强，张大朋

（宁波大学海运学院，宁波315211）

深海网箱长期放置于水文条件较为复杂的深海水域，研究网箱在复杂水域的水动力特性，对于网箱能否正常工作意义重大。通过采用国际先进的海洋工程软件OrcaFlex，以碟形网箱为例建立仿真模型进行动力学分析，通过对比网箱在浪流联合作用下，以及单缆失效条件下的动力学分析。得出了网箱在单缆失效状态下的系泊性能，为网箱系泊系统的设计制造提出优化意见。

碟形网箱；单缆失效；OrcaFlex；水动力分析

随着人口的不断增长，对于水产品的需求也随之增加。加之近海海洋环境污染严重使得沿海水产养殖已不能满足市场需求。因此水产养殖走向深海，已成为一种必然选择。然而网箱系统长期置于复杂海况条件下受到波浪载荷，风载，以及海流的作用，这对网箱的安全性，稳定性，可靠性提出了更高的要求。

国内外对深海网箱已进行了大量研究，李玉成［1］对比了重力式与碟形网箱的锚绳受力特性；杨新华［3］给出了深海网箱的运动方程，并给出了数值计算；杨然哲［4］给出了沉降式网箱群简化模型，并分析三种不同工况下锚泊系统的张力变化；郑国富［6］研究了圆柱形网箱在纯流，纯波，以及波流联合作用下的运动状态和张力特征；詹杰民［7］建立了浮式网箱的有限元模型对不同来流方向，以及网面阻力受水流遮蔽效应进行研究，并对主要结构部件与实验结果进行验证。朱克强［8］提出了海洋缆体系统的统一凝集参数时域分析法。

然而已有的研究大多针对单个或网箱群进行了水动力特性的分析研究，而对于网箱锚固系统发生故障时，网箱系统动力学分析研究较少。本文基于OrcaFlex软件建立单个碟型网箱模型，模拟网箱在浪流联合作用下锚固系统其中一条缆索失效情况，计算网箱的整体动力响应。对比网箱在失效前后主要锚固缆索张力变化和网箱位移变化，为碟形网箱的优化设计提供参考意见。

1 建立模型

深海碟形网箱结构示意图如图1所示。网箱的构造主要由两个部分组成，网箱本体，网箱锚固系统。网箱本体由中柱体，浮环柱体，上辐条绳，下辐条绳构成。其中中柱体由上下两个部分构成通过调节柱体内部空气体积来调节网箱的升降。浮环柱体通过上下辐条与中柱体的两端连接，构成网箱的框架结构支撑起整个网箱。网箱锚固系统由水泥锚，锚绳，张紧浮球，若干绳索组成。张紧浮球与绳索组成的约束分为两个部分，为了保证网箱的稳定性在网箱相对称的四个角上通过绳索将张紧浮球与浮环柱体相连接，通过浮球提供的浮力使绳索处于张紧状态从而满足稳定性的要求。为了减少锚绳自重对网箱的影响，在锚绳的相应位置连接浮球以减少锚绳自重对网箱的影响。

图1 深海碟形网箱结构示意图Fig.1 Sketch of deep water sea station cage

2 深海网箱算例分析

2.1 模拟参数

OrcaFlex软件分析过程分为四个阶段，第一阶段2秒为准备阶段，第二阶段60 s为I模拟阶段（主要模拟单缆未失效情况下，网箱在浪流联合作用下的运动）第三阶段60 s为II模拟阶段（主要模拟单缆突然失效情况下，网箱在相同条件下的运动）。第四阶段60 s为 III模拟阶段（主要模拟网箱在单缆完全失效情况下的运动）。

表1 碟形网箱仿真环境参数Tab.1 Simulation environment parameters of sea station cage

此外，深海网箱所处环境较为复杂，所受外界干扰较多，通过模拟浪流的联合作用来研究深海网箱的动力特性。深海网箱环境参数见表1。

同时假定，锚，浮标的副法向，切向，法向阻力系数附加质量系数为1，以及外界载荷所采用系数均为1文章主要研究锚固系统中锚绳环境载荷作用下张力的变化情况，并以中柱体的位移值为参考来分析网箱在实行情况下的位移情况。锚绳的分布示意图见图2，如图2所示锚固系统沿对角线布置并按逆时针依次编号。为了保证锚绳的稳定，锚绳与锚绳之间通过尺寸较小的系带连接也按逆时针编号。

图2 锚绳分布示意图Fig.2 Distribution diagram of anchor rope

2.2 水动力分析结果

网箱环境载荷作用示意图见图3，如图3所示浪流方向为X轴负方向，最先受力的锚绳被张紧，而与之对称布置的锚绳受浮力作用有向上的位移。网箱单缆失效示意图见图4，如图可得，网箱在单栏失效的情况下整体出现较大位移。图5-a，描述了网箱锚固系统在1号锚绳突然失效情况下的张力变化。第一阶段为准备阶段图中显示的数值可以忽略，从第二阶段开始网箱锚固系统的张力值开始增加，且缆索的张力值随环境载荷周期性变化而变化。锚绳1，锚绳2张力值变化相似最大值为60 KN，相对于YZ面对称。同时为锚绳3，4最大张力最大值的4倍。

