船型网箱运动-波浪场扰动-网衣受力耦合动力响应特性

王益厚, 付世晓, 许玉旺, 李 帅, 傅 强, 刘富祥

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室, 上海 200240; 2. 烟台中集来福士海洋工程有限公司,山东 烟台 264035; 3. 烟台中集蓝海洋科技有限公司, 山东 烟台 264035)

在过去数十年,重力式网箱在国内外的近海海域被广泛推广应用,其主要由浮圈和柔性网衣结构组成,学者针对其水动力载荷特性和结构响应特性开展了大量研究[1-8].由于浮圈和柔性网衣结构均为细长构件,所以其水动力载荷可通过莫里森方程求解[9-10];同时,在计算网衣水动力载荷时,一般假定其仅受到入射波作用,浮圈等构件对波浪场的扰动基本上可以忽略.

然而,随着近海渔业养殖的饱和,海岸生态环境遭到严重破坏,同时也导致鱼病频发、养殖鱼类品质日渐下降[11].为恢复近海生态,提高养殖鱼类质量,海洋养殖近年来逐渐向开放海域发展[9,12],养殖装备也日渐大型化[13],以抵抗更为严峻的外海极端恶劣环境条件[9, 14-17].其中,船型网箱是一种近年出现的新型养殖结构,主要由大型钢制主体结构、网衣系统和单点系泊系统构成[18-19].

通过网箱模型试验,Huang等[20]分析了系泊布置、波流工况和吃水对船型网箱系泊载荷和运动响应的影响,并研究了网箱内外流场速度的分布特征;此外,Huang等[20]还通过现场试验证明了养殖鱼类对船型网箱具有良好的适应性.Li等[21-23]基于势流理论计算了船型网箱浮体的水动力载荷,分析了是否考虑网衣变形对网箱水平运动和系泊载荷的影响,并针对船型网箱的单点系泊系统开展了系统性的优化设计方法研究.在结构强度分析方面,Ottersen[24]建立船型网箱钢结构局部舱段有限元模型,忽略网衣载荷的影响,基于准静态法分析了迎浪工况下局部舱段截面上法向应力和切应力的分布特征.在上述研究中,船型网箱浮体和网衣的水动力载荷均是相互独立计算的[18,25].然而,船型网箱的浮体由于尺度较大,其在波浪中会对入射波浪场造成扰动,从而导致作用于网衣等细长结构的水动力载荷发生改变,而这些改变也会反过来影响浮体的运动.目前尚无学者针对这种耦合效应开展研究.

本文计及船型网箱运动-波浪场扰动-网衣受力之间的耦合效应,建立船型网箱全耦合运动模型,利用莫里森方程计算扰动后波浪场作用在网衣上的水动力载荷,在时域内不断迭代船型网箱耦合运动方程,直至网箱运动和网衣水动力载荷达到平衡.最后分析了绕射波和辐射波对船型网箱运动响应、网线张力、容积损失和连接器载荷的影响规律.

1 船型网箱数值模型

本文中船型网箱主要由主体钢结构和网衣系统构成.如图1所示,主体钢结构包括浮体和钢架两部分.图中的主要参数[21]如表1所示.网衣系统包括6个养殖单元和多个连接器,其中养殖单元沿浮体长度方向布置,连接器用于养殖单元与钢架间的连接.单个养殖单元的养殖容积达到5.4×104m3,底部通过重块保持养殖容积.网箱作业水深为120 m.全局坐标系Oxyz的Oxy平面与静水面重合,坐标原点位于浮体的艏部中心.

