深海网箱结构设计与分析方法

郭勤静 徐立新 刘建成 陆海东 曹 慧 庞晓波

（招商局集团海洋工程技术中心 海门226100）

引 言

随着世界人口增长以及人类对健康食品的追求，深海鱼类正越来越受到青睐，并逐步成为人类餐桌上的健康食品首选。海洋生物产品需求量增长迅速，传统的捕捞及养殖方式已不能满足人类对海产品的需要。近年来，全球各国（特别是海洋资源丰富的近海国家）开始研究并进入深海网箱养殖领域，开辟全新的现代化低碳环保的人工海洋牧场。

在诸多国家中，挪威是全球深水网箱养殖的典范，挪威国土面积约38.5万平方公里，海岸线长2.1万公里，年产三文鱼150万吨，养殖及捕捞的海产品中90%用于出口。日本在深海渔业养殖也取得突破性进展，并已完成金枪鱼育苗的技术突破。长久以来，我国海洋渔业主要以捕捞和近海养殖为主。不过，随着近海过度捕捞，加之近海海水流动性差，导致养殖产品污染严重。我国现已停发近海养殖许可证，并大力推进海洋养殖向深海进军。

国内多个研究院校及船舶机构等也加强了对深海网箱装备的研发。朱玉东等［1］从多个方面分析我国深海网箱的养殖现状，阐述发展中存在的问题，提出推动我国深海网箱养殖发展的对策；袁军亭［2］等对多种大型深水网箱的性能进行分析并提出自张式刚性网箱发展潜力较大；鄢奉林［3］等对圆形网箱浮架结构进行实际有限元计算评估，指出在缆绳系附处应力水平较高等；杨新华［4］、高晓芳［5］等应用一系列力学关系，研究深海圆柱形沉浮式养殖网箱承受的波浪力情况，得出网箱所受水平波浪力远大于竖直波浪力，波高的变化对波浪力的影响最大； 李坤鹏［6］、王迪清［7］对浮架在规则波和水流作用下动态响应分析，有限元模拟计算并在不规则波下对浮架疲劳分析计算；宋伟华［8］依据波浪理论与渔具力学理论，设计模型网衣构件水槽波浪试验，研究网衣在波浪中的水动力特性和波浪响应等。基于此研究背景，本文介绍所研发的一型圆形深海网箱设备，并对其包含的技术设备、船级社项目认证及审核内容，以及项目设计及建造难点作简要介绍与分析。针对此型深海网箱结构，基于设计波法进行结构总体强度分析，并就如何模拟渔网分析对比，从而获得一种比较合理的结构设计分析方法，为深海网箱装备的研发及实际建造提供技术参考。

1 深海网箱设计概述

1.1 深海网箱装备简介

深海网箱装备的设计种类请看参考相关文献［2］。目前最先进的网箱是由GM公司基本设计，中国武船重工总包建造。该深海网箱为圆形、直径110 m、高约60 m的管柱结构，为集先进养殖技术、现代化环保养殖理念和世界先进海工设计于一身的现代化全自动海上养殖装备，配备了目前全球最先进的三文鱼智能养殖系统、自动化保障系统和高端深海运营管理系统及对应子系统。其中，智能养殖系统包括鱼苗投放系统、鱼苗进食系统、营养均衡系统、生物光调控系统、鱼群实时监控系统、自动捕鱼系统，高分子渔网保护系统、送氧系统、除虱系统等；自动化保障系统包括渔网自清洁系统、死鱼收集系统、死鱼物质分解、水文监测系统等；高端运营管理系统包括：自适应升降系统、深海定位系统、通讯导航系统、动力系统、中央控制系统、物资补给系统、消防救生系统、火灾报警系统、生活娱乐系统等。该深海网箱融入生物学、工学、电学、计算机、智能化等技术，安装各类传感器2万余个，水下水上监控设备100余个，生物光源100余个，将复杂的养殖过程控制变得异常简单和准确。不过，这些智能化系统，首先必须有一个安全可靠的船体结构为基础，而如何进行深海网箱装备的结构设计、开发，需要针对船级社要求进行详细研究。

1.2 认证入级要求

DNV·GL在深海网箱装备的认证与审核上做了很多工作。2015年加入DNV·GL 旗下的NOMAS是NYTEK授权的深海网箱装备发证机构。传统海洋牧场装备设计一般遵从NS9415，对于新型设计的渔场目前没有形成标准的规范要求，需在设计初期与船东、DNV·GL等达成一致，形成框架工作，包括使用的规范、标准、公约等（如：DNV·GL Offshore、MODU CODE、NMD要求），作为后续设计、检验、发证的依据。框架工作流程中要根据相关的风险分析确定使用的标准、法规等，该标准可能会成为ISO通用标准。

