浪流聯(lián)合作用下碟形網(wǎng)箱單纜失效動力學(xué)分析

范 浩，李家旺，朱克強，張大朋

（寧波大學(xué)海運學(xué)院，寧波315211）

浪流聯(lián)合作用下碟形網(wǎng)箱單纜失效動力學(xué)分析

范 浩，李家旺，朱克強，張大朋

（寧波大學(xué)海運學(xué)院，寧波315211）

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

碟形網(wǎng)箱；單纜失效；OrcaFlex；水動力分析

隨著人口的不斷增長，對于水產(chǎn)品的需求也隨之增加。加之近海海洋環(huán)境污染嚴(yán)重使得沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖已不能滿足市場需求。因此水產(chǎn)養(yǎng)殖走向深海，已成為一種必然選擇。然而網(wǎng)箱系統(tǒng)長期置于復(fù)雜海況條件下受到波浪載荷，風(fēng)載，以及海流的作用，這對網(wǎng)箱的安全性，穩(wěn)定性，可靠性提出了更高的要求。

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

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

1 建立模型

深海碟形網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。網(wǎng)箱的構(gòu)造主要由兩個部分組成，網(wǎng)箱本體，網(wǎng)箱錨固系統(tǒng)。網(wǎng)箱本體由中柱體，浮環(huán)柱體，上輻條繩，下輻條繩構(gòu)成。其中中柱體由上下兩個部分構(gòu)成通過調(diào)節(jié)柱體內(nèi)部空氣體積來調(diào)節(jié)網(wǎng)箱的升降。浮環(huán)柱體通過上下輻條與中柱體的兩端連接，構(gòu)成網(wǎng)箱的框架結(jié)構(gòu)支撐起整個網(wǎng)箱。網(wǎng)箱錨固系統(tǒng)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(wǎng)箱的穩(wěn)定性在網(wǎng)箱相對稱的四個角上通過繩索將張緊浮球與浮環(huán)柱體相連接，通過浮球提供的浮力使繩索處于張緊狀態(tài)從而滿足穩(wěn)定性的要求。為了減少錨繩自重對網(wǎng)箱的影響，在錨繩的相應(yīng)位置連接浮球以減少錨繩自重對網(wǎng)箱的影響。

圖1 深海碟形網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of deep water sea station cage

2 深海網(wǎng)箱算例分析

2.1 模擬參數(shù)

OrcaFlex軟件分析過程分為四個階段，第一階段2秒為準(zhǔn)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(wǎng)箱在浪流聯(lián)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(wǎng)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(wǎng)箱在單纜完全失效情況下的運動）。

表1 碟形網(wǎng)箱仿真環(huán)境參數(shù)Tab.1 Simulation environment parameters of sea station cage

此外，深海網(wǎng)箱所處環(huán)境較為復(fù)雜，所受外界干擾較多，通過模擬浪流的聯(lián)合作用來研究深海網(wǎng)箱的動力特性。深海網(wǎng)箱環(huán)境參數(shù)見表1。

同時假定，錨，浮標(biāo)的副法向，切向，法向阻力系數(shù)附加質(zhì)量系數(shù)為1，以及外界載荷所采用系數(shù)均為1文章主要研究錨固系統(tǒng)中錨繩環(huán)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(wǎng)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(tǒng)沿對角線布置并按逆時針依次編號。為了保證錨繩的穩(wěn)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(jié)果

網(wǎng)箱環(huán)境載荷作用示意圖見圖3，如圖3所示浪流方向為X軸負(fù)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(wǎng)箱單纜失效示意圖見圖4，如圖可得，網(wǎng)箱在單欄失效的情況下整體出現(xiàn)較大位移。圖5-a，描述了網(wǎng)箱錨固系統(tǒng)在1號錨繩突然失效情況下的張力變化。第一階段為準(zhǔn)備階段圖中顯示的數(shù)值可以忽略，從第二階段開始網(wǎng)箱錨固系統(tǒng)的張力值開始增加，且纜索的張力值隨環(huán)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(shè)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(xiàn)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(wěn)定，錨繩2張力值從最初的57.8 KN增加到83.2 KN后趨于穩(wěn)定，錨繩3張力值逐漸下降，失去工作意義，說明在錨固系統(tǒng)中與環(huán)境載荷首先接觸的錨繩最先被張緊，主要為網(wǎng)箱提供與環(huán)境載荷方向相反的作用力抵抗環(huán)境載荷的作用，而后受到環(huán)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(guān)系的錨繩2和錨繩4主要承擔(dān)網(wǎng)箱的系固作用。