表1 船型网箱主要参数Tab.1 Main parameters of vessel-shaped fish cage

图1 船型网箱模型Fig.1 Model of vessel-shaped fish cage

2 理论背景

2.1 浮体运动方程

浮体频域运动方程[26]可以表示为

(1)

规则波下,浮体在时域内的运动响应方程可以写为

FW(t)

(2)

2.2 网衣和钢架水动力载荷

网衣和钢架水动力载荷的求解依赖于波浪场中的水质点速度.在规则波下,仅计及入射波影响的波浪场中水质点速度可以表示为

(3)

当计及浮体扰动产生的绕射波和辐射波时,扰动后波浪场中的水质点速度可以改写为

(4)

假设柔性网衣仅受轴向载荷,因此网衣采用Truss单元模拟;钢架使用铁木辛哥梁单元模拟.二者均为细长结构,其水动力载荷可用莫里森方程求解:

(5)

2.3 船型网箱耦合运动响应

对刚性浮体和对应的钢架节点设置主-从约束,然后利用连接器将钢架与养殖单元相连,构建船型网箱耦合运动模型.船型网箱的耦合运动方程可以写为

(6)

式中:FCpl(t)表示网衣和钢架对浮体产生的耦合载荷项;FH(t)、FG(t)、FB(t)和FI(t)分别表示网衣和钢架的水动力载荷、重力、浮力和惯性力载荷在浮体质心处的积分项.

通过求解耦合运动方程,得到浮体的运动幅值,然后代入式(4)求解扰动后波浪场中水质点速度,不断迭代网箱运动与网衣和钢架的水动力载荷,最终使二者达到平衡.

2.4 数值分析流程

在船型网箱耦合运动模型中,网衣和钢架的水动力载荷使用莫里森方程求解,然后不断迭代网箱运动与网衣和钢架的水动力载荷,得到平衡结果.使用软件Abaqus进行耦合动力计算,详细流程如图2所示.

图2 船型网箱动力响应分析流程图Fig.2 Analysis flowchart of dynamic response of vessel-shaped fish cage

3 结果分析

分析了绕射波和辐射波对网箱运动、网衣张力、容积损失和连接器载荷的影响,所用工况浪向均为180°,波长与网箱浮体长度相等.

3.1 网箱运动分析

图3是船型网箱浮体质心处不同自由度的运动幅值.随着波幅的增加,各自由度的运动幅值均随之增大.但是当计及绕射波和辐射波的影响时,运动幅值与仅计及入射波作用时的结果几乎相同, 其中纵荡、垂荡和纵摇的最大变化幅度仅分别为1.0%、0.8%和2.4%,这是由于绕射波和辐射波对网衣的水动力载荷整体影响并不显著[7].

图3 不同波幅下的网箱运动响应Fig.3 Motion amplitude of cage at different wave amplitudes

3.2 网衣张力分析

由于沿x轴布置的6个养殖单元所处的波浪场相似[7],所以仅对靠近网箱艏部的养殖单元进行分析.如图4所示,单个养殖单元分为8个网面,分别命名为P1～P8.

图4 养殖单元的网面Fig.4 Net panels of an aquaculture net

图5是养殖单元在8 m波幅下的最大网衣张力云图.在180°浪向下,网面P1和P3的网线张力水平较高,其中网面边缘位置的网线由于连接器限制,其张力最大(区域1、区域2). 图6是不同波幅下最大张力区域的网线张力.随着波幅的增加,绕射波和辐射波对网线张力的影响也随之增大.其中,区域1的张力增幅由38%增加至64%,区域2的张力增幅由19%增加至41%.因此,在网衣的局部强度校核中需要计及绕射波和辐射波的影响.

图5 网衣张力云图Fig.5 Contour of net tension

图6 不同波幅下的最大网线张力Fig.6 Maximum tension at different wave amplitudes

3.3 容积损失分析

在波浪中,养殖单元在一定程度上会出现养殖容积降低的现象,这部分损失的养殖容积称为容积损失.图7是波幅为8 m时不同时刻的养殖单元变形云图.由图可知,无论是否计及绕射波和辐射波的影响,侧网围成的养殖容积不会发生显著的变化,而底网会出现较大的变形.这是由于连接器布置于侧网边缘,有效地限制了网衣柔性变形,减小了容积损失,而底网仅由5 t重块提供张紧力,难以维持底网的养殖容积.