深海网箱项目结合基于风险的认证与验证主要分为以下三个阶段：

● 第一个阶段

提出工作流程，开展框架工作来满足NS9415和其他规范要求。在这个过程中需要创建一个详细的需求文件，表明进行项目时所依据的设计规范和评估内容，并输出认证报告与认证计划书。

● 第二个阶段

此阶段是设计过程中最关键的执行过程，分两个部分：一部分是进行“产品证书认证依据”的主要过程——系统与组件认证，包括主要组件的产品认证、产品材料审核、焊接资质、安装及建造执照、海上作业等；另一个部分是“一致性说明”的主要过程——新型海洋牧场装备的典型审核内容，如项目管理、风险评估、稳性校核、系泊水动力分析及涡激振动分析计算。在位分析包括极限强度、冗余强度和疲劳强度等的分析与报告送审，以及主要系统、救生与安全验证、拖航总体强度疲劳强度分析和相关局部分析、设计图纸等。

● 第三个阶段

船厂建造中的典型审核内容，主要包括图纸文件的校对审核、结构的制造与焊接检验以及各种系统设备等的安装。

1.3 设计与建造的难点

1.3.1 深海网箱装备项目设计需考虑内容

（1）船级社在进行项目设计审核报价时所需文件包括：设计基础、结构设计图、环境数据、设计原理、风险评估标准以及可行性分析。

（2）深海网箱装备属于新型设计，设计审核费用较高，新型渔场设计尚未形成标准的设计规范要求。为避免因设计反复或设计要求不明确给船厂带来的额外投入费用，船东应与船级社签署设计审核合同，船厂应与船级社签署建造检验合同，工作海域的安装取证则由船东与船级社签署合同。

（3）在深海网箱装备项目中，业主和作业海域对设计十分重要：业主在进行框架工作制定过程中有非常重要的作用，关系到能否尽早确定相关的设计要求；作业海域的环境条件对渔场设计十分重要，如果作业海域不明确，会导致设计不确定性，存在设计风险。

（4）深海网箱装备自身的总体强度要在基础设计阶段充分考虑。在设计过程中，渔网对结构受力的影响不能忽略，特别是管柱结构连接点处的钢板材料等级，渔网与船体连接结构设计均需重点考虑，防止跑鱼。

（5）深海网箱装备项目锚泊的水深太深时，系泊分析计算也是一项重要内容。

1.3.2 深海网箱装备项目建造需考虑内容

（1）深海网箱装备项目钢结构多是圆管，需用钢板卷弯焊接，故应核查自身建造能力或寻求第三方资源。

（2）赶鱼的旋转装置（Moving Bulkhead）需沿中间轴360°旋转，安装精度不够会导致装置不能转动，故对建造的精度要求比较高。

（3）深海网箱尺寸一般较大，对航道等都有一定要求，相关的远洋拖航费用较大，故建造完毕后的拖航费用以及拖航强度等问题需要额外考虑。

2 深海网箱结构分析方法

2.1 设计案例

本文所述这型深海网箱直径60 m、型深32 m、体积约9 000 m3，最大波高7.5 m、有义波高4 m，采用6点系泊定位，下浮体6个浮筒提供压载，工作吃水30 m。

深海网箱设备在工作海域所承受的载荷与一般的海洋结构物类似，有永久载荷、可变载荷、环境载荷、意外载荷和变形载荷等［9］，通常在进行总强度分析计算评估时仅考虑永久载荷和环境载荷［10］。对于深海网箱来说，永久载荷主要包括钢结构自身重力以及附属设备和压载舱等的自重，环境载荷主要包括波浪、流、风等。对于网箱来说，波浪载荷在环境载荷中影响较显著，除此以外，海流对于渔网的影响也较大。此类材质特殊的渔网在波浪载荷与流的作用下会发生明显变形。因此在进行总强度分析计算的时候，如何创建模型来模拟渔网，明确阻尼对渔网模型的影响程度有多少，从而更好地将波浪在渔网上引起的莫里森力传递至网箱结构，将是其中一个较重要问题。

在本项目结构总强度研究阶段，拟采用两种方法创建渔网的莫里森模型，即创建水平与垂直的两种渔网莫里森模型。水平建立的莫里森杆件模型与垂直建立的莫里森杆件模型相比，虽两者都承受水平方向的莫里森力，但水平杆模拟渔网还存在来自于垂直方向的莫里森力（垂向阻尼引起），因此还需比较垂向阻尼对两种建模方案总体强度结果的影响程度。