圖3 網(wǎng)箱環(huán)境載荷作用示意圖Fig.3 Sketch of net cage environmental load

圖4 網(wǎng)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(wǎng)箱中柱體的速度和位移變化來描述整個網(wǎng)箱的運動情況，網(wǎng)箱的運動曲線在錨繩未出現(xiàn)失效之前中主體的速度和位移由于環(huán)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(wǎng)箱始終沒有位移，當(dāng)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(nèi)從1 m/s增加到2.5 m/s并沒有出現(xiàn)短暫的震蕩，在沒有錨繩1約束的情況下，網(wǎng)箱在X，Y軸方向出現(xiàn)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(wǎng)箱已經(jīng)處于水下，并且呈周期性的變化，整體是呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)單纜失效時網(wǎng)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(wǎng)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(wěn)定。通過圖3，圖4可以了解到網(wǎng)箱在環(huán)境載荷作用的條件下出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象并且在整個模擬過程都處于水面以下。

網(wǎng)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(chǎn)生力矩，F(xiàn)b的大小由平衡塊的質(zhì)量決定為恒定值，F(xiàn)s，F(xiàn)a是錨固系統(tǒng)提供的約束力，其中Fs為錨繩1，2所提供的約束力，F(xiàn)a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(yuǎn)大于Fa。從而合力Fj作用在A點的傾斜力矩要大于Fa，F(xiàn)b作用在A點的回復(fù)力矩，使得網(wǎng)箱出現(xiàn)傾斜，同時網(wǎng)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(wǎng)箱所受浮力與重力，F(xiàn)c代表環(huán)境載荷作用在網(wǎng)箱上的力，F(xiàn)s代表錨固系統(tǒng)作用在網(wǎng)箱上的拉力，F(xiàn)b代表平衡塊提供的作用力，F(xiàn)a錨固系統(tǒng)提供的約束力，F(xiàn)j代表Fc與Fs的合力，A點為網(wǎng)箱的形心。

圖6 網(wǎng)箱的運動曲線Fig.6 Movement curve of net cage

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

4 結(jié)論

在浪流聯(lián)合作用下，錨固系統(tǒng)張力值呈現(xiàn)對稱性。表現(xiàn)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(chǎn)生向上分力。使得錨固系統(tǒng)一半約束網(wǎng)箱。一半由于環(huán)境載荷作用不能夠完全提供約束。使得網(wǎng)箱的穩(wěn)定性打折扣，建議在保留原有錨固系統(tǒng)的前提下，在網(wǎng)箱邊緣加裝垂直于海床的錨固設(shè)備。

網(wǎng)箱在環(huán)境載荷與錨固系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，會產(chǎn)生傾斜并伴有緩慢下降。錨固系統(tǒng)雖然是網(wǎng)箱的穩(wěn)定系統(tǒng)但只是確保網(wǎng)箱在環(huán)境載荷作用下不會發(fā)生大的位移。不能保證網(wǎng)箱能否正浮于水面。平衡塊作為網(wǎng)箱的平衡裝置在較大環(huán)境載荷作用下不能起到明顯的作用，建議增加平衡塊質(zhì)量，加裝偏心裝置以增加網(wǎng)箱在傾斜情況下的恢復(fù)力矩。

網(wǎng)箱的浮力主要靠網(wǎng)箱自身的中柱體、浮環(huán)柱體提供，但在仿真過程中發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜海況條件下環(huán)境載荷與錨固系統(tǒng)的合力產(chǎn)生向下的作用力。使得網(wǎng)箱長時間置于水下，不利于網(wǎng)箱的正常工作，在單纜失效的情況下網(wǎng)箱下降深度會進(jìn)一步增加。為了增強網(wǎng)箱抵抗復(fù)雜環(huán)境的能力，以及減少由于錨固系統(tǒng)失效造成的損失，建議在網(wǎng)箱外圍加設(shè)浮環(huán)柱體作為網(wǎng)箱的浮力儲備，增強網(wǎng)箱在復(fù)雜環(huán)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(xué)基金（11272160）；自然科學(xué)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(jié)構(gòu)物強度研究。

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