图7 网衣变形云图(侧视图)Fig.7 Contour of net deformation (side view)

为进一步分析绕射波和辐射波对养殖容积的影响,图8给出不同波幅下的最大容积损失率.容积损失率是指养殖单元变形后养殖容积与变形前养殖容积之比.由图可知,随着波幅的增加,容积损失率也逐渐增大,但是整体上处于较低水平.当考虑绕射波和辐射波的影响时,最大容积损失率由12%左右增加至约13%,变化幅度很小.这是由于侧网围成的养殖容积占比高达75%,而由于连接器的限制,侧网的容积损失并不明显,所以最大容积损失率变化很小.

图8 不同波幅下的容积损失率Fig.8 Volume reduction ratio at different wave amplitudes

3.4 连接器载荷分析

如图9所示,每个养殖单元对称布置20个连接器,其中位于边缘的连接器命名为C1～C4,位于中间的连接器分别命名为E1～E6.

图9 连接器分布Fig.9 Distribution of connector

图10是波幅为8 m时各个连接器的最大载荷.其中C1～C4的载荷显著高于E1～E6的载荷,这是由于边缘连接器的载荷主要源于网面P1和P3,这两个网面是养殖单元的主受力网面; 其他连接器载荷主要源于P2和P4,因此载荷较小.当计及绕射波和辐射波时,连接器的载荷增幅明显,其中C1～C4的载荷增幅分别为41%、36%、22%和39%.底部连接器的载荷较小,但是绕射波和辐射波的影响更加显著,其中E1～E3增幅尤为明显,分别增加至原载荷的4.9倍、9.2倍和5.4倍.因此,在连接器载荷强度计算中,绕射波和辐射波的影响是不可忽略的.

图10 波幅8 m时各连接器最大载荷Fig.10 Maximum loads on the connectors at a wave amplitude of 8 m

图11是不同波幅下绕射波和辐射波导致的连接器载荷增幅.随着波幅的增加,整体上连接器的载荷增幅也随之变大,这说明绕射波和辐射波在大波幅下对连接器载荷的影响更加明显.

4 结论

本文针对船型网箱,聚焦于当前方法无法考虑网箱绕射及辐射对网衣水动力的影响的局限性,提出了一种迭代数值分析方法,该方法能够计及网箱浮体运动、绕射及辐射扰动波浪场以及网衣水动力载荷三者耦合的影响,更加准确地计算了波浪作用下船型网箱的水动力响应和结构载荷,在网衣系统安全校核、养殖容积保持和连接器设计等方面具有重要的实际工程意义.该方法由于考虑了网箱与网衣水动力的耦合响应,其分析流程相比于当前通过解耦来处理的方法更加复杂.通过研究规则波下船型网箱绕射及辐射对其运动响应、网线张力、容积损失和连接器载荷的影响规律,主要得到以下结论:

(1) 对于船型网箱运动响应,其绕射和辐射会扰动波浪场从而影响网衣水动力载荷,进而反作用于网箱的运动,通过数值计算发现,这一影响基本上可以忽略,其中纵荡、垂荡和纵摇的最大变化幅度仅分别为1.0%、0.8%和2.4%.

(2) 对于网线张力,绕射波和辐射波对其影响最大的区域主要位于网面的边缘位置.随着波幅的增加,绕射波和辐射波导致的网线张力的最大增幅可达64%.

(3) 对于网衣容积损失,由于连接器对侧网变形的限制作用比较明显,整体上养殖容积损失率较低,绕射波和辐射波对养殖容积产生的影响很小.

(4) 在连接器载荷方面,边缘连接器载荷高于中间连接器载荷,其中边缘连接器的载荷增幅分别达到41%、36%、22%和39%.但是绕射波和辐射波对中间连接器载荷的影响更加显著,其中E1～E3增幅尤为明显,分别增加至原载荷的4.9倍、9.2倍和5.4倍.