第三阶段开始时，设定锚绳1突然失效从底部系带连接处断开。此时锚绳1张力值消失，其他绳索在锚绳断裂时出现小幅震动后主要受力锚绳开始重新分配，锚绳2，锚绳4的张力在短时间开始急速增加从60 s开始到150 s时趋于稳定，锚绳2张力值从最初的57.8 KN增加到83.2 KN后趋于稳定，锚绳3张力值逐渐下降，失去工作意义，说明在锚固系统中与环境载荷首先接触的锚绳最先被张紧，主要为网箱提供与环境载荷方向相反的作用力抵抗环境载荷的作用，而后受到环境载荷作用的锚绳起到锚固作用不是十分明显。因此在锚绳1断裂之后呈对角关系的锚绳2和锚绳4主要承担网箱的系固作用。

图3 网箱环境载荷作用示意图Fig.3 Sketch of net cage environmental load

图4 网箱单缆失效示意图Fig.4 Sketch of net cage single cable failure

图5 锚绳张力变化Fig.5 Tension changes of anchor rope

本文通过研究网箱中柱体的速度和位移变化来描述整个网箱的运动情况，网箱的运动曲线在锚绳未出现失效之前中主体的速度和位移由于环境载荷的周期性变化也围绕某一值周期性变化，在Y轴方向上由于锚绳约束力的作用网箱始终没有位移，当单缆突然失效时由于惯性力的作用，中柱体速度在短时间内从1 m/s增加到2.5 m/s并没有出现短暂的震荡，在没有锚绳1约束的情况下，网箱在X，Y轴方向出现较大位移合成后沿着锚绳1的反方向运动。Z轴方向在单缆未失效之前表示网箱已经处于水下，并且呈周期性的变化，整体是呈现下降趋势。当单缆失效时网箱没有锚绳1作用在其上，倾向下的拉力开始上浮一段距离，随后随着沿对角线布置的锚绳2，4张力逐渐增加，网箱又开始下降，下降幅度随着张力的增加而增加。最后在150 s附近趋于稳定。通过图3，图4可以了解到网箱在环境载荷作用的条件下出现倾斜的现象并且在整个模拟过程都处于水面以下。

网箱倾斜受力分析示意图如图7所示，重力浮力是一对作用力与反作用力并不能产生力矩，Fb的大小由平衡块的质量决定为恒定值，Fs，Fa是锚固系统提供的约束力，其中Fs为锚绳1，2所提供的约束力，Fa是与之相对称的锚绳3，4所提供的约束力。如锚绳张力变化图5可得Fs张力值远大于Fa。从而合力Fj作用在A点的倾斜力矩要大于Fa，Fb作用在A点的回复力矩，使得网箱出现倾斜，同时网箱在Fj的作用下逐渐下降，并随着Fs的增大下降的深度也随之增加。

注：Ff，G代表网箱所受浮力与重力，Fc代表环境载荷作用在网箱上的力，Fs代表锚固系统作用在网箱上的拉力，Fb代表平衡块提供的作用力，Fa锚固系统提供的约束力，Fj代表Fc与Fs的合力，A点为网箱的形心。

图6 网箱的运动曲线Fig.6 Movement curve of net cage

图7 网箱倾斜受力分析示意图Fig.7 Sketch of force analysis of tilted net cage

4 结论

在浪流联合作用下，锚固系统张力值呈现对称性。表现为沿着来流方向，首先受载荷作用的锚绳张紧张力值增大，与之对称的锚绳受载荷的作用产生向上分力。使得锚固系统一半约束网箱。一半由于环境载荷作用不能够完全提供约束。使得网箱的稳定性打折扣，建议在保留原有锚固系统的前提下，在网箱边缘加装垂直于海床的锚固设备。

网箱在环境载荷与锚固系统的联合作用下，会产生倾斜并伴有缓慢下降。锚固系统虽然是网箱的稳定系统但只是确保网箱在环境载荷作用下不会发生大的位移。不能保证网箱能否正浮于水面。平衡块作为网箱的平衡装置在较大环境载荷作用下不能起到明显的作用，建议增加平衡块质量，加装偏心装置以增加网箱在倾斜情况下的恢复力矩。

网箱的浮力主要靠网箱自身的中柱体、浮环柱体提供，但在仿真过程中发现在复杂海况条件下环境载荷与锚固系统的合力产生向下的作用力。使得网箱长时间置于水下，不利于网箱的正常工作，在单缆失效的情况下网箱下降深度会进一步增加。为了增强网箱抵抗复杂环境的能力，以及减少由于锚固系统失效造成的损失，建议在网箱外围加设浮环柱体作为网箱的浮力储备，增强网箱在复杂环境下的生存能力。

参考文献：

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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

国家自然科学基金（11272160）；自然科学基金青年项目（51309133）

范浩（1991-），男，甘肃陇西人，硕士研究生，主要从事船舶与海洋工程结构物强度研究。

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