2.2 细长杆件受力及渔网模型模拟

相对于整个深海网箱装备来说，渔网结构属于细长交叉的柔性结构。由DNV·GL规范可知，承受波浪载荷的柔性杆件单元（如渔网）作为偏保守计算等效处理［10］，其受力情况如图1所示。

图1 柔性结构上法向力、切向力与轴向力定义

2.2.1 柔性结构上的剖面载荷

在一般流体流动时施加于柔性结构的水动力荷载，可以叠加结构的每一层剖面上的载荷来进行评估。总体来说，结构每一层上的法向作用力可以分解为法向力fN、切向力fT以及垂直于fN和fT的轴向力（参见图1）；另外，对非圆形截面结构来说还存在扭矩mT。

2.2.2 莫里森载荷公式

对于细长体构件，由于截面尺寸足够小，垂直于构建表面上有梯度变换的质点速度和加速度可以忽略。波浪力可以采用莫里森载荷公式来计算，波浪载荷是惯性力和拖曳力之和。惯性力与加速度成正比，拖曳力与速度的平方成正比。如果拖曳力采用相对速度公式来表示，额外的水动力阻尼就要排除。

一般莫里森公式在如下情况中适用：λ＞ 5D（其中λ为波长，D为截面直径或者其他截面投影）。当结构的长度比横向尺寸大很多的时候，端部作用可以忽略，并且总的载荷可以用长度上每一个截面荷载的叠加来替代。

对于组合的波浪与流载荷工况，波浪与海流共同产生的质点速度需要增加为向量。如果可以，总质点的速度加速度计算更需要基于更多的波浪/流交叉的精确理论。

2.2.3 渔网模型模拟

渔网对于深海网箱是非常重要的组成部分，渔网材质的不同决定了渔网的强度及使用寿命。在网箱设计中，渔网主要考虑以下几个方面：单层或双层渔网、对网内养鱼的出逃的风险评估、安全网的外周长、网更换的次数限制等。在实际分析计算中，渔网被模拟成莫里森梁模型，主要根据不同区域对应渔网截面积等效方法来模拟。根据实际渔网直径以及每一个部分范围内垂直于水平渔网的数量和总面积，创建垂直、水平两种莫里森梁模型，梁模型截面与对应方向上的渔网截面积等效。实际项目中的渔网由于材质特殊，国内尚无法生产，目前主要由挪威设计生产。本项目采用的渔网直径为3 mm，间距为40 mm，以保证鱼不能逃出。

2.3 结构总强度分析方法

2.3.1 总体强度分析过程

深海网箱装备设计过程中一般考虑至少三种吃水，即操作吃水、维护吃水和自存吃水，具体海况由船东确定。此次确定海况H100取值7.5 m，水深60 m。本次主要进行操作工况下的对比，渔网的模拟采用将每一个侧面总渔网的面积等效为细长杆件，网格划分时保证圆管的每周至少有12个网格，保证模型水线面积尽量不变，进而保证浮力等效。网箱左右对称，180°浪向范围内以15°为一个间隔，23个周期从4～15 s间、0.5 s步长、动态13个浪向以及1个静态工况组合计算；后处理计算时，先扫描单个浪向下23个周期内的最大值，再结合波幅值，根据DNV·GL的规定进行静态动态的组合。采用专业分析软件SESAM，根据半潜平台总强度分析流程［11-12］，创建网箱整体分析模型如图2和图3所示。

图2 渔网垂向建模

图3 渔网水平建模

在总体有限元模型中经过加载（主要是永久载荷）、调平（由于模型简化带来的质量分布不均衡）并计算总体质量矩阵，在总体有限元模型中提取湿表面模型，注意湿表面法向的一致性。根据湿表面模型，水动力分析模块Hydro D中如下页图4所示。

采用设计波的方法计算网箱装备所受的波浪载荷即主要的环境载荷。根据规范规定的边界加载方式（即3-2-1的边界加载方式）［9］，针对不同的工况进行加载计算并完成总体强度的分析计算校核。

图4 Hydro D设计波计算

2.3.2 总体屈服屈曲强度校核准则

平台总体强度分析主要包括总体屈服强度、总体屈曲强度和总体疲劳强度分析，实际计算过程主要是通过船级社专业的计算或者公司自身利用程序语言开发的后处理程序批量处理计算完成整个后处理计算校核。此处主要针对板壳结构，列举总体屈服强度校核准则，见式（1）：

由于不同的规范对于强度校核时所采用的方法不同（分为工作应力法与载荷加载系数法），故对应的安全系数也不同，具体请参考相应的规范。本例根据DNV·GL规范规定组合工况下的材料系数为1.15，许用屈服应力校核标准为：

2.3.3 总强度分析结果讨论

垂直以及水平创建莫里森模型模拟渔网总结度结果如图5、图6所示 。

本文研究结果显示,实施优质护理服务模式的观察组患者的骨折愈合时间显著短于实施常规护理的对照组,关节功能恢复情况也显著优于对照组,观察组的护理满意度显著优于对照组,差异均有显著统计学意义(P<0.05)。该研究结果与相关文献[5]报道相符。综上所述,应用优质护理服务模式对骨折患者进行护理干预,促进骨折愈合,能够显著提高患者的骨折恢复优良率,值得临床上广泛应用。

图5 垂直创建莫里森模型模拟渔网总强度结果

图6 水平创建莫里森模型模拟渔网总强度结果

对比结果表明：

（1）两者应力趋势一致，应力水平相当，只有水平建立模型方法的结果稍微偏大一点，最大屈服应力为310 MPa（垂直方案295 MPa）。对于深水网箱来说，总体模型中，渔网模拟莫里森模型，其垂向阻尼影响程度较小，可忽略不计，两种方式都可以采取，但对于水深更深的海域，不同的模拟对象仍需根据实际情况对比，该结论不可一概而论。

（2）结构总体强度主要受静态结果的主导，在底部水平管连接处、中间支柱两端连接处局部应力较大。优化该处网格质量会有所改善。在设计阶段，局部连接管结构处需要进行疲劳子模型分析计算，进行细部的结构优化设计，增加过渡结构来缓解此处的应力集中现象。

（3）不同方案的设计都是为达到功能实现的要求，如：网箱结构设计在满足总体结构强度需求的同时，网箱总体钢结构质量控制是关键考虑因素，另外需要配合完成吃水压载调整、设计较大尺寸的管以提供更大的浮力，利于压载的调整进而有利于整体的稳定性。

（4）本方案上部内部中心支撑杆有一定倾斜角度，对与立柱连接应力集中处的结构在建造工艺上带来挑战。该处倾斜角度较小、施工难度大，其施工质量直接影响该处结构的应力水平。

2.4 管节点疲劳强度分析要求

网箱结构主要由钢管结构焊接组合而成，交叉形成多个K型管节点，而管节点结构焊缝的疲劳强度对整体结构非常关键。在管节点的疲劳分析中，焊缝表面裂纹一般在热点应力区域产生，需要计算热点应力来反映管节点焊缝的疲劳强度。根据热点应力幅（S）与荷载循环次数（N）间的关系曲线（即S-N曲线），由应力集中系数（SCF）计算热点应力并估算管节点的疲劳寿命。

3 下一步研究内容

（1）本文初步考虑波浪产生的莫里森力对渔网的影响，比较不同的莫里森模型模拟渔网所带来的不同强度，对于海流对渔网的具体影响，需进一步深入研究。

（3）如何更好搭配设计管节点（特别是K型管节点结构），以满足整体网箱结构的总体疲劳强度。

4 结 语

深海网箱对功能要求的现代化和先进化，以及工作海域从浅海逐渐走向深海，使网箱整体结构的基本设计难度提高。本文基于这两年市场逐渐火热的海洋牧场深海网箱，研究DNV·GL船级社对实际项目的入级要求、设计与建造的难点，细化整个项目涉及的难点及相关成本费用。针对某设计案例，对渔网采用不同的莫里森模拟方式，采用SESAM软件进行结构总体强度分析，细化研究垂向阻尼对结构总强度的影响程度。本文的研究可为深海网箱装备的设计研发、入级及优化提供一定的工程参考，同时为实际项目的建造、合同签订等提供重要的技术支持。

在全球海工市场的低迷期，设计开发并建造深海网箱装备为国内船厂及设计公司业务的拓展提供了新思路。深海网箱装备的研发与建造是海上渔业养殖的“划时代”装备，将在海产养殖行业引领技术革命、促成产业飞跃，推动渔业养殖从近海养殖向深海养殖加速转变，从网箱式养殖向大型装备式养殖加速转变，从传统人工式养殖向自动化智能化养殖加速转变，对保障我国人民的深海水产品需求及经济提高具有重要意义。

5 声 明

本文在撰写过程中得到了DNV·GL船级社及相关单位的大力支持，并得到了徐立新博士的悉心指导，在此一并表示感谢。同时声明：因研究水平有限，目前的整个研究仍不够成熟，本文观点仅代表作者的观点。